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毕业设计(论文)-钢板无损检测用电涡流传感器

发布时间:2019-07-26 20:00

  学科分类号080604 钢板无损检测用电涡流传感器设计 指导教师二〇一〇年五月十五日 II 湖南涉外经济学院 毕业设计(论文)任务书 电气与信息工程 学部 电子信息工程 系(教研室)主任:(签名) 学生姓名:学号: 专业: 电子信息工程 设计(论文)题目及专题:钢板无损检测用电涡流传感器设计 学生设计(论文)时间:自2010 日开始至2010 郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008:62-83. 设计(论文)应完成的主要内容:(1)分析电磁场在钢板中的分布情况; (2)电涡流检测钢板的原理分析; (3)介绍电涡流检测的阻抗分析法; (4)阻抗分析法中影响阻抗的几个参数; (5)涡流传感器的工作原理; (6)采用电桥电路设计电涡流传感器; 提交设计(论文)形式(设计说明与图纸或论文等)及要求:(1)钢板无损检测用电涡流传感器的设计样品; (2)论文的电子版格式和打印版; 发题时间:2009 指导教师:(签名) (签名)III 分析涡流无损检测技术的工作原理,设计涡流无损检测传感器。根据其用途和检测对象的不同,涡流传感器的外观和内部结构有所不同。不同的外观和内部结构适应不同 的试件以达到不同的检测效果。利用涡流检测阻抗分析方法来分析试件的磁导率、厚度、 电导率和激励信号的频率对阻抗的影响。根据涡流效应引起线圈阻抗的变化及其相位变 化之间的密切关系,从而鉴别各种影响因素效应。在对试件进行检测时采用相应的措施 尽可能的减小干扰信号,提取有用的信号。电桥电路有较高的灵敏度和抗干扰能力,本 设计采用电桥电路作为涡流传感的检测电路。 关键词:无损检测;涡流传感器;阻抗分析法 IV ABSTRACT Analyseeddy current nondestructive testing technology works, design eddy current nondestructive testing sensor. According differentuses testobjects, Eddy current sensors has different appearances internalstructures differentappearance internalstructure adapt differentspecimens differentdetection. Using eddy current testing impedance analysis method analyze specimenpermeability, thickness, electrical conductivity excitationsignal impedance.According eddycurrent effects caused coilimpedance closerelationship between phasechange identify effects variousfactors. Specimens tested correspondingmeasures used possiblereduce interferencesignal, extracting usefulsignal. Bridge circuit highsensitivity anti-jammingcapability, designuses eddy current sensor bridge circuit detectioncircuit. Keyword: NDT; Eddy current sensor; Impedance analysis 湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) III 第一章前言………………………………………………………………………………1 第二章 涡流检测的原理………………………………………………………………2 2.1 涡流检测原理……………………………………………………………………2 2.2 导体中的电磁场…………………………………………………………………2 2.3 钢板中的电磁场…………………………………………………………………3 2.4 钢板电涡流检测的特征参数……………………………………………………4 2.5 钢板电涡流检测的特征频率 第三章涡流传感器的阻抗分析法…………………………………………………6 3.1 线影响阻抗变化的几个主要参 3.2.1工件电导率对阻抗的影响…………………………………………………7 3.2.2 提离效应对阻抗的影响……………………………………………………7 3.2.3 磁导率对阻抗的影响………………………………………………………7 3.2.4 试验频率对阻抗的影响……………………………………………………7 3.2.5 工件厚度对阻抗的影响……………………………………………………8 3.2.6 探头直径阻抗的影响………………………………………………………8 第四章 钢板涡流检测的传感器设计…………………………………………………9 4.1 涡流传感器的分类…………………………………………………………………9 4.1.1 按检测线圈输出信号的不同分类……………………………………………9 4.1.2 按检测线圈和工件的相对位置分类…………………………………………9 4.1.3 按线圈绕制方式分类………………………………………………………10 4.2 钢板检测线圈信号检出电路设计…………………………………………………11 4.2.1 差动电路……………………………………………………………………12 4.2.2 电桥电路……………………………………………………………………12 第五章 结论 ………………………………………………………………………………15 5.1 可行性分析天……………………………………………………………………15 5.2 检测性能的评价…………………………………………………………………18 5.2.1 灵敏度………………………………………………………………………18 5.2.2 穿透能力……………………………………………………………………18 5.2.3 检测速度……………………………………………………………………18 湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) IV 5.2.4 线性度………………………………………………………………………19 5.3 传感器设计总结…………………………………………………………………19 参考文献……………………………………………………………………………………20 谢……………………………………………………………………………………21湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) 涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法,适用于导电材料。当导体置于交变磁场中,导体中就会有感应电流产生,这种电流称为涡流。由于导体自 各种因素如电导率磁导率形式尺寸和缺陷等的变化,会导致感应电流的变化,利 用这种现象来判知导体性质状态及有无缺陷的检测方法,叫做涡流检测方法。 涡流检测信号来自检测线圈的阻抗或次级线圈感应电压的变化。由于影响阻抗和电 压的因素很多,各因素的影响程度也不同,因此,涡流检测设备必须采取一些措施,以 达到消除干扰信号的目的。涡流检测是以材料电磁性能变化为判断依据来对材料及构件 实施缺陷探测和性能测试的一类检测方法通称为电磁法,其基本原理是以电磁学的理论 为基础的。本文介绍用涡流无损检测的方法检测钢板的传感器的设计。 本文的主要内容是涡流无损检测方法检测钢板构件的传感器为目的。先介绍涡流检 测中涉及的电磁基本理论,对麦克斯韦方程组求解的有关问题作某些说明,并通过典型 的物理模型来介绍求解电磁渗透方程的常用方法。以便为进一步讨论涡流检测的基本原 理作理论准备。接下来分析半无限平面导体中的电磁场,可把钢板看成半无限平面导体 来简化钢板中电磁场的分析。分析出磁场在钢板的分部情况,以及磁场强度与哪些因素 有关。磁场在金属中有一种现象称为趋肤效应,即磁场强度随着深度的增加而很快地衰 减,总是集中于导体表面。趋肤效应决定了涡流无损检测钢板的厚度的最大值。分析了 上面的理论后再介绍涡流检测阻抗分析方法,阻抗分析法是以分析涡流效应引起线圈阻 抗的变化之间的密切关系为基础,从而鉴别各影响因素效应的一种分析方法,从电磁波 传播的角度来看,这种方法实质上是根据信号有不同相位延迟的原理来区别工件中的不 连续性。到目前为止,阻抗分析法仍然是涡流检测中应用最广泛的一种方法。引起检测 线圈阻抗变化的直接原因是线圈中磁场的变化,所以,在对检测线圈阻抗进行分析时, 首先要分析和计算工件放入检测线圈后磁场的变化情况,然后得到检测线圈阻抗的变 化,才能对工件的各种因素进行分析。福斯特提出了有关有效磁导率的概念,有效磁导 率可以使阻抗分析的问题大大简化。像钢板这样的结构一般用放置式线圈做传感器。分 析影响阻抗变化的几个主要参数如工件的电导率 、提离效应、磁导率、试验频率、工件厚度。根据上面的知识设计涡流传感器,在涡流检测中,工件的情况是通过涡传感器 的变化反映出来的。只要对磁场变化敏感的元件,如线圈、霍耳元件等都可被用来作为 涡流检测的传感器,但目前用得最多的是检测线圈。涡流传感器种类繁多,不同种类的 传感器对应不同结构的被检工件。设计一种能够检测钢板的线圈传感器,要求有抑制各 种不需要信号的能力,如探伤时要抑制直径、壁厚变化引起的信号等等。 本文是以涡流无损检测的理论为基础,设计涡流无损检测在钢板检测中的传感器为 目的。本文在编定过程中参考了国内和翻译资料及有关文献,在此向有关文献的著作表 示衷心的谢意。 湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) 第二章涡流检测原理 2.1 涡流检测原理 涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法,适用于导电材料。 当导体置于交变的磁场中时,导体就会产生感应电流,这种感应电流称为涡流。试件上 产生涡流的大小由试件的电导率、频率和电磁场的振幅所决定。涡流自身也产生电磁场; 在非磁性材料中,感应电磁场仅与涡流有关;而对于永磁性材料,感应电磁场将产生附 加的交流磁化作用,其振幅足以超过涡流场所引起的振幅,这些电磁现象与被测材料的 磁导率有紧密联系。 涡流检测时把导体接近通有交流电的线圈,由线圈建立的交变磁场与导体发生磁感 应,在导体内感生出涡流。此时,导体中的涡流也会产生相应的感应磁场,并影响原磁 场,进而导致线圈电压和阻抗的改变。当导体表面或近表面出现缺陷时,会影响涡流的 强度和分布,并引起线圈电压和阻抗的变化。因此,通过仪器检测出线圈中电压或阻抗 的变化,即可间接地发现导体内缺陷的存在。 由于被测工件形状不同、受检部位的不同,所以检测线圈的形状与接近试件的方式 也不尽相同。为了适应各种检测需要,人们设计了各种各样的检测线圈。其中检测线圈 用来建立交变磁场,把能量传递给被检导体;同时,又通过涡流所建立的交变磁场来获 得被检测导体中的质量信息。检测线圈的形状、尺寸、和技术参数对于最终的检测结果 至关重要。因为要检测钢板,一般情况用探头式线 导体中的电磁场 在电磁检测中处理的对象基本是金属导体,而金属中电荷的弛豫时间极短,因此, 自由电荷的体密度可假定为零。在这种情况下可以写出波动方程, (2.1)上式表明电磁波是以波的形式在运动。若考虑到金属导体中的位移电流很小,对于 一般金属约为 1085 (2.2)同理,还可以推得 (2.3)湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) (2.4)从式(2.2)至式(2.4)称为电磁渗透方程,用于研究导体内的电磁渗透现象,也是对 电磁检测问题进行理论分析的基本方程。式中,H 分别是磁场强度、电场强度和电流密度的复矢量。在求电磁渗透方程时,事实上只能对一些具有规则边界的模型, 诸如半无限平面导体,无限长圆柱导体,无限长的管状导体及导电球体等做出数学的解 析解。至于在实际上遇到的具有不规则边界问题的模型,往往难于,甚至没有可能列出 或者求解该特定情况的定解问题。但是我们可以用近似等效的方法,只要它们满足一定 的条件(如传感器的尺寸远小于钢板的面积),无论如何,求解电磁检测中的一些特定 物理模型的带有定解条件的麦克斯韦方程组,总是具有基本的理论价值,同时为设计检 测传感器有指导意义。 2.3 钢板中的电磁场 为了分析简单,我们认为钢板相对于传感器是无限大的平面导体。现在分析钢板中 的电磁场分布情况。 现假设导体充满经x 的半无限空间,yz平面过原点。设有一层状激励电流在一个 轴垂直,且在距原点某一距离处与负x轴相交的平面内沿y 方向流动。电流在导体 半空间的前面和导体内部都激励出一个z 轴向的磁场,这样,电磁渗透方程(2.2)就 可成为一个只含 (2.5)这个二阶常微分方程的通解为 Kx Kx 由边界条件来确定。对于沿x轴向无限延伸 的半无限导体, 应为零,否则磁场将趋于无限在,这是无意义的,于是得Kx (2.8)湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) ,可见磁场由实部和虚部两部分组成。实部表明磁场的幅度随着电磁场进入导体深度的增加而作指数衰减,其衰减率由 为相位因子,决定了相位变化的快慢;K 则称为电磁场在导体中的传播系数。 可由磁场强度 (2.9)设在x (2.10)在式(2.9)和式(2.8)中令 (2.11)这时有 处,磁场强度和电流密度的幅值均降至表面上对应值的 36.7%。称为平面电磁场的渗透深 度。已知被检测构件的料质、钢板的厚度,根据 就能确定激励信号的频率。 2.4 钢板电涡流无检测的特征参数 将频率、探头直径和工件参数结合在一起以构成一个特征参数,即 —角频率。湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) 变量描述了四个检测参数对阻抗的影响。特征参数的用途在于它提供了一个模拟参数。检测对象改变时,如果 (2.13)只要具有同样的特征参数 ,在归一化阻抗图上就有相同的工作点。一般选择探头直径和工作频率,使的 10 ,当我们知道被检构件就可以通过选择频率与探头的大小使效果最佳。当想对磁导率与电导率已知的情况下,频率与探头尺寸可根据式(2.14)选择 (2.14)2.5 钢板电涡流无检测的特征频率 特征频率是工件的固有特性,取决于工件的电磁特性和几何尺寸。有效磁导率不是 常数,而是与激励频率 及导体的半径a、电导率 、磁导率 有关的变量,用 是电导率,是磁导率,r 是半径。在分析检测线圈时阻抗时,常以 参数。湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) 第三章涡流传感器的阻抗分析法 检测信号来自检测线圈的阻抗或次级线圈感应电压的变化。由于影响阻抗和电压的 因素很多,各因素的影响程度也不同,因此,从信号中提取信息并排除干扰信号,涡流 检测设备必须具备对干扰信号有抑制功能,以达到消除干扰信号的目的。 阴抗分析法在涡流检测中被广泛应。阻抗分析法是以分析涡流效应引起线圈阻抗的 变化及其相位之间的密切关系为基础,从而鉴别各影响因素效应的一种分析方法。 3.1 线圈的阻抗 简单线圈是由金属导线绕成的单个线圈,线圈具有电感,同时导线之中存在电阻, 各匝线圈之间有耦合电容。所以,线圈可以用电感、电容和电阻串联的电路表示,如果 常忽略线匝间分布的电容,线圈自身的复阻抗表示为 (3.1)图3.1 的电路中含有两个相互耦合的线圈,若在原边线圈通以交流电 ,在电磁感应的作用下,在副边线 中产生感应电流;反过来,感应电流又会影响原边线圈中的 电流和电压的关系。这种影响可以用副边线圈中的阻抗通过互感折合到原边线圈电路的 折合阻抗来体现。 AC L1L2 图3.1 互感电路 此时线圈I 的阻抗发生变化,其变化量用折合阻抗( 为耦合系数。折合阻抗与原边线圈本身的阻抗之和称为视在阻抗( (3.4)湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) 为原边线圈垢视在阻抗。根据视在阻抗的概念,可认为原边电路中电流或电压的变化,是由于电路中视在阻 抗的变化所引起的。据此,由原边线圈电路中的阻抗变化就可以知道副边线圈对原边线 圈的效应,从而推知副边电路中阻抗的变化。 3.2 影响阻抗变化的几个主要参数 涡流检测在实际应用时,电导率、磁导率、频率、缺陷类型以工件厚度的变化都会 引起阻抗的变化,其变化方向各不相同。因此,可采用相位分离法将需要检测的因素与 干扰因素分离开来。 3.2.1 工件电导率对阻抗的影响 将检测线圈放置于各种不同电导率材料上,在其它条件均相同的情况下,由于材料 的电导率不同,获得的信号也是不同的。随着电导率的增加,阻抗值将减小,即电导率 与阻抗成反比。 3.2.2 提离效应对阻抗的影响 应用点式线圈检测时,线圈与工件之间的距离变化,会引起检测线圈阻抗变化,这 种距离影响称为提离效应。理论分析和实验都已证明,当线圈到金属导体表面的距离x 改变时,电涡流密度也发生变化,即电涡流强度随距离x 的变化而变化。根据线圈与导 体系统的电磁作用,可以得到金属导体表面的电涡流强度为 —线圈外径。电涡流强度与距离x 呈非线性关系,且随着 的增加而迅速减小。同时对阻抗也有影响。小的提离会产生大的阻抗变化,这是由于改变提离时,工件中的磁通密度改变 很大。小直径探头阻抗随着提离的变化比大直径探头还要大。涡流检测中提离效应影响 很大,必须适当的予以抑制。澳门太阳城 3.2.3 磁导率对阻抗的影响 湖南涉外经济学院本科生毕业设计(论文) 远大于1,对阻抗的影响显著,高磁导率材料的检测时,磁导率不是常数,微小的磁导率的变化都会引起很大的噪声,即使检测裂纹也很困难,为了消除磁导率的影响, 需要磁化装置将被检区磁化到饱和,从而使磁导率变化至常数,减小磁导率变化的影响。 3.2.4 试验频率对阻抗的影响 频率和电导率效应在阻抗上的影响是一致的。一般阻抗都是以 为参数描绘,其中 一般取值范围为10

  分析涡流无损检测技术的工作原理,设计涡流无损检测传感器。根据其用途和检测对象的不同,涡流传感器的外观和内部结构有所不同。不同的外观和内部结构适应不同的试件以达到不同的检测效果。利用涡流检测阻抗分析方法来分析试件的磁导率、厚度、电导率和激励信号的频率对阻抗的影响。根据涡流效应引起线圈阻抗的变化及其相位变化之间的密切关系,从而鉴别各种影响因素效应。在对试件进行检测时采用相应的措施尽可能的减小干扰信号,