畢業(yè)設(shè)計(jì)-鋼板無(wú)損檢測(cè)用電渦流傳感器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分析法在渦流檢測(cè)中被廣泛應(yīng)。阻抗分析法是以分析渦流效應(yīng)引起線圈阻抗的變化及其相位之間的密切關(guān)系為基礎(chǔ)，從而鑒別各影響因素效應(yīng)的一種分析方法。 線圈的阻抗 簡(jiǎn)單線圈是由金屬導(dǎo)線繞成的單個(gè)線圈，線圈具有電感，同時(shí)導(dǎo)線之中存在電阻，各匝線圈之間有耦合電容。所以，線圈可以用電感、電容和電阻串聯(lián)的電路表示，如果常忽略線匝間分布的電容，線圈自身的復(fù)阻抗表示為 LjRZ ??? （ ） 圖 的電路中含有兩個(gè)相互耦合的線圈，若在原邊線圈通以交流電 1I ，在電磁感應(yīng)的作用下 ，在副邊線圈 2 中產(chǎn)生感應(yīng)電流；反過(guò)來(lái)，感應(yīng)電流又會(huì)影響原邊線圈中的電流和電壓的關(guān)系。這種影響可以用副邊線圈中的阻抗通過(guò)互感折合到原邊線圈電路的折合阻抗來(lái)體現(xiàn)。 ACMT1RII12L1 L2 圖 互感電路 此時(shí)線圈 I的阻抗發(fā)生變化，其變化量用折合阻抗（ zzz XRZ ?? ）來(lái)表示，且有 222222 RXR XR Mz ?? ， 22222XR XX Mz ??? （ ） 式中 22 LX ?? ， MXM ?? ， 2R 為 2L 的等效電阻加上 R ,M 為耦合系數(shù) 。 折合阻抗與原邊線圈本身的阻抗之和稱為視在阻抗（ zzz XRZ ?? ），且有 1RRR zs ?? （ ） 1XXX zs ?? （ ） 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 7 式中， 1111 LjRXR ???? 為原邊線圈垢視在阻抗。 根據(jù)視在阻抗的概念，可認(rèn)為原邊電路中電流或電壓的變化，是由于電路中視在阻抗的變化所引起的。據(jù)此，由原邊線圈電路中的阻抗變化就可以知道副邊線圈對(duì)原邊線圈的效應(yīng)，從而推知副邊電路中阻抗的變化。 影響阻抗變化的幾個(gè)主要參數(shù) 渦流檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率、缺陷類型以工件厚度的變化都會(huì)引起阻抗的變化，其變化方向各不相同。因此，可采用相位分 離法將需要檢測(cè)的因素與干擾因素分離開(kāi)來(lái)。 工件電導(dǎo)率對(duì)阻抗的影響 將檢測(cè)線圈放置于各種 不同電導(dǎo)率材料上，在其它條件均相同的情況下，由于材料的電導(dǎo)率不同，獲得的信號(hào)也是不同的。隨著電導(dǎo)率的增加，阻抗值將減小，即電導(dǎo)率與阻 抗成反比。 提離效應(yīng)對(duì)阻抗的影響 應(yīng)用點(diǎn)式線圈檢測(cè)時(shí)，線圈與工件之間的距離變化，會(huì)引起檢測(cè)線圈阻抗變化，這種距離影響稱為提離效應(yīng)。 理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，當(dāng) 線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離 x改變時(shí)，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離 x 的變化而變化。根據(jù)線圈與導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用，可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為 )1(2212 asrxxII ??? （ ） 式中： 1I — 線圈激勵(lì)電流； 2I — 金屬導(dǎo)體中等效電流； x — 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； asr — 線圈外徑。 電渦流強(qiáng)度與距離 x 呈非線性關(guān)系，且隨著 asrx/ 的增加而迅速減小。同時(shí)對(duì)阻抗也有影響。 小的提離會(huì)產(chǎn)生大的 阻抗變化，這是由于改變提離時(shí)，工件中的磁通密度改變很大。小直徑探頭阻抗隨著提離的變化比大直徑探頭還要大。渦流檢測(cè)中提離效應(yīng) 影響很大，必須適當(dāng)?shù)挠枰砸种啤? 磁導(dǎo)率對(duì)阻抗的影響 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 8 非鐵磁性材料相對(duì)磁導(dǎo)率為常數(shù)， 1?r? ，不影響阻抗。但是鐵磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率 r? 遠(yuǎn)大于 1，對(duì)阻抗的影響顯著，高磁導(dǎo)率材料的檢測(cè)時(shí)，磁導(dǎo)率不是常數(shù)，微小的磁導(dǎo)率的變化都會(huì)引起很大的噪聲，即使檢測(cè)裂紋也很困難，為了消除磁導(dǎo)率的影響，需要磁化裝置將被 檢區(qū)磁化到飽和，從而使磁導(dǎo)率變化至常數(shù)，減小磁導(dǎo)率變化的影響。 試驗(yàn)頻率對(duì)阻抗的影響 頻率和電導(dǎo)率效應(yīng)在阻抗上的影響是一致的。一般 阻抗都是以 gff/ 為參數(shù)描繪，其中 f 為試驗(yàn)頻率； gf 為特征頻率， gf 取決于工件尺寸和電磁性。 gff/ 一般取值范圍為 10 gff/ 40。如果 gff/ 選得過(guò)小，則電導(dǎo)率變化方向與直徑變化方向的夾角很小，采用相位分離法難以分離；但也不宜選擇過(guò)高。 頻率增加，由于趨膚效應(yīng)，渦流局限在表面薄層中流動(dòng)。渦流引起的阻抗主要由電阻組成，而電阻依賴于工件的溫度和線圈的溫度，即溫度的變化會(huì)對(duì)檢測(cè)帶來(lái)影響。所以希望工作 頻率 選擇在 20～ 200KHz 的范圍內(nèi)。 工件厚度對(duì)阻抗的影響 當(dāng)工件變薄時(shí)，線圈電阻分量增加，電抗分量也增加，阻抗值將會(huì)變大。這一點(diǎn)和電阻率增大的結(jié)果是類似的。這意味著任何引起渦流流動(dòng)電阻增 加的因素，裂紋、變薄、合金成分增加和溫度升高等將使得阻抗值增加，直到探頭阻抗值趨向于線圈在空氣中和阻抗，即 1/ 0 ?XXL 。 探頭直徑阻抗的影響 線圈與導(dǎo)體產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離 x 的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向 r 函數(shù)。當(dāng) x 定時(shí)， 線圈直徑增加，阻抗值 將減小 ， 類似于頻率的增加。這是由于線圈直徑增加，增加了工件中的磁通密度，增大了渦 流值，相當(dāng)于電阻率的減小。要想選擇最佳檢測(cè)工作點(diǎn)，對(duì)于一定的材料，可以通過(guò)改變頻率使工作點(diǎn)移動(dòng)；如果頻率不宜改變，便可借助直徑的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)的移動(dòng)。 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 9 第四章 鋼板 渦流檢測(cè) 的傳感器 設(shè)計(jì) 渦流傳感器又稱渦流檢測(cè)線圈（探頭）。在渦流檢測(cè)中，工件的情況是通過(guò)渦流傳感器的變化反映出來(lái)的。只要對(duì)磁場(chǎng)變化敏感謝的無(wú)元件，如線圈、霍耳元件、磁敏二極管 等都可被用來(lái)作為渦流檢測(cè)的傳感器，但目前用得最多的是檢測(cè)線圈。 根據(jù)渦流檢測(cè)原理，傳感器首先需要一個(gè)激線圈，以便交變電流通過(guò) 并在周圍及受檢工件內(nèi)激勵(lì)形成電磁場(chǎng)；同時(shí)，為了把在電磁場(chǎng) 作用下反映工件各種特征的信號(hào)檢 測(cè) 出來(lái)，還需要一個(gè)檢測(cè)線圈。渦流 傳感器的激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈可以是功能不同的兩個(gè)線圈，也可以是同一線圈具有激勵(lì)和檢測(cè)兩種功能。因此在不需要區(qū)分線圈的功能時(shí)，通常把激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈統(tǒng)稱為檢測(cè)線圈，或稱為渦流傳感器。一般地說(shuō)，渦流傳感器具有列基本結(jié)構(gòu)和功能。 基本結(jié)構(gòu)：渦流傳感器根據(jù)其用途和檢測(cè)對(duì)象的不同，其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 各不相同，類型繁多。但是，不管什么類型的傳感器其結(jié)構(gòu)總是由激勵(lì)繞組、檢測(cè)繞組及其支架和外殼組成，有些還有磁芯、磁飽和器等。 功能：渦流傳感器的功能有三種：其一，激 勵(lì)形成渦流的功能，即能在被檢工件中建立一個(gè)交變電磁場(chǎng)，使工件產(chǎn)生渦流的功能； 其二，檢取所需信號(hào)的功能，即檢測(cè)獲取工件質(zhì)量情況的信號(hào)并把信號(hào)送給儀器分析評(píng)價(jià)；其三，抗干擾的功能，即要求渦流傳感謝器具有抑制各種不需要信號(hào)的能力，如探傷時(shí)要抑制直徑、壁厚變化引起的信號(hào)，而測(cè)量壁厚時(shí)，要求抑制傷痕引起的信號(hào)等。 渦流傳感器的分類 要設(shè)計(jì)傳感器先分析一下渦流傳感器的分類，再分析鋼板適用于哪種類型傳感器。渦流傳感器種類繁多，常見(jiàn)的分類方法有以下幾種： 按檢測(cè)線圈輸出信號(hào)的不同分類 可分為參量式和變 壓器式兩種。參量式 線圈輸出的信號(hào)是線圈阻抗的變化，一般它既是產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)的線圈，又是拾取工件渦流信號(hào)的線圈，所以又叫自感式線圈。 變壓器式線圈，輸出的是線圈上的感應(yīng)電壓信號(hào)，一般由兩組線圈構(gòu)成，一個(gè)專用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的激勵(lì)線圈，另一個(gè)用于拾取渦流信號(hào)的線圈，雙叫互感式線圈。 這兩種型式的檢測(cè)線圈都可用在檢測(cè)鋼板上，各有各的優(yōu)點(diǎn)，看具體情況而選擇適合的型式。 按檢測(cè)線圈和工件的相對(duì)位置分類 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 10 按檢測(cè)線圈和工件的相對(duì)位置分類可分為外穿過(guò)式線圈、內(nèi)穿式線圈和放置式線圈三類。 （ 1） 外穿過(guò)式線圈 外穿過(guò)式線圈，是將 工件插入并通過(guò)線圈內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。它能檢測(cè)管材、棒材、線材等，可以從線圈內(nèi)部通過(guò)的導(dǎo)電試件。 由于采用穿過(guò)式線圈，容易實(shí)現(xiàn)渦流探傷的批量、高速檢驗(yàn)，且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，因此廣泛地應(yīng)用于小直徑的管材、棒材、線材試件的表面質(zhì)量檢測(cè)。 （ 2） 內(nèi)通過(guò)式線圈 內(nèi)通過(guò)式線圈，在對(duì)管件進(jìn)行檢驗(yàn)中，有時(shí)必須把探頭放入管子的內(nèi)部，這種插入試件內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)的探索頭稱為內(nèi)通過(guò)式探頭，也叫內(nèi)穿式線圈 ，它適用于冷凝器管道的在役檢測(cè)。 （ 3） 放置式線圈 放置式線圈，又稱點(diǎn)式線圈或探頭，在探傷時(shí)，把線圈放置于被檢測(cè)工件表面進(jìn)行檢驗(yàn)。這種線圈體積小，線圈 內(nèi)部一般帶有磁芯，因此具有磁場(chǎng)聚焦的性質(zhì) 、靈敏度高。它適用于各種板材、帶材和大直徑管材、棒材的表面檢測(cè)，還能對(duì)形狀復(fù)雜的工件某一區(qū)域作局部檢測(cè)。 按線圈繞制方式分類 按線圈繞制方式分類可分為絕對(duì)式、標(biāo)準(zhǔn)比較式和自比較式三種。 只有一個(gè)檢測(cè)線圈工作的方式稱絕對(duì)式，使用兩個(gè)線圈進(jìn)行反接的方式稱差動(dòng)式。差動(dòng)式按試件的放置形式不同又有標(biāo)準(zhǔn)比較式和自比較式兩種。 （ 1） 絕對(duì)式，直接測(cè)量線圈 阻抗的變化，在檢測(cè)時(shí)可用標(biāo)準(zhǔn)試件放入線圈，調(diào)整儀器，使信號(hào)輸出為零，再將被試工件放入線圈，若仍無(wú)輸出， 表示試件和標(biāo)準(zhǔn)試件的有關(guān) 參數(shù)相同。若 有輸出，則依據(jù)檢測(cè)目的不同，分別判斷 引起線圈阻抗變化的原因是裂紋還是其 他因素。這種工作方式可用于材質(zhì)的分選和測(cè)厚，又可進(jìn)探傷。 （ 2） 標(biāo)準(zhǔn)比較式，是典型的差動(dòng)式渦流檢測(cè)，采用兩個(gè)檢測(cè)線圈反向連接成為差動(dòng)形式。其中一個(gè)線圈放置標(biāo)準(zhǔn)件（與被測(cè)試件具有相同材質(zhì)、 形式、尺寸且質(zhì)量完好 ） ，而另一個(gè)線圈中放置被檢試件。由于這兩個(gè)線圈接成差動(dòng)形式，當(dāng)被檢試件質(zhì)量不同于標(biāo)準(zhǔn)試件（如存在裂紋）時(shí)，檢測(cè)線圈就有信號(hào)輸出，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的檢測(cè)目的。 （ 3） 自比較式，是標(biāo)準(zhǔn)比較式的特例。采用同一檢測(cè)試件的不同部分作為比較標(biāo)湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 11 準(zhǔn)， 稱為 自比較式。兩個(gè)相鄰 安置的線圈，同時(shí)對(duì)同一試件相鄰部位進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，該檢測(cè)部位的物理 性能及幾何參數(shù)變化通常是比較小的，對(duì)線圈阻抗影響也比較 小 ，當(dāng)線圈經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)將輸出相應(yīng)急劇變化的信號(hào)，且第一個(gè)線圈或第二個(gè)線圈分別經(jīng)過(guò)同一缺陷時(shí)所形成的渦流信號(hào)方向相反。 渦流檢測(cè)線圈也可接成各種 電 橋形式。現(xiàn)代通用的渦流檢測(cè) 儀使用頻率可變的激勵(lì)電源和一交流電橋相連，測(cè)量因缺陷產(chǎn)生的微小阻抗變化電橋式儀器一般采用有兩個(gè)線圈的探頭。兩個(gè)線圈設(shè)置在電橋相鄰橋臂上，如果探頭僅有一個(gè)檢測(cè)線圈和一個(gè)參考線圈 ，那它就是絕對(duì)式探頭，如果探頭的兩個(gè) 線圈同時(shí)對(duì)所要探傷的材料進(jìn)行檢測(cè)，則屬差動(dòng)探頭。 絕對(duì)式探頭對(duì)影響渦流檢測(cè)的各種變化（如電阻率、磁導(dǎo)率以及被測(cè)材料的幾何形狀和缺陷等）均能作出反應(yīng)，而差動(dòng)