复杂断面重轨在线无损检测系统设计涡流无损检测部分

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1、. . . . 毕业设计说明书（毕业论文）题 目：复杂断面重轨在线无损检测系统设计涡流无损检测部分70 / 77复杂断面重轨在线无损检测系统设计涡流无损检测部分摘 要论文首先分析了裂纹检测的几种方案，结合铁道设施结构特点、运营环境，对这几种方案进行了对比，从而确定了采用便携式涡流检测仪进行探伤。接着介绍了涡流检测原理，基于电磁场理论推导了相关的重要公式。阐述了阻抗分析法，并用其分析了影响检测线圈阻抗变化的几个因素。推导了放置式探头线圈的特征频率，为检测频率的选择提供了参考。在传感器设计中，本文在分析和借鉴现有一些性能较好的探头所采用的结构形式的基础上，通过实验反复修正，得到一种高性能的传感器。

2、并通过大量实验分析确定了各因素对传感器一些性能的影响，为探头线圈尺寸提供了优化。最后采用正交试验设计方法选定了各参数的合理组合，完成了传感器的总体设计。在硬件设计方面：为了提高灵敏度，通过数学推导传感器信号变换电路中的各个参数，给出了各参数的求取公式，并给出了检测系统激励源、信号调理、单片机系统、显示报警等模块的硬件设计。在软件设计方面：采用模块化软件设计方法，分析了每一个模块的程序流程图，并进行了软件设计。关键词：无损检测；涡流检测；裂纹缺陷；数据采集；信号处理the Design of Online Nondestructive Testing System of Complex Cros

3、s-section Heavy RailTurbulent flow non-destructive inspection partAbstractFirstly, several method of testing crack defect are put forward and compared. Considering of configuration and using characteristic crack, we get the result that the crack defect can be only detected by portable testing instru

4、ment. Secondly,the pinciple of eddy current test is introduced.Based on electromagnetic field theory,some important formulas are deduced. Impedance analytical method is presented,through which we analyze some factors that alter testing coil impedances value. Then,characteristic frequency of laid tes

5、t coil is calculated, it is important to select the test frequency.As for the sensor design, a sensor with high performance is designed through modification based on some sensors with better performance. Various factors that influence the sensor performance are analyzed through experiment to optimiz

6、e the size of coil. Finally used the orthogonal experiment design method, we designed the parameters with reasonable combination, and conpleted the design of sensor system.As for hardware design, in signal converter, in order to improve the sensitivity,the parameter of signal converter is gotten tho

7、ugh math illation. Excitation circuit,signal converter circuit, single chip system, demonstration, and alarm part are all given partcular annlysis and design. As for software design, the software is modularized, and every module is designed, then each flow chart is given.Key words: non-destructive t

8、esting; eddy current testing; crack flaw;data collection; signal prosessing目 录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 课题研究的背景与意义11.2 无损检测技术11.3 涡流检测技术国外发展现状51.3.1涡流检测的研究现状51.3.2涡流检测的发展方向与未来展望7第二章涡流检测理论基础82.1涡流检测基本原理82.2集肤效应92.3涡流阻抗分析法102.3.1线圈自身的阻抗102.3.2耦合线圈的阻抗122.4探头工作频率与特征频率132.4.1工作频率与灵敏度、渗透深度132.4.2探头工作频率的确定121

9、42.5边缘效应172.6提离效应17第三章探头的设计与制作183.1涡流传感器设计方法183.2传感器所采用的结构形式203.3探头参数、性能研究233.3.1线圈尺寸选取原则233.3.2线圈匝数与线圈的电感量243.3.3激励线圈与测量线圈正交偏角243.3.4激励线圈与测量线圈的间距H253.4传感器各参数的确定263.4.1正交试验设计所解决的试验问题21263.4.2正交试验设计的试验安排283.5探头扫查方式32第四章涡流检测系统硬件设计334.1检测系统总体框图334.2激励源电路344.3前置放大与信号检出电路364.3.1前置滤波放大电路364.3.2信号分选电路峰值运算电

10、路374.4单片机系统384.4.1数据采集A/D转换器384.4.2模拟信号输出404.4.3键盘电路414.5缺陷大小指示设计424.6报警电路434.7系统硬件抗干扰设计434.7.1干扰来源434.7.2抗干扰措施44第五章涡流检测系统软件设计465.1软件设计基本原则465.2软件功能的分析和设计475.3软件模块设计485.3.1系统主程序模块485.3.2系统自检495.3.3定时器中断子程序515.3.4按键程序515.3.5数据采集模块525.3.6模拟信号输出模块535.3.7蜂鸣器驱动子程序555.4软件抗干扰设计56第六章总结58参考文献59附录61致66第一章 绪 论

11、1.1 课题研究的背景与意义随着铁路技术的不断发展与完善，我国已逐渐告别人工扳道的历史，转辙机的使用实现了道岔转换的集中控制，为列车的全自动化运行以与提速提供了可靠的保证。为了进一步满足社会发展的要求，我们在不断提高列车速度的同时更重要的是保证它的安全稳定运行。列车的安全稳定运行是靠与时的检修来保证的。目前我国对于机车、重轨(铁轨)与相应设施的定期检修已经采取了大量的手段和措施，如重轨超声探伤车、转辙机远程油压监控系统等设施，己经能满足大部分需求。但对于疲劳裂纹和焊缝质量等问题，我国还停留在定期人工目测阶段，不能满足发展要求，堕待解决。1、疲劳裂纹：对于道岔转辙设备的执行部件，工作比较频繁，执

12、行动作快，瞬时冲击负荷大，且工作环境非常恶劣，因而容易产生疲劳应力，进而形成疲劳裂纹，当裂纹达到一定程度时，很容易造成部件的突然断裂。重轨的安装固定部件等也是如此。2、焊缝：随着无缝钢轨的大量使用，无缝钢轨接头焊缝的质量以与钢轨表面纵向裂纹、分层裂纹等都得采取一定的手段得以保证。这些对于车辆的安全稳定运行至关重要，但目前我国仅靠人工来巡视，这些设施都工作在野外，表面大都被油污、灰尘覆盖，而现在又没有相应的检测仪器，很难发现缺陷所在。因此，必须采用现代检测技术，开发出便携式探伤仪，以辅助人工检查，提高工作效率，与时发现缺陷，排除隐患，做到防患于未然。1.2 无损检测技术无损检测(Non-Dest

13、urctvieTesting，NDT)是检测技术的一个重要组成部分，又称非破坏性检测。它是在不破坏被检测对象物理化学性能和几何完整性的情况下，通过分析对象部异常和缺陷所引起的磁、电、光、声、热等反应的变化，确定缺陷的存在，掌握缺陷的特征并对其危害程度加以评价，进而有助于推测出剩余使用寿命、承载能力和安全系数等。运用无损检测技术对产品进行质量检测，可以极降低成本、确保质量、提高寿命。它在机械、建筑、铁道、石化等众多领域有广泛的应用，具有显著的社会效益和经济效益。随着各种先进的检测方法不断出现，无损检测技术也处于不断的发展之中。目前，对于裂纹缺陷的检测，通常有以下几种无损检测方法：(1)渗透检测P

14、enetrant Testing；(2)磁粉检测Magnetic particle Testing；(3)射线检测Radiographic Testing；(4)超声检测Ultrasonic Testing；(5)涡流检测Eddy current Testing。这五种方法在不同时期都发挥了重要的作用，但在检测对象、适用围、检测效果以与经济性等方面又各具特点2。 1、磁粉检测(MT)利用被测材料磁化后损伤会改变磁力线的分布情况，显现出这些损伤。主要是检测铁磁性材料的表面和近表面的缺陷。检测灵敏度取决于磁化方法、磁化电流、磁粉粒度等因素，通过目视磁粉在被测材料上分布情况来判定缺陷的形状和大小。这

15、种检测方法的优点是对工件形状无特殊要求，灵敏度高、速度快、能直接观察、操作方便，成本较低；缺点是不能检验非铁磁性材料、不能发现部缺陷、不能测定缺陷的深度，并且需要专门的磁化设备。且试样表面的不平和痕迹也会对磁力线的走向产生影响。因而，在应用这种方法时，应先对表面进行处理。2、射线检测(RT)利用射线(X射线、Y射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减，检测其部结构不连续性的技术称为射线检测。射线主要检测工件部的体积型缺陷，比如孔、渣等，对平行于射线照射方向的有一定宽度的裂纹也可检出。要求工件不能太厚，以铁为例，最好不要超过80毫米，其它材料可以根据其衰减系数相应的加厚或减薄。该方法成本最高

16、，且射线对人体有一定的伤害，因此操作者除了必须懂得操作的规程外，还应有有效的保护措施与警告信号。对于裂纹一类的缺陷，其灵敏性常常较低，必须两面通入。3、超声检测超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。与射线法相比，超声波法具有很多的优点；首先它具有很强的穿透力，对于同种钢材来讲，超声波大约是3m，而射线仅仅为50cm；其次，对于很小的伤痕也能够准确地测出来并进行定位，同时，配以一些自动扫描装置与微处理器计算机等设备，这项技术的应用则更为完善和丰富。但是，超声检测对操作者的要

17、求较高，对于一个很大的检测件来讲，一次只能检测很小的一部分。因此，可以看出，超声检测主要检测工件部的面积型缺陷，比如夹层、折叠、裂纹等，对体积型的缺陷也有一定的检出能力，但相对来说灵敏度要低一点。成本较低，工作效率较高，但对检测操作人员有相当高的要求，检测结果的准确与否，取决于检测人员的水平。要求工件表面较光洁。对于熟练地掌握区别各类缺陷之间的不同点有一定的困难。其最大的缺点就是需要用耦合剂。4、渗透检测(TP)利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，再通过显像剂将渗入的渗透剂吸出到表面显示缺陷的存在。渗透检测无需电源，缺陷性质容易辨认，可检测任何金属和瓷材料的表面开口缺陷，

18、但不能检测部缺陷。对工件表面要求清洁和光洁，结果显示时间长(在半小时以上)。5、涡流检测(ET)根据电磁感应原理，导电材料在交变磁场作用下将产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷影响所产生涡流的大小和分布，因此，根据涡流的大小和分布可检验存在的缺陷。涡流检测可检测各种导电材料表面和近表面的缺陷，但检测参数控制困难，检测结果难于解释。常用于型材表面裂纹的检测。重轨部件在服役时，诱发断裂的疲劳裂纹总是从零件表面产生并逐渐向部扩展而引起断裂；焊缝质量的判别一般也是从表面进行的。因此两者均发生在零件的表面，缺陷特征属表面裂纹，因此对部件的表面裂纹进行检测是防止机件失效或破坏的有效措施。表面裂纹检测

19、属于无损检测的一个应用，针对重轨部件的特点：铁磁性材料，形状不规则，被油污和灰尘覆盖，通过对比分析目前无损检测五大常规方法，可以看出对于重轨部件的裂纹和焊缝检测，采用涡流法有其独特的优点：（1）与超声法相比，超声法需要耦合剂接触测量，耦合剂对环境有一定的污染，且超声法对检测操作人员有相当高的要求，和要求工件表面较光洁，而涡流检测对这些要求较弱，超声法一般用于检测尺寸较大的试件。（2）与射线法相比，射线法成本太高，且射线需要放射源，现场使用中存在辐射性物质，对人体有一定的伤害，必须对检测人员进行防护，使用不便。（3）与磁粉法相比，磁粉法现场应用非常简单，直接检测表面缺陷，但如被检工件表面有涂层或

20、潮湿，检测可靠性将大为降低，所以必须先去除涂层，擦干表面。（4）渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高，但对表面有涂层与潮湿的工件就不理想，且对缺陷的判定有赖检验人员的经验。所以相比之下，涡流法对被检工件表面与近表面缺陷检测灵敏度高，具有快速、方便、无污染、成本低，在表面涂层、潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作，特别适合于检测小尺寸物件、便于现场检测等优点。所以从以上分析，涡流法最适合于重轨设施表面裂纹的检测。1.3 涡流检测技术国外发展现状1.3.1涡流检测的研究现状涡流检测方法是以电磁感应为基础的检测方法，原则上说，所有与电磁感应有关的影响因素，都可以作为涡流检测方法的检测对象。而在电磁检

21、测的理论研究中，确定导电材料中缺陷或裂纹的形状、大小和位置的问题，就其本质上来说属于电磁逆问题的求解。电磁逆问题(或反问题)是相对于电磁场顺问题(或正问题)而言的、顺问题是指己知场源和缺陷参数来求解散射场的大小和分布，起着由因推果的作用，对顺问题的研究在理论上和应用上都比较成熟，至今仍占主导地位。大多数的正向问题的数学模型(定解问题)有解且唯一，如果选择合适的计算方法，一般情况下数值解是稳定的，即正向问题是适定的。对正向问题的求解己有许多有效的计算方法，其代表性的方法有：有限元法、时域有限差分法、矩量法、边界元法等。与顺问题不同，逆问题则是利用有限个场点的散射场强来确定缺陷媒质与分布，起着由果

22、推因的作用。由于逆问题的复杂性，目前逆问题的理论基础还不是非常坚实，例如目标函数的选取与其求解方法的确定都需要从理论上予以澄清。涡流法识别缺陷的检测装置包括场的发射、散射场的测量和数据处理三个部分。从当前发表的文章看，电磁场逆问题的数值计算方法比较多，现介绍以下三种：1、最优化方法该方法的特点是反复求解顺问题来不断逼近目标函数的极小值，其计算顺序是先假定一组初始值，然后计算对应的顺问题，通过不断的调整初始值，使顺问题的解与己知测量值在某种数学意义下为最小13。2、遗传算法遗传算法是模拟自然界生物群优胜劣汰的进化过程而提出的，算法中包括选择、交叉和变异三部分。遗传算法的特点是容易找到全局最优解，

23、且不要求目标函数的连续可微性14。3、人工神经网络方法在确定缺陷时无需建立数学模型，通过大量的实例学习来识别缺陷，是一种唯像处理方法，比用其它数值方法快得多，但对于事先没有学习过的缺陷则是无能为力。与其它的无损检测技术一样，涡流检测也包括获取信号(传感器)、测量参数的选择、信号处理和结果显示。人们也总是围绕这几个方面来开展研究，推动涡流检测技术的发展。与这几方面相对应，涡流技术主要包括：检测探头技术(传感器技术)、测量参数的CAD优化技术、缺陷信号的处理技术以与显示技术9。1、传感器(检测探头)技术研究。传感技术是检测技术的关键，近年来人们在传感器的数字模型、结构、几何尺寸自动优化、特征值的测

24、定、有效屏蔽以与与计算机结合等方面进行了大量的研究。针对管材涡流检测中常用探头的不足，美国西屋科学技术中心的Clark设计了直规传感器。他是将通过式传感器分割成若干独立的小线圈，分别由计算机控制，当某一小线圈扫查到缺陷后，立即断开此线圈并继续行走到另一个小线圈发现缺陷，再由计算机对线圈空间距离进行计算得到缺陷的大小。此时将传感器定位并变频测量以求得缺陷距表面的深度。另外为了保持材料表面与近表面高检测灵敏度的同时，提高有效渗透深度，Clekrt和Metal于1989年设计了牛眼传感器。其结构为同轴排列若干线圈，线圈之间被屏蔽，使之独立工作。它的工作原理是首先对不同大小的线圈施以高频检查，当发现某

25、种缺陷信号时，停止扫查并开始对各线圈以不同频率检测缺陷的深度。2、测量参数的优化技术：通过研究传感器的磁场特征从而对传感器结构以与测量参数实现优化，这也是涡流检测的一个重要的研究方向。有限元法是研究这一个方向的基本手段，目前取得了很大的进展。近几年，TFollno等人将有限元法和遗传算法结合，对传感器的几何参数和测量参数进行了优化。结果显示，该方法优化设计的传感器与经验法相比，灵敏度和线性度都有了明显的提高。3、信号获取和处理技术：信号的获取与其处理决定了检测设备的总体J险能，近年来随着电子技术特别是计算机技术的飞速发展，信号处理成为涡流理论研究进展最快的方面。这极大的推进了涡流无损检测从定性

26、分析到定量分析的演变。从国外发表的论文看当前对涡流信号处理的新方法研究比较多的是小波分析技术和人工神经网络技术。小波分析是现代信号处理的新技术，它的多尺度的特性在对无损检测号的去噪和边缘检测具有相当好的效果，为定量识别缺陷提供了依据。而人工神经网络技术由于其集知识表示、存储和计算功能的插值系统的优点，在涡流检测定量化中具有独特的优势。1.3.2涡流检测的发展方向与未来展望1、涡流检测探头是检测设备的关键器件，目前，有关探头设计的理论研究尚不充分，探头的制作多是凭经验或依据实验进行。通过理论分析来进行探头的设计是很重要的研究课题。有必要加紧研制适合各种应用场合的高性能新式探头。2、涡流检测技术对

27、缺陷大小形状的三维评价是产品质量不断提高的必然要求，因此涡流检测三维成像是今后要求的发展方向。3、涡流/超声一体化检测技术。由于超声、射线属部件检测，对材料部深层和亚表面缺陷较为敏感，这正是涡流比较难检测到的，而涡流对表面与近表面比较敏感，使它们能相互弥补各自的缺点。4、研究将涡流场的分布和等效电路阻抗有机结合的问题，涡流阻抗的变化实质上是由试件中涡流场的分布和大小的变化所引起的，应研究不同的场是如何影响阻抗的特性，阻抗特性是如何反映涡流场以与被测体测量特征的。5、充分利用迅速发展的电子技术和微电子技术，研制出更为智能化的涡流检测仪。第二章 涡流检测理论基础2.1涡流检测基本原理涡流检测就是运

28、用电磁感应原理，将正弦波电流通入探头激励线圈，当探头接近金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。对于平板金属，感应电流的流向是以线圈同心的圆形，形似旋涡，称为涡流。同时涡流也产生一样频率的磁场，其方向与线圈磁场方向相反。如图2-1所示。涡流通道的损耗电阻，以与涡流产生的反磁通，又反射到探头线圈，改变了线圈的电流大小与相位，即改变了线圈的阻抗。因此，探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线圈阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其它物理性质变化12。图2-1涡流检测的原理检测线圈的阻抗变化可用如下函数式来

29、描述：Z=F(，x，i，n，f，r)式中Z一检测线圈的阻抗；一被测导体的导磁率；一被测导体的导电率；x一检测线圈与被测导体的距离；i一通过检测线圈的激励电流强度；n一与检测线圈匝数、形状、尺寸有关的因子；f一检测线圈激励电源的交变频率；r一与被测体几何形状、尺寸、缺陷状况有关的尺寸因子。影响涡流场的因素有很多，诸如探头线圈与被测材料的耦合程度，材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以与缺陷等等。因此，利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚、分选等问题。如果控制上式中的某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗就成为这个参数的单值函数。因此，通过测定线圈阻抗的变化，就可以引出金属材料的性能与

30、有无缺陷的结论。2.2集肤效应涡流在被检测试样中流动时，分布是不均匀的。涡流总是密集于靠近线圈的工件表面，随着离开表面深度的增加，涡流也逐渐减少，这种现象就是趋肤效应。不同材料以与交流电频率不同时，在工件横截面上的电流密度分布也有很大不同，而且按指数关系从表面向工件部衰减。在平面电磁波进入半无穷大金属导体的情况下，涡流的衰减公式如下2：J=Je-x 式（2.1）式（2.1）中：J。一工件表面的涡流密度；J一离表面x深度处工件的涡流密度；x一至表面的距离；f一交流电流的频率。通常把电流密度减少到导体表面的电流密度的1/e(即37%)时的深度叫透入深度。它与激励电流的频率、金属材料的电导率有直接的

31、关系，其表达式为：= 式（2.2）由式（2.2）可得出，磁导率u和电导率口越小，趋肤深度越大；而激励频率越低趋肤深度越大2。2.3涡流阻抗分析法在涡流检测中，工件要检测的信号是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，要从这诸多的因素中提取出有意义的检测信号，涡流检测设备必须具备对信号进行处理的功能，以达到消除干扰信号的目的。在涡流检测的发展过程中，曾经提出过多种消除干扰因素的手段和方法，但直到阻抗分析法的引进，才使涡流检测技术得到了重大的突破和广泛应用。阻抗分析法是以分析涡流效应引起线圈阻抗的变化与其相位变化之间的密切关系为基础，

32、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。因为在电磁波的传播过程中，相位延迟是与电磁信号进入导体中的不同深度和折返来回所需的时间联系在一起的。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。在阻抗分析法的发展过程中，由于傅斯特的开拓性工作和实用化资料的积累，在一般的实际应用中，以傅斯特建立的阻抗分析法表述较为著称1。2.3.1线圈自身的阻抗由金属导线绕成的线圈，除了具有电感外，导线还有电阻，各匝线圈之间还会有电容。因此，一个线圈可以用电阻、电感和电容组合而成的等效电路表示。一般当线圈中的电流频率

33、较低时可以忽略线圈匝间分布电容，线圈的等效电路如图2-2所示。图2-2 单个线圈等效电路 图2-3 阻抗向量当单一频率的交流电流(i=Isint)流经上述串连的纯电阻和纯电感时，在串联元件两端的总电压由克希荷夫电压定律可给出为：U=U+U=IRsint+LIsin(x+) 式（2.3）感抗电压U=IX，电阻电压U=IR。在相位上，U和电流I同相位，而电抗电压U较电流I超前串连电路的交流阻抗可用总电压对电流大小之比给出为：Z=R+jX 式（2.4）单个线圈阻抗向量图如图2-3所示。向量形成一个直角三角形，阻抗值的关系为：Z=，tg=。在涡流检测中，当试验线圈远离试件或任何其他导电材料或磁性材料时

34、，其阻抗称为空线圈阻抗，该阻抗提供了一个参数，用于其他阻抗的比较。设空线圈的电阻值为R。，自感值为L。，则空线圈阻抗Z。可表示为：Z=R+jX=R+jL 式（2.5）大多数的涡流线圈为了能产生合适的外部磁化场和限制热损耗，线圈绕有很多匝，空线圈的感抗L较之空线圈的电阻R。要大得多，因此，作为良好的近似，可认为Z=L2.3.2耦合线圈的阻抗涡流检测技术依赖于电磁能与被检工件互相作用方式的分析。由交流电激励检测线圈产生的电磁能耦合到工件。这种现象可以类似于线圈耦合电路。当两个线圈耦合时，如果给原边线圈通以交变电流，由于电磁感应的作用，在闭合的副边线圈中会产生电流。同时，这个感生电流又通过互感的作用

35、影响原边线圈中电流与电压的关系，这个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。如图2-4所示耦合电路。由于互感的作用，副边折合到原边的折合阻抗为：R=R 式（2.6）a)耦合线圈电路 b)互感作用电路c)耦合线圈等效电路图2-4耦合线圈X= 式（2.7）式（2.7）中X=L，X=M，M为两线圈间的互感。折合阻抗和原边线圈本身的阻抗之和称为视在阻抗：R=R+R 式（2.8）X=X+X 式（2.9）由以上各式合并可知初级线圈的视在阻抗为：Z=R+R+j(L-L) 式（2.10）其中，（R-jX）为次级线圈回路反应到初级线圈回路中的电抗。当I=0时，即次级回路开路R=，相

36、当于探测线圈未放置于金属工件上，由式（2.10）可知：Z=R+jL 式（2.11）若次级线圈R=0，k=时，视在阻抗可化简为： Z=R+jL(1-k) 式（2.12）应用视在阻抗的概念，就可以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。这样一来，只要根据原边电路中的这种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的阻抗的变化。如果把副边电阻R从逐步减到零(或是副边感抗X从零逐步增大到)，便可以得到一系列相对应的原边回路中视在阻抗的两个分量R和X(即L)的值。在涡流检测中，在载流检测线圈的作用下，试件中由于电磁感应而感生的涡流宛若是在多层密迭在一起的线圈

37、中流过的电流，这样也可以把被检测的金属工件看作一只和检测线圈交链的次级线圈。因此从电路的角度看，涡流检测类似于电感耦合回路的情形。2.4探头工作频率与特征频率2.4.1工作频率与灵敏度、渗透深度涡流检测所用的频率围从200Hz到6MHz或更大。大多数非磁性材料的检查采用的频率是数千赫兹，检测磁性材料则采用较低频率。在任何具体的涡流检测中，实际所用的频率由被检工件的厚度、所希望的透入深度、要求达到的灵敏度或分辨率以与不同的检测目的等所决定。对透入深度来说，频率越低透入深度越大。但是降低频率的同时检测灵敏度也随之下降，检测速度也可能降低。因此，在正常情况下，检测频率要选择尽可能地高，只要在此频率下

38、仍能有必需的透入深度即可。若只是需要检测工件表面裂纹，则可采用高到几兆赫兹的频率。若需检测相当深度处的缺陷、则必须牺牲灵敏度采用非常低的频率，这时候它不可能检测出细小的缺陷。2.4.2探头工作频率的确定12涡流检测的灵敏度在很大程度上取决于检测频率。对于一定的检测材料往往要求一个特定的检测频率，才有可能获得最佳的检测结果。检测频率的选取与工件的特征频率f密切相关，它是工件的一个固有特性，取决于工件的电磁特性和几何尺寸。一般检测表面裂纹工作频率f=(1050)f，穿过式线圈工件特征频率计算公式如下：f= 式（2.13）式（2.13）中u是被检件的相对磁导率，是电导率，d是工件的直径。当采用放置式

39、探头线圈检测工件时，检测线圈放置于工件表面上，所以使用上式不合理，需要进行修正。采用放置式探头线圈时，由于探头尺寸很小，可把工件看作无限大平面。设想在被测导体上存在某个具有特定几何尺寸的环域，如图2-5所示。当环通过某一均匀电流时，若该电流通过环截面的总电流和被测导体中的总的涡流相当，且这个环域的实际阻抗与被测导体有效阻抗近相等，那么被测导体就可以用这一环域来代替，且对工程计算不至于产生很大的误差，这就是HR Loose提出的推导一个电涡流简化模型的基本设想。图2-5被测导体中的涡流环根据理论分析可得，导体表面涡流沿径向分布规律为，在r=0处，涡流密度为零，随着r的增大，涡流密度值也增大，在对

40、应激励线圈外径r处附近达到大值，然后随着r的继续增大逐渐减小且趋于零，导体表面r处的涡流密度J可表示为：Jor=式（2.14）式（2.14）中r为激励线圈的外半径，r为离线圈中心轴的距离，J为被测导体表面r=r处的涡流密度。令 式（2.15） 式（2.16）式(2.15)式（2.16）中a，a是积分系数。可知，将上面两积分方程式左边相加就是导体中总的电涡流。利用以下积分公式 式（2.17） 式（2.18）解积分方程组得到a=0.116758ra=0.38443r所以涡流环的径向宽度a为a=a+a=0.501189r中心半径：r=r+=1.13383r由涡流的趋肤效应可知，涡流在沿着深度的方向上

41、衰减的很快，一般来说，只要在距离表面3倍的涡流标准深度的地方，涡流密度只有表面值的千分之五。而在被测导体上距线圈中心轴2.14r处，涡流的的径向密度己经衰减到径向最大值的千分之五。所以，J近似无限大的平面导体的涡流绝大部分集中在这个涡流环。采用放置式探头线圈进行检测时，可以用涡流环的尺寸表示工件的尺寸。当被测导体简化成涡流环后，采用放置式探头线圈检测时，工件的半径可以等效为涡流环的半径。即r=r+a=0.38443r+r=1.38443rd=2r=2.76886r所以可以得到放置式探头线圈检测工件时的特征频率为：f= 式（2.19）通过此特征频率我们可以求出最佳的检测频率围。由文献可知，采用修

42、正过后的工件特征频率来选择工作频率效果比较好，验证了理论推导的合理性，经理论推导，加上实践，我们最终选定的工作频率在1015Hkz。2.5边缘效应当检测线圈接近被测零件的边界或端面时，涡流形状会发生改变，这是因为涡流不可流出零件边界的缘故。涡流形状改变的结果是形成所谓“边缘效应”。因为边缘效应的数值非常之大，这就限制了在零件边缘附近进行的检查。与提离不同，没有什么办法能消除边缘效应。减小线圈尺寸将减小一些边缘效应，但线圈尺寸的减小实际上存在一些限制。通常，认为在靠近边界6mm以作检测是不适宜的。2.6提离效应涡流传感器有一个基于探头设计本身的初始阻抗(空线圈阻抗)，这是任何涡流传感器的一个固有

43、持性，有时称为“无限提离阻抗”。当探头靠近受检对象时，在线圈接触材料表面的那一时刻，阻抗的实部和虚部发生变化，这就是“零提离阻抗”。探头在这两点间移动时所描绘出的阻抗曲线即提离曲线，它对涡流检测有非常重要的意义。由涡流传感器的本质可知，这一曲线是非线性的(靠近线圈时场的变化量较大)。在许多情况下，特别是对磁场迅速衰减的小直径探头，在极小的可测围有明显的提离效应。在其它情况下，如大直径探头和叉式探头这一效应相对较小，提离在许多情况下会造成麻烦，通常被认为是需要减小的一种效应。提离效应可用贴近表面的探头或多频检测之类方法加以减小，同时，某些重要的涡流检测依赖于提离效应，导电表面上非导电性包覆层厚度

44、的测量和表面平整度的检测就是这样的两种检测。第三章 探头的设计与制作传感器是直接感受被测量的部分，其性能对后续测量电路的设计以与整个测试系统的精度和可靠性有着重要的影响。所以传感器的设计与制作是整个系统开发过程最重要的环节。传感器制作时要保证其性能指标，它的性能指标一般包括线性度，灵敏度，迟滞，分辨率等。传感器(检测探头)技术研究是检测技术的关键，近年来人们在传感器的数字模型、结构、几何尺寸、自动优化、特征值的测定、有效屏蔽以与与计算机结合等方面进行了大量的研究。通过研究传感器的磁场特征从而对传感器结构以与测量参数实现优化，这也是涡流检测的一个重要研究方向。有限元法是研究这一个方向的基本手段，

45、目前取得了很大的进展。近几年，FT01ofn等人将有限元法和遗传算法结合，对传感器的几何参数和测量参数进行了优化。结果显示，该方法优化设计的传感器与经验法相比，灵敏度和线性度都有了明显的提高。涡流检测探头是检测设备的关键器件，目前，有关探头设计的理论研究尚不充分，探头的制作多是凭经验或依据实验进行。通过理论分析来进行探头的设计是很重要的研究课题。有必要加紧研制适合各种应用场合的高性能新式探头。探头设计主要包括如下几个方面：采用什么样的线圈结构形状、线圈电路的连接形式、线圈形状尺寸、探头的外形等制作。下面就其每一方面依次进行阐述。3.1涡流传感器设计方法涡流传感器是基于相对简单的原理，由一个或多

46、个线圈按给定结构组成。设计者能通过改变线圈形状、横截面、尺寸、结构和电源等参数来制造一种特定的传感器，以适于特定用途或应用围。传感器设计有三种基本方法。这种分类是为方便起见，并符合涡流检测的历史发展。这些方法可分类如下：1、实验型或经验型设计；2、解析型设计；3、数值型设计。涡流探头的实验型设计并不是一种明确的、限定的过程，而是一组方法与其相互作用。它可以来自某个幸运的巧合，或者它可以是由于缺乏任何更好的设计方法时的反应。任何情况下，这一方法通常包括建立某个特定设计和在收集到的测量结果的基础上修正、反复试验和不断摸索的过程。然而对涡流检测技术和技能器的重要改进仍需依赖于实验方法，大多数更为广泛

47、使用的探头亦由此发展起来1。涡流传感器的解析型设计是按给定尺寸或要求计算线圈阻抗，或给出制造一个适用的探头所必需的阻抗、尺寸，处理规定的线圈形状和横截面(如矩形检截面的圆形线圈)，建立模型，并寻求这一模型情况的表达式。涡流探头设计中现有公式的局限性是一个从事探头设计的人们熟知的事实。同时涡流探头可能相当复杂，探头中包括了各种不同材料。这足以解释为何在涡流检测的早期阶段探头设计严重依赖于实验方法。涡流传感器的数值方法(有限元和有限微分法)从完全不同的角度解决了同一个基本问题，这是麦克斯韦尔方程在有限空间中求解。就探头设计而言，数值方法较其它设计方法有某些优越性。探头的响应由材料间电磁场相互作用的

48、真实物理描述进行计算。因此一个完整的模型包括了缺陷、材料性能和线圈参数，极少做任何假设。并且对求解来说不需任何假设。此外，探头响应是对所进行的检测的完整模拟，这是极为重要的。因为它以极为近似实际检测的方式揭示探头的性能并进行更好的设计。非常规的探头形状可以模型化，而解析方法只能处理规定的线圈形状和横截面(如矩形检截面的圆形线圈)。任意横截面线圈的数值型设计并不比矩形核截面的设计复杂。椭圆形线圈或贴合轮廓的线圈也可以模型化。尽管最后可能需要更昂贵的三维模型，可以针对特定不连续性对探头进行优化。这些方法间必然存在相互交叉。实际上，传感器可以通过实验设计，然后用解析方法或数值方法计算其各种参数。或是

49、根据初始要求用解析表达式(精确的或大概的)设计一个传感器，然后通过实验评价其性能；如有必要，重复这一过程直到获得一种可接受的设计。本课题在收集和借鉴现有一些裂纹涡流检测探头技术基础上，采用实验型设计，反复试验修正和不断摸索进行探头的设计和制作。3.2传感器所采用的结构形式涡流传感器有很多基本类型，并且在基本类型上有更多的变化形式。根据它们的工作方式，可分为以下三类：1、绝对式涡流传感器；2、差分式涡流传感器；3、绝对式和差分式组合涡流传感器。绝对式涡流传感器由单个线圈或其等价形式构成，分为两段或更多段的绕组。对这类传感器，人们直接测量其线圈的阻抗或感应电压(多数注意其绝对数值而非阻抗或感应电压

50、的变化值)。总体上说，绝对式涡流传感器最简单有效，因此可能是最广泛使用的。差分式涡流传感器由一对反向连接的线圈组成，因此当两个线圈处于一样条件下时，所测得的阻抗或感应电压净值相互抵销。线圈仅能感应出受检材料的变化，因此差分式涡流传感器被用于反应受检材料的变化情况，而抵消了同时作用于两个线圈的噪声和其它不需要的信号。它们对材料中不连续性的灵敏度高于绝对式传感器，而对提离变化和探头抖动的灵敏度降低了，因为这些因素对两个线圈的影响基本相等。组合传感器的输出取决于线圈的精确配置和连接方式。其工作方式可分为绝对式和差分式。例如，将传感器外表面上的多个小线圈串联连接，此时，传感器就成为绝对式的；将各组线圈

51、以差分方式连接，传感器就可用于差分工作方式下，也可以将此传感器用作复合绝对式(或复合差分式)传感器。每一个(或每一对)线圈分别进行监控，传感器对受检材料的局部缺陷就有不同的响应能力。第二种分类法是根据对探头性能变化分为：1、阻抗方式；2、发射接收方式。在阻抗方式中，激励线圈是监测对象，即激励线圈和测量线圈为同一线圈，也称自感式测量，由线圈阻抗的变化反映工件上被测参数的变化。因为线圈电压(对于恒定电流源)或线圈电流(对恒定电压源)的变化取决于线圈阻抗的变化，可以用这种方式测量任何导致阻抗变化的材料参数。这些变化都涉与阻抗实部的变化(电导率、减簿等)或阻抗虚部的变化(磁导率的变化)，或两者都有。发

52、射接收方式由分离的激励线圈(或线圈组)和测量线圈(或线圈组)组成，此时，测量对象是传送到拾取线圈的感应电压。即由测量线圈中感生电压的变化来反映工件上被测参数的变化。这两种方式没有根本的区别，因为就结果而言它们是一样的。在实际使用中，某一种方式可能比另一种更方便或更灵敏。两种方式都可用于绝对式或差分式涡流传感器。激励线圈和测量线圈两者分立时为互感式测量，由测量线圈中感生电压的变化来反映工件上被测参数的变化。探头分类的第三个重要方法是基于使用方法。为了满足不同工件形状和大小的检测要求。按检测时线圈和试样的相互位置关系，检测线圈可分为三大类：1、穿过式传感器；2、通过传感器；3、放置式传感器；穿过式

53、传感器是将工件插入并通过线圈部进行检测。可用于检测管材、棒材、线材等可以从线圈部通过的导电试件。穿过式线圈，易于实现涡流探伤的批量、高速、自动检测。因此，它广泛地应用于管材、棒材、线材试件的表面质量检测。通式传感器由环形线圈组成，用于检测管子或圆孔的部。放置式线圈，又称点式线圈，是其中最广泛使用的涡流探头。在探伤时，把线圈放置在被检查工件表面进行检验。由于线圈体积小、线圈部一般带有磁芯，因而具有磁场聚焦的性质，灵敏度高。它适用于各种板材、带材、棒材的表面检测，还能对形状复杂的工件的某一区域进行局部检测。本课题采用表面放置，绝对，互感式涡流传感器结构。 图3-1传感器结构示意图传感器是由一个U形

54、的激励线圈和一个I型测量线圈组成。两线圈的相对位置为正交取向，测量线圈靠近U型激励线圈的开口中点处。在激励线圈上通以一定频率的正弦波，当传感器沿着试件表面移动时，试件表面在交变磁场作用下会产生一定分布和大小的涡流；当有裂纹时，涡流分布和大小会发生相应的改变，检测线圈感应涡流反磁场的变化，由硬件电路转化为电信号，从而由其变化反映缺陷的情况。经实验证明，采用此结构能够很好的降低提离效应，提高测试的精度，并且能反映裂纹的相对深度和裂纹的开口方向。3.3探头参数、性能研究3.3.1线圈尺寸选取原则1、激励线圈相对于测量线圈的尺寸要足够大当激励线圈与感应线圈大小可比时，则交变感应电流所产生磁场的磁力线相

55、对于感应线圈的方向是各不一样的，即感应线圈有大量取向各异的磁力线穿过，这样必然会严重影响对缺陷引起电流微弱扰动而导致磁通变化的检测；如果激励线圈相对于感应线圈的尺寸足够大，那么感应电流相对于小尺寸的感应线圈可近似视为沿单一方向直线流动，感应线圈附近的磁力线方向亦近似趋于一致。无缺陷时，穿过感应线圈的磁通量最少；当缺陷存在引起涡流扰动而导致磁通变化时，即使是微弱的变化，感应线圈也能很灵敏地测出，且感应线圈的这种取向对提离变化的敏感度也减至最小7。2、测量线圈尺寸测量线圈尺寸要小。因为只有测量线圈尺寸越小，测量线圈才能够更好的接近工件表面缺陷，从而能较好的提取工件表面上的裂纹缺陷信息。还有如前面所

56、述，激励线圈相对于测量线圈的尺寸要足够大，但不能因此而加大激励线圈尺寸导致探头整体尺寸的增加，探头尺寸过大，又给一些不规则的狭窄区域的探测带来不便，故只有缩小测量线圈尺寸。但测量线圈尺寸太小，又会加大传感器的制作难度，因而只要测量线圈尺寸小到能足够提取缺陷信息即可。缩小测量线圈尺寸只有通过用较小直径的测量线圈磁芯和较细的漆包线。由后面得知采用直径为0.7mm测量线圈磁芯，0.03mm的漆包线来制作测量线圈。3.3.2线圈匝数与线圈的电感量实际绕制线圈时，线圈匝数与线圈的电感量可由下式估算：L= 式（3.1）式（3.1）中L一线圈电感量r一线圈平均半径n一线圈匝数L一线圈长度K一考虑到线圈长度为

57、有限时，磁场分布不均匀，需要加以修正的系数对于多层线圈：K= 式（3.2）式（3.2）中t线圈厚度。3.3.3激励线圈与测量线圈正交偏角如图3-2所示，当激励线圈与测量线圈完全正交(激励线圈磁芯轴线与检测线圈法线平行)时，探头工作于空载(置于空气中不接近金属工件)或置于完好工件表面时，在激励线圈和涡流场的作用下，测量线圈附近磁力线均平行于测量线圈表面，通过测量线圈磁通为零，由电磁感应定律知，测量线圈中感应电压为零；当探头置于工件表面裂纹处时，裂纹缺陷改变了涡流大小与分布，扰乱了涡流场，使测量线圈中有磁力线通过，从而在测量线圈中产生感应电压，我们通过对感应电压的监测即可拾取试件缺陷信号。由于探头

58、在空载或是置于工件表面无缺陷处时，测量线圈输出均为零，因此基本上不存在提离效应。但这是一种理想情况，因为探头在加工制作后两线圈很难保证完全正交，激励线圈磁芯轴线与检测线圈法线总是有一定的偏角，正偏或是反偏。如图3-3所示。然而在正偏和反偏两种情况下，测量线圈输出信号在幅值和相位上均有所不同，为了保证探头性能的一致性，必须保证偏角的一致，这个可以通过加工制作时来保证。当探头两线圈存在一定的偏角后，探头工作在空载或是置于工件表面无缺陷处时，测量线圈有一定的电压输出，我们可以通过探头在缺陷处和无缺陷处测量线圈输出电压信号之差来反映工件表面缺陷的存在。然而此时探头工作于空载和置于工件表面无缺陷处时测量

59、线圈输出电压信号是不同的，也就是产生了提离效应。提离效应会对我们的检测带来不利的影响，应尽量消除。由实验得知，提离效应随偏角的增大而更加明显，因此必须将偏角控制在较小的围。3.3.4激励线圈与测量线圈的间距H激励线圈与测量线圈的间距H也是该传感器设计中的一个重要参数。它会影响到探头的灵敏度和提离效应。H过大，将会增大激励线圈与工件之间的距离，减小工件上的感应涡流，从而降低探头检测灵敏度；H过小，又会增强提离效应。故H值应根据试验适当选取。图3-4 激励线圈与测量线圈的间距3.4传感器各参数的确定传感器的设计参数很多，主要有激励线圈、测量线圈匝数，激励线圈与测量线圈之间的相对距离，线圈的尺寸等等

60、。这些参数对传感器性能影响各不一样，且影响并非相互独立，某些因素降低了需要消除的传感器提离效益，但同时也降低了传感器的灵敏度。因此，在传感器的设计中，应采用相应的试验方法获得传感器参数的最佳组合，使其达到较好的性能，即具有较高的灵敏度以与较小的提离效应。3.4.1正交试验设计所解决的试验问题211、正交试验设计解决怎样一类试验问题任何一项试验，都存在着如何安排试验以与如何分析试验结果的问题，这就是做试验设计所要解决的问题。一个科学的试验设计应能做到以下两点：一是试验次数尽可能少；二是能用这少数试验所获得的试验数据，有说服力的推出正确结论。在我们试验要解决的问题中，存在着一类要选择最优的方案，即

61、优选问题。单因素优选法，有0.618法、分数法、对半法等；双因素优选法，有平行线法、交替法、调优法等。然而三因素乃至多因素的这种问题，采用正交试验设计法是进行试验设计的有效方法。下面以涡流传感器参数选取试验为试验，初步认识一下正交试验设计是解决什么类型的问题。涡流传感器参数选取试验，是探求测量线圈匝数、测量线圈径(磁芯直径)、激励线圈与检测线圈的距离，三者以怎样的参数组合时，涡流传感器性能最好。试验中测量线圈匝数：300匝、400匝、500匝，测量线圈径有：0.5mm、0.7mm、0.9mm；激励线圈与检测线圈的距离2mm、3mm、4mm。表征探头性能好坏的指标是灵敏度、提离效应。这项试验就是多因素试验问题，类似这样的问题在很多产品设计试验研究中是经常会遇到的，正交试验设计法，正是对这类试验进行设计的科学方法。2、有关的术语和符号试验指标：表征试验研究对象的指标称为试验指标。如涡流传感器灵敏度、提离效应就是表征传感器性能的试验指标。因素：对试验指标可能会产生影响的原因，称为试验因素，简称因素。从裂纹探测和总体参数中选出的对传感器性能可产生影响的主要原因：测量线圈匝数、测量线圈径(磁芯直径)、激励线圈与检测线圈的距离，就是试验因素。水平：试验因素在试验中所选取的具体状态称为水平或位级。该试验中，测量线圈匝数的三个水平分别为：300匝、400匝、500匝，测量线圈径的三个水平：