電子信息工程專業(yè)論文鋼板無損檢測用電渦流傳感器設(shè)計

1、學(xué)科分類號080604湖 南 涉 外 經(jīng) 濟(jì) 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題目鋼板無損檢測用電渦流傳感器設(shè)計作者 孫 學(xué)部電氣與信息工程專業(yè) 電子信息工程學(xué)號指導(dǎo)教師 廖 二一年五月十五日湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書電氣與信息工程學(xué)部電子信息工程系系（教研室）主任:（簽名）年月日學(xué)生姓名:孫學(xué)號:專業(yè):電子信息工程1 設(shè)計（論文）題目及專題：鋼板無損檢測用電渦流傳感器設(shè)計2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自2010年3月1日開始至2010年5月 15日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：1 任吉林,林俊明.電磁無損檢測M.北京:科學(xué)出版社,2008:64-220.2 郁有文,常健，程

2、繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008:62-83.3 邵澤波.無損檢測技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:140-198.4 謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁場M.北京:高等教育出版社,2008:1-83.5 張俊哲.無損檢測技術(shù)及應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社,1993:26-98.6 胡天明.表面無損檢測M.北京:水利水電出版社,1991:1-151.7 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社,2007:23-51.4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：(1)分析電磁場在鋼板中的分布情況；(2)電渦流檢測鋼板的原理分析；(3)介紹電渦流檢測的阻抗分析法；(4)阻

3、抗分析法中影響阻抗的幾個參數(shù)；(5)渦流傳感器的工作原理；(6)采用電橋電路設(shè)計電渦流傳感器；5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：(1)鋼板無損檢測用電渦流傳感器的設(shè)計樣品；(2)論文的電子版格式和打印版；6 發(fā)題時間：2009年12月30日指導(dǎo)教師：（簽名）學(xué) 生：（簽名）湖 南 涉 外 經(jīng) 濟(jì) 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日指導(dǎo)人評定成績：湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計

4、（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價評閱人： （簽名）年 月 日評閱人評定成績：湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄日期： 2010年5月15日 學(xué)生：孫學(xué)號：班級：電子信息工程0602班題目：鋼板無損檢測用電渦流傳感器設(shè)計提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：1 設(shè)計（論文）說明書共頁2 設(shè)計（論文）圖 紙共頁3 指導(dǎo)人、評閱人評語共頁畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評價答辯委員會主任： （簽名）委員：

5、 （簽名）（簽名）（簽名）（簽名）答辯成績：總評成績：摘 要分析渦流無損檢測技術(shù)的工作原理，設(shè)計渦流無損檢測傳感器。根據(jù)其用途和檢測對象的不同，渦流傳感器的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所不同。不同的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的試件以達(dá)到不同的檢測效果。利用渦流檢測阻抗分析方法來分析試件的磁導(dǎo)率、厚度、電導(dǎo)率和激勵信號的頻率對阻抗的影響。根據(jù)渦流效應(yīng)引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關(guān)系,從而鑒別各種影響因素效應(yīng)。在對試件進(jìn)行檢測時采用相應(yīng)的措施盡可能的減小干擾信號，提取有用的信號。電橋電路有較高的靈敏度和抗干擾能力，本設(shè)計采用電橋電路作為渦流傳感的檢測電路。關(guān)鍵詞：無損檢測；渦流傳感器；阻抗分析法ABS

6、TRACTTo Analyseeddy current nondestructive testing technology works, design eddy current nondestructive testing sensor. According to their different uses and test objects, Eddy current sensors has different appearances and internal structures .The different appearance and internal structure adapt to

7、 different specimens in order to the effects of different detection. Using eddy current testing impedance analysis method analyze the specimen permeability, thickness, electrical conductivity and the excitation signal of frequency to the effect of impedance. According to eddy current effects caused

8、by changes in coil impedance and the close relationship between the phase change identify effects of various factors. Specimens tested in the corresponding measures used as much as possible reduce the interference signal, extracting a useful signal. Bridge circuit with high sensitivity and anti-jamm

9、ing capability, the design uses eddy current sensor bridge circuit as a detection circuit.Keyword:NDT;Eddy current sensor;Impedance analysis目 錄第一章前言1第二章渦流檢測的原理22.1渦流檢測原理22.2 導(dǎo)體中的電磁場22.3 鋼板中的電磁場32.4 鋼板電渦流檢測的特征參數(shù)42.5 鋼板電渦流檢測的特征頻率5第三章 渦流傳感器的阻抗分析法63.1 線圈的阻抗63.2影響阻抗變化的幾個主要參 6工件電導(dǎo)率對阻抗的影響7提離效應(yīng)對阻抗的影響7磁導(dǎo)率對阻抗

10、的影響7試驗(yàn)頻率對阻抗的影響7工件厚度對阻抗的影響8探頭直徑阻抗的影響8第四章鋼板渦流檢測的傳感器設(shè)計94.1 渦流傳感器的分類9按檢測線圈輸出信號的不同分類9按檢測線圈和工件的相對位置分類9按線圈繞制方式分類104.2鋼板檢測線圈信號檢出電路設(shè)計11差動電路12電橋電路12第五章結(jié)論155.1 可行性分析天155.2 檢測性能的評價18 靈敏度18 穿透能力18 檢測速度18 線性度195.3 傳感器設(shè)計總結(jié)19參考文獻(xiàn)20致 謝21第一章 前言渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無損檢測方法，適用于導(dǎo)電材料。當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場中，導(dǎo)體中就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種電流稱為渦流。由于導(dǎo)體自

11、各種因素如電導(dǎo)率磁導(dǎo)率形式尺寸和缺陷等的變化，會導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化，利用這種現(xiàn)象來判知導(dǎo)體性質(zhì)狀態(tài)及有無缺陷的檢測方法，叫做渦流檢測方法。渦流檢測信號來自檢測線圈的阻抗或次級線圈感應(yīng)電壓的變化。由于影響阻抗和電壓的因素很多，各因素的影響程度也不同，因此，渦流檢測設(shè)備必須采取一些措施，以達(dá)到消除干擾信號的目的。渦流檢測是以材料電磁性能變化為判斷依據(jù)來對材料及構(gòu)件實(shí)施缺陷探測和性能測試的一類檢測方法通稱為電磁法，其基本原理是以電磁學(xué)的理論為基礎(chǔ)的。本文介紹用渦流無損檢測的方法檢測鋼板的傳感器的設(shè)計。本文的主要內(nèi)容是渦流無損檢測方法檢測鋼板構(gòu)件的傳感器為目的。先介紹渦流檢測中涉及的電磁基本理論，對麥

12、克斯韋方程組求解的有關(guān)問題作某些說明，并通過典型的物理模型來介紹求解電磁滲透方程的常用方法。以便為進(jìn)一步討論渦流檢測的基本原理作理論準(zhǔn)備。接下來分析半無限平面導(dǎo)體中的電磁場，可把鋼板看成半無限平面導(dǎo)體來簡化鋼板中電磁場的分析。分析出磁場在鋼板的分部情況，以及磁場強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)。磁場在金屬中有一種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)，即磁場強(qiáng)度隨著深度的增加而很快地衰減，總是集中于導(dǎo)體表面。趨膚效應(yīng)決定了渦流無損檢測鋼板的厚度的最大值。分析了上面的理論后再介紹渦流檢測阻抗分析方法，阻抗分析法是以分析渦流效應(yīng)引起線圈阻抗的變化之間的密切關(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，從電磁波傳播的角度來看，這種

13、方法實(shí)質(zhì)上是根據(jù)信號有不同相位延遲的原理來區(qū)別工件中的不連續(xù)性。到目前為止，阻抗分析法仍然是渦流檢測中應(yīng)用最廣泛的一種方法。引起檢測線圈阻抗變化的直接原因是線圈中磁場的變化，所以，在對檢測線圈阻抗進(jìn)行分析時，首先要分析和計算工件放入檢測線圈后磁場的變化情況，然后得到檢測線圈阻抗的變化，才能對工件的各種因素進(jìn)行分析。福斯特提出了有關(guān)有效磁導(dǎo)率的概念，有效磁導(dǎo)率可以使阻抗分析的問題大大簡化。像鋼板這樣的結(jié)構(gòu)一般用放置式線圈做傳感器。分析影響阻抗變化的幾個主要參數(shù)如工件的電導(dǎo)率、提離效應(yīng)、磁導(dǎo)率、試驗(yàn)頻率、工件厚度。根據(jù)上面的知識設(shè)計渦流傳感器，在渦流檢測中，工件的情況是通過渦傳感器的變化反映出來的

14、。只要對磁場變化敏感的元件，如線圈、霍耳元件等都可被用來作為渦流檢測的傳感器，但目前用得最多的是檢測線圈。渦流傳感器種類繁多，不同種類的傳感器對應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的被檢工件。設(shè)計一種能夠檢測鋼板的線圈傳感器，要求有抑制各種不需要信號的能力，如探傷時要抑制直徑、壁厚變化引起的信號等等。本文是以渦流無損檢測的理論為基礎(chǔ)，設(shè)計渦流無損檢測在鋼板檢測中的傳感器為目的。本文在編定過程中參考了國內(nèi)和翻譯資料及有關(guān)文獻(xiàn)，在此向有關(guān)文獻(xiàn)的著作表示衷心的謝意。第二章 渦流檢測原理2.1 渦流檢測原理渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無損檢測方法，適用于導(dǎo)電材料。當(dāng)導(dǎo)體置于交變的磁場中時，導(dǎo)體就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這

15、種感應(yīng)電流稱為渦流。試件上產(chǎn)生渦流的大小由試件的電導(dǎo)率、頻率和電磁場的振幅所決定。渦流自身也產(chǎn)生電磁場；在非磁性材料中，感應(yīng)電磁場僅與渦流有關(guān)；而對于永磁性材料，感應(yīng)電磁場將產(chǎn)生附加的交流磁化作用，其振幅足以超過渦流場所引起的振幅，這些電磁現(xiàn)象與被測材料的磁導(dǎo)率有緊密聯(lián)系。渦流檢測時把導(dǎo)體接近通有交流電的線圈，由線圈建立的交變磁場與導(dǎo)體發(fā)生磁感應(yīng)，在導(dǎo)體內(nèi)感生出渦流。此時，導(dǎo)體中的渦流也會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場，并影響原磁場，進(jìn)而導(dǎo)致線圈電壓和阻抗的改變。當(dāng)導(dǎo)體表面或近表面出現(xiàn)缺陷時，會影響渦流的強(qiáng)度和分布，并引起線圈電壓和阻抗的變化。因此，通過儀器檢測出線圈中電壓或阻抗的變化，即可間接地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體

16、內(nèi)缺陷的存在。由于被測工件形狀不同、受檢部位的不同，所以檢測線圈的形狀與接近試件的方式也不盡相同。為了適應(yīng)各種檢測需要，人們設(shè)計了各種各樣的檢測線圈。其中檢測線圈用來建立交變磁場，把能量傳遞給被檢導(dǎo)體；同時，又通過渦流所建立的交變磁場來獲得被檢測導(dǎo)體中的質(zhì)量信息。檢測線圈的形狀、尺寸、和技術(shù)參數(shù)對于最終的檢測結(jié)果至關(guān)重要。因?yàn)橐獧z測鋼板，一般情況用探頭式線圈，但探頭式線圈也有很多類型。2.2 導(dǎo)體中的電磁場在電磁檢測中處理的對象基本是金屬導(dǎo)體，而金屬中電荷的弛豫時間極短，因此，自由電荷的體密度可假定為零。在這種情況下可以寫出波動方程， （2.1）上式表明電磁波是以波的形式在運(yùn)動。若考慮到金屬導(dǎo)

17、體中的位移電流很小，對于一般金屬約為，當(dāng)取，與約為數(shù)量級，故與相比可以忽略不計，式（2.1）可以簡化為 （2.2）同理，還可以推得（2.3） （2.4）從式（2.2）至式（2.4）稱為電磁滲透方程，用于研究導(dǎo)體內(nèi)的電磁滲透現(xiàn)象，也是對電磁檢測問題進(jìn)行理論分析的基本方程。式中，、分別是磁場強(qiáng)度、電場強(qiáng)度和電流密度的復(fù)矢量。在求電磁滲透方程時，事實(shí)上只能對一些具有規(guī)則邊界的模型，諸如半無限平面導(dǎo)體，無限長圓柱導(dǎo)體，無限長的管狀導(dǎo)體及導(dǎo)電球體等做出數(shù)學(xué)的解析解。至于在實(shí)際上遇到的具有不規(guī)則邊界問題的模型，往往難于，甚至沒有可能列出或者求解該特定情況的定解問題。但是我們可以用近似等效的方法，只要它們滿

18、足一定的條件（如傳感器的尺寸遠(yuǎn)小于鋼板的面積），無論如何，求解電磁檢測中的一些特定物理模型的帶有定解條件的麥克斯韋方程組，總是具有基本的理論價值，同時為設(shè)計檢測傳感器有指導(dǎo)意義。2.3鋼板中的電磁場為了分析簡單，我們認(rèn)為鋼板相對于傳感器是無限大的平面導(dǎo)體。現(xiàn)在分析鋼板中的電磁場分布情況?，F(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體充滿經(jīng)>0的半無限空間，平面過原點(diǎn)。設(shè)有一層狀激勵電流在一個同軸垂直，且在距原點(diǎn)某一距離處與負(fù)軸相交的平面內(nèi)沿方向流動。電流在導(dǎo)體半空間的前面和導(dǎo)體內(nèi)部都激勵出一個軸向的磁場，這樣，電磁滲透方程（2.2）就可成為一個只含分量的標(biāo)量方程 （2.5）這個二階常微分方程的通解為 （2.6）式中,常數(shù)和

19、由邊界條件來確定。對于沿軸向無限延伸的半無限導(dǎo)體，應(yīng)為零，否則磁場將趨于無限在，這是無意義的，于是得 （2.7）若令=0處的值為，可以得到系數(shù)。因此，磁場為（2.8）令，可見磁場由實(shí)部和虛部兩部分組成。實(shí)部表明磁場的幅度隨著電磁場進(jìn)入導(dǎo)體深度的增加而作指數(shù)衰減，其衰減率由決定，故稱為衰減因子；磁場的相位隨著這個深度的增加而滯后，而為相位因子，決定了相位變化的快慢；K則稱為電磁場在導(dǎo)體中的傳播系數(shù)?？捎纱艌鰪?qiáng)度求出電流密度 （2.9）設(shè)在=0處電流密度為，其值為?？砂咽剑?.9）寫成如下 （2.10）在式（2.9）和式（2.8）中令,而且使，可求得的值為 （2.11）這時有、，表明在半無限平面導(dǎo)

20、體內(nèi)處，磁場強(qiáng)度和電流密度的幅值均降至表面上對應(yīng)值的1/e倍，即36.7%。稱為平面電磁場的滲透深度。已知被檢測構(gòu)件的料質(zhì)、鋼板的厚度，根據(jù)就能確定激勵信號的頻率。2.4鋼板電渦流無檢測的特征參數(shù)將頻率、探頭直徑和工件參數(shù)結(jié)合在一起以構(gòu)成一個特征參數(shù)，即 （2.12）式中：電導(dǎo)率；相對磁導(dǎo)率；線圈的平均半徑；角頻率。變量描述了四個檢測參數(shù)對阻抗的影響。特征參數(shù)的用途在于它提供了一個模擬參數(shù)。檢測對象改變時，如果（2.13）只要具有同樣的特征參數(shù)，在歸一化阻抗圖上就有相同的工作點(diǎn)。一般選擇探頭直徑和工作頻率，使的，當(dāng)我們知道被檢構(gòu)件就可以通過選擇頻率與探頭的大小使效果最佳。當(dāng)想對磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率已

21、知的情況下，頻率與探頭尺寸可根據(jù)式（2.14）選擇 （2.14）2.5鋼板電渦流無檢測的特征頻率特征頻率是工件的固有特性，取決于工件的電磁特性和幾何尺寸。有效磁導(dǎo)率不是常數(shù)，而是與激勵頻率及導(dǎo)體的半徑、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)的變量，用表示。 （2.15）式中：是電導(dǎo)率，是磁導(dǎo)率，是半徑。在分析檢測線圈時阻抗時，常以作參數(shù)。第三章 渦流傳感器的阻抗分析法檢測信號來自檢測線圈的阻抗或次級線圈感應(yīng)電壓的變化。由于影響阻抗和電壓的因素很多，各因素的影響程度也不同，因此，從信號中提取信息并排除干擾信號，渦流檢測設(shè)備必須具備對干擾信號有抑制功能，以達(dá)到消除干擾信號的目的。陰抗分析法在渦流檢測中被廣泛應(yīng)。阻抗分

22、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。3.1線圈的阻抗簡單線圈是由金屬導(dǎo)線繞成的單個線圈，線圈具有電感，同時導(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 （3.1）圖3.1的電路中含有兩個相互耦合的線圈，若在原邊線圈通以交流電，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；反過來，感應(yīng)電流又會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互感折合到原邊線圈電路的折合阻抗來體現(xiàn)。圖3.1 互感電路此時線圈I的阻

23、抗發(fā)生變化，其變化量用折合阻抗（）來表示，且有， （3.2）式中，為的等效電阻加上,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（），且有（3.3）（3.4）式中，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原邊線圈的效應(yīng)，從而推知副邊電路中阻抗的變化。3.2影響阻抗變化的幾個主要參數(shù)渦流檢測在實(shí)際應(yīng)用時，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率、缺陷類型以工件厚度的變化都會引起阻抗的變化，其變化方向各不相同。因此，可采用相位分離法將需要檢測的因素與干擾因素分離開來。工件電導(dǎo)率對阻抗

24、的影響將檢測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)對阻抗的影響應(yīng)用點(diǎn)式線圈檢測時，線圈與工件之間的距離變化，會引起檢測線圈阻抗變化，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)體表面的距離改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離的變化而變化。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 （3.5）式中：線圈激勵電流；金屬導(dǎo)體中等效電流；線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；線圈外徑。電渦流強(qiáng)度與距離呈非線性關(guān)系，且隨著的增加而迅速減小。

25、同時對阻抗也有影響。小的提離會產(chǎn)生大的阻抗變化，這是由于改變提離時，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。渦流檢測中提離效應(yīng)影響很大，必須適當(dāng)?shù)挠枰砸种?。磁?dǎo)率對阻抗的影響非鐵磁性材料相對磁導(dǎo)率為常數(shù)，不影響阻抗。但是鐵磁性材料的相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，對阻抗的影響顯著，高磁導(dǎo)率材料的檢測時，磁導(dǎo)率不是常數(shù)，微小的磁導(dǎo)率的變化都會引起很大的噪聲，即使檢測裂紋也很困難，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。一般阻抗都是以為參數(shù)描繪，其中為試驗(yàn)頻

26、率；為特征頻率，取決于工件尺寸和電磁性。一般取值范圍為10<<40。如果選得過小，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；但也不宜選擇過高。頻率增加，由于趨膚效應(yīng)，渦流局限在表面薄層中流動。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，即溫度的變化會對檢測帶來影響。所以希望工作頻率選擇在20200KHz的范圍內(nèi)。工件厚度對阻抗的影響當(dāng)工件變薄時，線圈電阻分量增加，電抗分量也增加，阻抗值將會變大。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

27、向于線圈在空氣中和阻抗，即。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)體間距離的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向函數(shù)。當(dāng)定時，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。要想選擇最佳檢測工作點(diǎn)，對于一定的材料，可以通過改變頻率使工作點(diǎn)移動；如果頻率不宜改變，便可借助直徑的改變來實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)的移動。第四章 鋼板渦流檢測的傳感器設(shè)計渦流傳感器又稱渦流檢測線圈（探頭）。在渦流檢測中，工件的情況是通過渦流傳感器的變化反映出來的。只要對磁場變化敏感謝的無元件，如線圈、霍耳元件、磁敏二極管等都可被用來作為渦流檢測的傳感器

28、，但目前用得最多的是檢測線圈。根據(jù)渦流檢測原理，傳感器首先需要一個激線圈，以便交變電流通過并在周圍及受檢工件內(nèi)激勵形成電磁場；同時，為了把在電磁場作用下反映工件各種特征的信號檢測出來，還需要一個檢測線圈。渦流傳感器的激勵線圈和檢測線圈可以是功能不同的兩個線圈，也可以是同一線圈具有激勵和檢測兩種功能。因此在不需要區(qū)分線圈的功能時，通常把激勵線圈和檢測線圈統(tǒng)稱為檢測線圈，或稱為渦流傳感器。一般地說，渦流傳感器具有列基本結(jié)構(gòu)和功能?；窘Y(jié)構(gòu)：渦流傳感器根據(jù)其用途和檢測對象的不同，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)總是由激勵繞組、檢測繞組及其支架和外殼組成，有些還有磁

29、芯、磁飽和器等。功能：渦流傳感器的功能有三種：其一，激勵形成渦流的功能，即能在被檢工件中建立一個交變電磁場，使工件產(chǎn)生渦流的功能；其二，檢取所需信號的功能，即檢測獲取工件質(zhì)量情況的信號并把信號送給儀器分析評價；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的能力，如探傷時要抑制直徑、壁厚變化引起的信號，而測量壁厚時，要求抑制傷痕引起的信號等。4.1渦流傳感器的分類要設(shè)計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，常見的分類方法有以下幾種：按檢測線圈輸出信號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是線圈阻抗的變化，一般它既

30、是產(chǎn)生激勵磁場的線圈，又是拾取工件渦流信號的線圈，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，一般由兩組線圈構(gòu)成，一個專用于產(chǎn)生交變磁場的激勵線圈，另一個用于拾取渦流信號的線圈，雙叫互感式線圈。這兩種型式的檢測線圈都可用在檢測鋼板上，各有各的優(yōu)點(diǎn)，看具體情況而選擇適合的型式。按檢測線圈和工件的相對位置分類按檢測線圈和工件的相對位置分類可分為外穿過式線圈、內(nèi)穿式線圈和放置式線圈三類。（1） 外穿過式線圈外穿過式線圈，是將工件插入并通過線圈內(nèi)部進(jìn)行檢測。它能檢測管材、棒材、線材等，可以從線圈內(nèi)部通過的導(dǎo)電試件。由于采用穿過式線圈，容易實(shí)現(xiàn)渦流探傷的批量、高速檢驗(yàn)，且易實(shí)現(xiàn)自動化

31、檢測，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。（2） 內(nèi)通過式線圈內(nèi)通過式線圈，在對管件進(jìn)行檢驗(yàn)中，有時必須把探頭放入管子的內(nèi)部，這種插入試件內(nèi)部進(jìn)行檢測的探索頭稱為內(nèi)通過式探頭，也叫內(nèi)穿式線圈，它適用于冷凝器管道的在役檢測。（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，把線圈放置于被檢測工件表面進(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，還能對形狀復(fù)雜的工件某一區(qū)域作局部檢測。按線圈繞制方式分類按線圈繞制方式分類可分為絕對式、標(biāo)準(zhǔn)比較式和自比較式三種。只有一個檢測線圈工

32、作的方式稱絕對式，使用兩個線圈進(jìn)行反接的方式稱差動式。差動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） 絕對式，直接測量線圈阻抗的變化，在檢測時可用標(biāo)準(zhǔn)試件放入線圈，調(diào)整儀器，使信號輸出為零，再將被試工件放入線圈，若仍無輸出，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)的分選和測厚，又可進(jìn)探傷。（2） 標(biāo)準(zhǔn)比較式，是典型的差動式渦流檢測，采用兩個檢測線圈反向連接成為差動形式。其中一個線圈放置標(biāo)準(zhǔn)件（與被測試件具有相同材質(zhì)、形式、尺寸且質(zhì)量完好），而另一個線圈中放置被檢試件。由于這兩個線圈接

33、成差動形式，當(dāng)被檢試件質(zhì)量不同于標(biāo)準(zhǔn)試件（如存在裂紋）時，檢測線圈就有信號輸出，因而實(shí)現(xiàn)對試件的檢測目的。（3） 自比較式，是標(biāo)準(zhǔn)比較式的特例。采用同一檢測試件的不同部分作為比較標(biāo)準(zhǔn)，稱為自比較式。兩個相鄰安置的線圈，同時對同一試件相鄰部位進(jìn)行檢測時，該檢測部位的物理性能及幾何參數(shù)變化通常是比較小的，對線圈阻抗影響也比較小，當(dāng)線圈經(jīng)過缺陷時將輸出相應(yīng)急劇變化的信號，且第一個線圈或第二個線圈分別經(jīng)過同一缺陷時所形成的渦流信號方向相反。渦流檢測線圈也可接成各種電橋形式?，F(xiàn)代通用的渦流檢測儀使用頻率可變的激勵電源和一交流電橋相連，測量因缺陷產(chǎn)生的微小阻抗變化電橋式儀器一般采用有兩個線圈的探頭。兩個線

34、圈設(shè)置在電橋相鄰橋臂上，如果探頭僅有一個檢測線圈和一個參考線圈，那它就是絕對式探頭，如果探頭的兩個線圈同時對所要探傷的材料進(jìn)行檢測，則屬差動探頭。絕對式探頭對影響渦流檢測的各種變化（如電阻率、磁導(dǎo)率以及被測材料的幾何形狀和缺陷等）均能作出反應(yīng)，而差動式探頭給出的是材料相鄰部分的比較信號。當(dāng)相鄰線圈下面的渦流分布發(fā)生變化時，差動式探頭能產(chǎn)生一個不平衡的缺陷信號。因此，表面檢測一般都采用絕對式探頭，而對管材和棒材的檢測，絕對式探頭和差動式探頭都可采用。表4.1概述絕對式探頭和差動式探頭的特點(diǎn)。表4.1絕對式探頭和差動式探頭比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)絕對式探頭對材料性能或形狀的突變或緩變均能作出反應(yīng)混合信號較易區(qū)

35、分出來顯示缺陷的整個長度溫度不穩(wěn)定時易發(fā)生漂移對探頭的顫動比差動式敏感差動式探頭不會因溫度不穩(wěn)定而引起漂移對探頭顫動的敏感度比絕對式低對平緩變化不敏感，即長而平緩的缺陷可能漏檢只能探出長缺陷的終點(diǎn)和始點(diǎn)可能產(chǎn)生難以解釋的信號4.2鋼板檢測線圈信號檢出電路設(shè)計在渦流檢測線圈的輸出信號中，反映待測信息的是線圈感應(yīng)電壓的變化量（即線圈阻抗的變化量）。在實(shí)際檢測中，由待測因素決定的檢測線圈感應(yīng)電壓的變化量與線圈的感應(yīng)電壓相比要小得多，為數(shù)量級。因此，在渦流檢測中，為了顯示待測因素的檢測結(jié)果，一般都需要把加以放大。如果同時把和一起加入放大器的輸入端，由于和相差很大。受放大器動態(tài)范圍的限制，放大器的輸出會

36、產(chǎn)生嚴(yán)重失真，從而得不到正確的檢測結(jié)果。為了解決這一問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)檢測線圈的輸出信號，即采用某種電路，在檢測線圈輸出信號時，讓固定分量在電路中自動平衡抵消，僅僅保留并輸出電壓變化量，這樣，就能滿足放大器動態(tài)范圍的要求，不失真地把放大到所需要的程度。差動電路檢測線圈輸出信號的檢出電路一般采用差動電路或電橋電路形式。差動電路一般用在渦流探傷儀中，采用的信號處理方式有電差式和磁差式兩種。如圖4.1和圖4.2所示。電差式由一個激勵線圈和兩個測量線圈組成，激勵線圈在工件中感生渦流。當(dāng)工件中沒有缺陷時，由于兩個線圈反向連接，感應(yīng)電壓互相抵消，沒有輸出。一旦工件中出現(xiàn)缺陷，測量線圈中的感應(yīng)電壓便發(fā)生變

37、化，有信號輸出。磁差式和電差式不同，它是由兩個激勵線圈和一個測量線圈組成。當(dāng)工件中沒有缺陷時，反向連接的激勵線圈在工件中感應(yīng)的磁場互相抵消，因而在測量線圈中不會有感應(yīng)電壓產(chǎn)生（或者說產(chǎn)生的感應(yīng)電壓正好平衡抵消）。如果工件有缺陷，激勵線圈在試件中產(chǎn)生的磁場就會發(fā)生畸變，從而在測量線圈中有感應(yīng)電壓產(chǎn)生。在使用時差動電路既可以采用它比較式，也可以采用自比較優(yōu)式，差動電路的靈敏度主要取決于檢測線圈性能的好壞，因此，對于用差動式工件的檢測線圈，一般都有比較高的性能指標(biāo)和工藝要求。圖4.1電差式檢測線圈圖4.2磁差式檢測線圈電橋電路電橋電路的渦流檢測儀常用的另一種信號檢出電路。圖4.3所示為普通電橋電路。

38、圖4.3所示電橋電路的一條對角線接電源，另一對角線接電壓表，當(dāng)電壓=時，、點(diǎn)的電位相等，間沒有電流流過，電橋處于平衡狀態(tài)，電壓表沒有讀數(shù)。當(dāng)時，電橋不平衡，、之間有電壓存在，電壓表有讀數(shù)。電橋的平衡條件為 （4.1）和 （4.2）式中：Z為阻抗的模，為阻抗的幅角。圖4.3電橋電路一般可通過四臂電橋來分析電橋檢出電路的靈敏度。如圖4.3所示，設(shè)電橋的四臂阻抗分別為、和，其中為檢測線圈的等效阻抗，電源內(nèi)阻為，電動勢為，在理想狀態(tài)下，電源內(nèi)阻，電源加在AB兩端的電壓為。間輸出電壓為 （4.3）若電橋平衡，則=0；這時，如果被檢工件的性能發(fā)生變化或有缺陷，將改變檢線圈的阻抗，即使變?yōu)?，那么輸出電壓?

39、（4.4）輸出電壓為 （4.5）考慮到，式（4.5）可近似為（4.6）設(shè)為線圈阻抗變化率，為橋臂比，為橋臂系數(shù)，則可以得 （4.7）電橋電路的靈敏度與線圈阻抗變化率、橋臂系數(shù)及激勵電源電壓有關(guān)。理論上，隨著激勵電源電壓升高，電橋電路的靈敏度會提高，但實(shí)際上采用的電源電壓要適中，因?yàn)榧铍娫措妷哼^高，不僅調(diào)整困難而且容易使線圈發(fā)熱產(chǎn)生許多干擾雜波，甚至?xí)咕€圈中的磁心形成磁飽和，反而降低線圈的靈敏度。線圈阻抗變化率的大小對電橋電路的靈敏度也有很大的影響，為了在檢測中增大檢測線圈阻抗的相對變化，就要求檢測線圈具有較高的靈敏度及抗干擾能力。分析橋臂系數(shù)對靈敏度的影響。設(shè) （4.8）則 （4.9）（4

40、.10）式中：的實(shí)部；的虛部；的幅值；的相位角；由上式可以看出，要提高橋路的靈敏度，可增加的值，而取決于和，可見=1和時，有最大值。而，即、。表明要提高橋路的靈敏度，需要采用對稱電橋。從理論上講，若輔助橋臂采用與檢測線圈阻抗發(fā)生電壓諧振的電容元件，可獲得最大值，橋路的靈敏度最高。但是，由于是包含試件反作用在內(nèi)的線圈等效阻抗，調(diào)整時，在某一狀態(tài)下諧振，而另一狀態(tài)可能會失諧，以致橋路的靈敏度發(fā)生較大的變化。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，為了在一定的檢測范圍內(nèi)獲取較高的靈敏度，一般并不選擇諧振，而讓電橋電路處于稍失諧的工作狀態(tài)。第五章 結(jié)論5.1可行性分析現(xiàn)以理論的知識來分析傳感器的可行性。把檢測線圈做成電橋

41、電路，用檢相的方法分析信號來判斷鋼板的質(zhì)量。總的方框圖如下。圖5.1 實(shí)驗(yàn)分析總方框圖設(shè)激勵信號是一正弦信號。激勵信號的波形如圖5.2所示。圖5.2激勵信號的波形圖L1與L2是傳感器線圈，如L1下的鋼板有質(zhì)量問題，根據(jù)論文中的分析則L1的阻抗會發(fā)生變化。正常情況下信號只移相,如果有質(zhì)量問題則信號移相。設(shè)兩個傳感器接近鋼板時，L1下的鋼板有質(zhì)量問題，則、，與波形如圖5.3所示。圖5.3U1與U2的波形圖圖5.4 放大后的信號A1與A2再把與這兩個信號通過放大器把信號加以放大。放大器輸出信號、，信號只是幅度變大了，頻率和相位都沒有變化。與的波形圖如圖5.4所示。把與兩路通過放大的信號相乘得到信號，

42、的波形圖如圖5.5所示。 (5.1)把上式化簡得(5.2)圖5.5與相乘后的信號式(5.2)的信號就是兩信號相乘的表達(dá)式，我們要想知道相位的變化量就只要保留上式的第二部分就可以了，我們要想只保留第二部分就要把2倍頻的信號濾掉,可以通過一個截止頻率為的低通濾波器就可以把濾除掉，就得到式（5.3）。(5.3)圖2.6 Uo的波形圖式(5.3)中只有一個變量，通過ADC可以算出相位的變化量。知道相位的變化量就可以知道鋼板的質(zhì)量情況。如果是一個常數(shù)就是一直流信號。如圖5.6所示就是為常數(shù)的波形。5.2檢測線圈性能的評價用于不同目的渦流檢測線圈有不同的評價標(biāo)準(zhǔn)，下面用鋼板無損檢測線圈的性能評價來加以說明，檢測線圈性能評價大致內(nèi)容為以下幾個指標(biāo)。靈敏度檢測線圈能檢出的缺陷越小，說明它靈敏度越高。我用的是電橋電路檢測鋼板，所以電橋的靈敏度就是檢測傳感器的靈敏度。設(shè)電橋的四臂阻抗分別為、和，其中為檢測線圈的等效阻抗，為線圈阻抗變化率，為橋臂比，為橋臂系數(shù)。電橋電路的靈敏度與線圈阻抗變化率、橋臂系數(shù)及激勵電源電壓有關(guān)。 （5.4）只要知道就可以知道檢測線圈的靈敏度。穿透能力穿透能力是指檢測線圈對試件內(nèi)部缺陷檢測的能力，能檢測的缺陷在試件內(nèi)部的位置越深，說明檢測線圈的穿透能力越大。在本文的第二章中論