【正文】 寬度 a 為a=a1 +a2 = 中心半徑 ： r0 =rb + 2)( 12 aa ? = 由渦流的趨膚效應可知，渦流在沿著深度的方向上衰減的很快，一般來說，只要在距離表面 3 倍的渦流標準深度的地方，渦流密度只 有表面值的千分之五。一般檢測表面裂紋工作頻率 f=(10~50)fg ，穿過式線圈工件特征頻率計算公式如下 ： fg =25066dur? 式（ ） 式 （ ） 中 ur 是被檢件的相對磁導率，σ 是電導率， d 是工件的直徑。 對透入深度來說，頻率越低透入深度越大。 當 I2 =0時， 即次級回路開路 R2 =∞ ，相當于探測線圈未放置于金屬工件上，由 式（ ）可知： ZA =R1 +jω L1 式（ ） 若次級線圈 R2 =0， k2 =212LLM時，視在阻抗可化簡為 ： ZB =R1 +jω L1 (1k2 ) 式（ ） 應用視在阻抗的概念，就可以認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。要大得多，因此，作為良好的近 似，可認為 Z0 =ω L0 耦合線圈的阻抗 渦流檢測技術依賴于電磁能與被檢工件互相作用方式的分析。 L R Zθ虛部ω LX L實 部 R 圖 22 單個線圈等效電路 圖 23 阻抗向量 當單一頻率的交流電流 (i=Im sinω t)流經上述串連的純電阻和純電感時，在串聯元件兩端的總電壓由克希荷夫電壓定律可給出為 ： U0 =UR +UL =Im Rsinω t+ω LIm sin(ω x+ 2? ) 式（ ） 感抗電壓 UL =IXL ， 電阻電壓 UR =IR。 阻抗分析法是以分析渦流效應引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關系為基礎，從而鑒別各影響因素效應的一種分析方法。渦流總是密集于靠近線圈的工件表面，隨著離開表面深度的增加，渦流也逐漸減少，這種現象就是趨膚效應。 渦流通道的損耗電阻，以及渦流產生的反磁通，又反射到探頭線圈，改變了線圈的電流大小及相位，即改變了線圈的阻抗。 渦流 /超聲一體化檢測技術。這極大的推進了渦流無損檢測從定性分析到定量分析的演變。另外為了保持材料表面及近表面高檢測靈敏度的同時，提高有效滲透深度， Clekrt 和 Metal于 1989 年設計了牛眼傳感器。 與其它的無損檢測技術一樣，渦流檢測也包括獲取信號 (傳感器 )、測量參數的選擇、信號處理和結果顯示。對正向問題的求解己有許多有效的計算方法，其代表性的方法有 ： 有限元法、時域有限差分法、矩量法、邊界元法等。 （ 3） 與磁粉法相比，磁粉法現場應用非 常簡單，直接檢測表面缺陷，但如被檢工件表面有涂層或潮濕，檢測可靠性將大為降低，所以必須先去除涂層，擦干表面 。對工件表面要求清潔和光潔，結果顯示時間長 (在半小時以上 )。但是，超聲檢測對操作者的要求較高，對于一個很大的檢測件來講，一次只能檢測很小的一部分。因而，在應用這種方法時，應先對表面進行處理。隨著各種先進的檢測方法不斷出現，無損檢測技術也處于不斷的發(fā)展之中。重 軌的安裝固定部件等也是如此。 crack flaw。推導了放置式探頭線圈的特征頻率，為檢測頻率的選擇提供了參考。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應繪制于無格子的頁面上 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） IV 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔 1）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂 3）其它 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） V 復雜斷面重軌在線無損檢測系統(tǒng)設計 —— 渦流無損檢測部分 摘 要 論文首先分析了裂紋檢測的幾種方案，結合鐵道設施結構特點、運營環(huán)境，對這幾種方案進行了對比，從而確定了采用便攜式渦流檢測儀 進行探傷。在軟件設計方面 ： 采用模塊化軟件設計方法，分析了每一個模塊的程序流程圖，并進行了軟件設計。目前我國對于機車、重軌 (鐵軌 )及相應設施的定期檢修已經采取了大量的手段和措施，如重 軌超聲探傷車、轉轍機 遠程油壓監(jiān)控系統(tǒng)等設施，己經能滿足大部分需求。它 是 在不破壞被檢測對象物理化 學性能和幾何完整性的情況 下，通過分析對象內部異常和缺陷 所引起的磁、電、光、聲、熱等反應的變化，確定缺陷的存在，掌握缺陷的特征并對其危害程度加以評價，進而有助于推測出剩余使用壽命、承載能力和安全系數等。檢測靈敏度取決于磁化方法、磁化 電流、磁粉粒度等因素，通過目視磁粉在被測材料上分布情況來判定缺陷的形狀和大小。對于裂紋一類的缺陷，其靈敏性常常較低，必須兩面通入。其最大的缺點就是需要用耦合 劑。因此兩者均發(fā)生在零件的表面，缺陷特征屬表面裂紋，因此對部件的表面裂紋進行檢測是防止機件失效或破壞的有效措施。而在電磁檢測的理論研究中，確定導電材料中缺陷或裂紋的形狀、大小和位置的問題，就其本質上來說屬于電磁逆問題的求解。 遺傳算法 遺傳算法 是模擬自然界生物群優(yōu)勝劣汰的進化過程而提出的，算法中包括選擇、交叉和變異三部分。針對管材渦流檢測中常用探頭的 不足，美國西屋科學技術中心的 Clark 設計了直規(guī)傳感器。近幾年， TFollno 等人將有限元法和遺傳算法結合，對傳感器的幾何參數和測量參數進行了優(yōu)化。通過理論分析來進行探頭的設計是很重要的研究課題。對于平板金屬，感應電流的流向是以線圈同心的圓形，形似旋渦，稱為渦流。如果控制上式中的某些參數恒定不變，而 只改變其中的一個參數，這樣阻抗就成為 這個參數的單值函數。它內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 與激勵電流的頻率、金屬材料的電導率有直接的關系，其表達式為 ： δ =???f1 式（ ） 由式（ ） 可 得 出，磁導率 u和電導率口越小，趨膚深度越大 ； 而激勵頻率越低趨膚深度越大 [2]。 線圈自身的阻抗 由金屬導線繞成的線圈，除了具有電感外，導線還有電阻，各匝線圈之間還會有電容。自感值為 L。如圖 24 所示 耦合 電路。 探頭工作頻率與特征頻率 工作頻率與靈敏度、滲透深度 渦流檢測所用的頻率范圍從 200Hz到 6MHz或更大。 探頭工作頻率的確定 [12] 渦流檢測的靈敏度在很大程度上取決于檢測頻率。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 bra 圖 25 被測導體中的渦流環(huán) 根據理論分析可得，導體表面渦流沿徑向分布規(guī)律為，在 r=0 處，渦流密 度為零，隨著 r 的 增大，渦流密度值也增大，在對應激勵線圈外徑 rb 處附近達到大值，然后隨著r 的繼續(xù)增大逐漸減小且趨于零，導體表面 r 處的渦流密度 Jor 可 表示為 ： Jor=? ?? ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????bbrrbrrebrrobJrr?.......114140......brr14e4brrobJ 式（ ） 式（ ）中 rb 為激勵線圈的外半徑， r 為離線圈 中心軸的距離， Job 為被測導體表面 r=rb 處的渦流密度。即 r=rb +a2 = +rb = d=2r= 所以可以得到放置式探頭線圈檢測工件時的特征頻率為 ： fg =25066dur?=2)76 88 ( 5066 br ru ?≈266079br ru? 式（ ） 通過 此特征頻率我們可以求出最佳的檢測頻率范圍。 提離效應 渦流傳感器有一個基于探頭設計本身的初始阻抗 (空線圈阻抗 )，這是任何渦流傳感器的一個固有持性 ， 有時稱為“無限提離阻抗”。所以傳感器的設計與制作是整個系統(tǒng) 開發(fā)過程最 重要的環(huán)節(jié)。通過理論分析來進行探頭的設計是很重要的研究課題。這些方法可分類如下 ： 實驗型或經驗型設計 ； 解析型設計 ； 數值型設計。這足以解釋為何在渦流 檢測的早期階段探頭設計嚴重依賴于實驗方法。非常規(guī)的探頭形狀可以模型化，而解析方法只能處理規(guī)定的線圈 形狀和橫截面 (如矩形檢截面的圓形線圈 )。 傳感器所采用的結構形式 渦流傳感器有很 多基本 類型，并且在基本類型上有更多的變化形式。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 組合傳感器的 輸出取決于線圈的精確配置和連接方式。 發(fā)射 — 接收方式由分離的激勵線圈 (或線圈組 )和測量線圈 (或線圈組 )組成，此時，測量對象是傳送到拾取線圈的感應電壓。按檢測時線圈和試 樣的相互位置關系，檢測線圈可分為三大類 ： 穿過式傳感器 ； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 內通過傳感器 ； 放置式傳感器 ； 穿過式傳感器是將工件插入并通過線圈內部進行檢測。它適用于各種板材、帶材、棒材的表面檢測，還能對形狀復雜的工件的某一區(qū)域進行局部檢測。 測量線圈尺寸 測量線圈尺寸要小。 圖 3 2 正 交 線 圈 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 由于探頭在空載或是置于工件。還有如前面所述，激勵線圈相對于測 量線圈的尺寸要足夠大，但不能因此而加大激勵線圈尺寸導致探頭整體尺寸的增加，探頭尺寸過大，又給一些不規(guī)則的狹窄區(qū)域的探測帶來不便，故只有縮小測量線圈尺寸。 輸 出1~2345 圖 31 傳感器結構示意圖 傳感器是由一個 U 形的激勵線圈和一個 I 型測量線圈組成 。穿過式線圈，易于實現渦流探傷的批量、高速、自動檢測。 這兩種方式沒有根本的區(qū)別，因為就結果而言它們是相同的。 例如， 將傳感器外表面上的多個小線圈 串聯連接，此時，傳感器就成為絕對式的 ；將各組線圈以差分方式連接，傳感器就可用于差分工作方式 下，也可以將此傳感器用作復合絕對式 (或復合差分式 )傳感器 。 絕對式渦流傳感器由單個線圈或其等價形式構成，分為兩段或更多段的繞組 。橢圓形線圈 或貼合輪廓的內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 線圈也可以模型化。就探頭設計而言，數值方法較其它設計方法有某些優(yōu)越性。 它可以來自某個幸運的巧合，或者它可以是由于缺乏任何更好的設計方法時的反應。 探頭設計主要包括如下幾個方面 ： 采用什么樣的線圈結構形狀、線圈電路的連接形式、線圈形狀尺寸、探頭的外形等制作。 傳感器 (檢測探頭 )技術研究是檢測技術的關鍵，近年來人們在傳感器的數字模型、結構、幾何尺寸 、 自動優(yōu)化、特征值的測定、有效屏蔽以及與計算機結合等方面進行了大量的研究。 探頭在這兩點間移動時 所描繪出的阻抗曲線即提離曲線，它對渦流檢測有非常重要的意義。 邊緣效應 當檢測線圈接近被測零件的邊界或端面時，渦流形狀會發(fā) 生改變，這是因為渦流不可流出零件邊界的緣故。 可知， 將上面兩積分方程式左邊相加就是導體中總的電渦流。檢測頻率的選取 與工件的特征頻率fg 密切相關，它是工件的一個固有特性，取決于工件的電磁 特性和幾何尺寸。在任何具體的渦流檢測中，實際所用的頻率由被檢工件的厚度、所希望的透入深度、要求達到的靈敏 度 或分辨率以及不同的檢測目的等所決定。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 折合阻抗和原邊線圈本身的阻抗之和稱為視在阻抗 ： R視 =R1 +R折 式（ ） X視 =X1 +X折 式（ ） 由以上各式合并可知初級線圈的視在阻抗為 ： Z=R1 +R22222222LR M???+j(ω L1 ω L22