【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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算公式如下 ： fg =25066dur? 式（ ） 式 （ ） 中 ur 是被檢件的相對磁導(dǎo)率，σ 是電導(dǎo)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(dāng) I2 =0時(shí)， 即次級回路開路 R2 =∞ ，相當(dāng)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(shí)，視在阻抗可化簡為 ： ZB =R1 +jω L1 (1k2 ) 式（ ） 應(yīng)用視在阻抗的概念，就可以認(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。要大得多，因此，作為良好的近 似，可認(rèn)為 Z0 =ω L0 耦合線圈的阻抗 渦流檢測技術(shù)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(shí) 部 R 圖 22 單個(gè)線圈等效電路 圖 23 阻抗向量 當(dāng)單一頻率的交流電流 (i=Im sinω t)流經(jīng)上述串連的純電阻和純電感時(shí)，在串聯(lián)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(yīng)引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關(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。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(xiàn)象就是趨膚效應(yīng)。 渦流通道的損耗電阻，以及渦流產(chǎn)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(shù)。這極大的推進(jìn)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(shí)，提高有效滲透深度， Clekrt 和 Metal于 1989 年設(shè)計(jì)了牛眼傳感器。 與其它的無損檢測技術(shù)一樣，渦流檢測也包括獲取信號 (傳感器 )、測量參數(shù)的選擇、信號處理和結(jié)果顯示。對正向問題的求解己有許多有效的計(jì)算方法，其代表性的方法有 ： 有限元法、時(shí)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(xiàn)場應(yīng)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(jié)果顯示時(shí)間長 (在半小時(shí)以上 )。但是，超聲檢測對操作者的要求較高，對于一個(gè)很大的檢測件來講，一次只能檢測很小的一部分。因而，在應(yīng)用這種方法時(shí)，應(yīng)先對表面進(jìn)行處理。隨著各種先進(jìn)的檢測方法不斷出現(xiàn)，無損檢測技術(shù)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(dǎo)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(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)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(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)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(yīng)繪制于無格子的頁面上 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） IV 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 3）其它 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） V 復(fù)雜斷面重軌在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 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(jié)合鐵道設(shè)施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)營環(huán)境，對這幾種方案進(jìn)行了對比，從而確定了采用便攜式渦流檢測儀 進(jìn)行探傷。在軟件設(shè)計(jì)方面 ： 采用模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，分析了每一個(gè)模塊的程序流程圖，并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。目前我國對于機(jī)車、重軌 (鐵軌 )及相應(yīng)設(shè)施的定期檢修已經(jīng)采取了大量的手段和措施，如重 軌超聲探傷車、轉(zhuǎn)轍機(jī) 遠(yuǎn)程油壓監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)施，己經(jīng)能滿足大部分需求。它 是 在不破壞被檢測對象物理化 學(xué)性能和幾何完整性的情況 下，通過分析對象內(nèi)部異常和缺陷 所引起的磁、電、光、聲、熱等反應(yīng)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(jià)，進(jìn)而有助于推測出剩余使用壽命、承載能力和安全系數(shù)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(diǎn)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(jìn)行檢測是防止機(jī)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(dǎo)電材料中缺陷或裂紋的形狀、大小和位置的問題，就其本質(zhì)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(jìn)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(xué)技術(shù)中心的 Clark 設(shè)計(jì)了直規(guī)傳感器。近幾年， TFollno 等人將有限元法和遺傳算法結(jié)合，對傳感器的幾何參數(shù)和測量參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過理論分析來進(jìn)行探頭的設(shè)計(jì)是很重要的研究課題。對于平板金屬，感應(yīng)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(shù)恒定不變，而 只改變其中的一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就成為 這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。它內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 與激勵(lì)電流的頻率、金屬材料的電導(dǎo)率有直接的關(guān)系，其表達(dá)式為 ： δ =???f1 式（ ） 由式（ ） 可 得 出，磁導(dǎo)率 u和電導(dǎo)率口越小，趨膚深度越大 ； 而激勵(lì)頻率越低趨膚深度越大 [2]。 線圈自身的阻抗 由金屬導(dǎo)線繞成的線圈，除了具有電感外，導(dǎo)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 bra 圖 25 被測導(dǎo)體中的渦流環(huán) 根據(jù)理論分析可得，導(dǎo)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(yīng)激勵(lì)線圈外徑 rb 處附近達(dá)到大值，然后隨著r 的繼續(xù)增大逐漸減小且趨于零，導(dǎo)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(lì)線圈的外半徑， r 為離線圈 中心軸的距離， Job 為被測導(dǎo)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(shí)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(yīng) 渦流傳感器有一個(gè)基于探頭設(shè)計(jì)本身的初始阻抗 (空線圈阻抗 )，這是任何渦流傳感器的一個(gè)固有持性 ， 有時(shí)稱為“無限提離阻抗”。所以傳感器的設(shè)計(jì)與制作是整個(gè)系統(tǒng) 開發(fā)過程最 重要的環(huán)節(jié)。通過理論分析來進(jìn)行探頭的設(shè)計(jì)是很重要的研究課題。這些方法可分類如下 ： 實(shí)驗(yàn)型或經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì) ； 解析型設(shè)計(jì) ； 數(shù)值型設(shè)計(jì)。這足以解釋為何在渦流 檢測的早期階段探頭設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴于實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(lì)線圈 (或線圈組 )和測量線圈 (或線圈組 )組成，此時(shí)，測量對象是傳送到拾取線圈的感應(yīng)電壓。按檢測時(shí)線圈和試 樣的相互位置關(guān)系，檢測線圈可分為三大類 ： 穿過式傳感器 ； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 內(nèi)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(nèi)部進(jìn)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(fù)雜的工件的某一區(qū)域進(jìn)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(lì)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(lì)線圈尺寸導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖 傳感器是由一個(gè) U 形的激勵(lì)線圈和一個(gè) I 型測量線圈組成 。穿過式線圈，易于實(shí)現(xiàn)渦流探傷的批量、高速、自動檢測。 這兩種方式?jīng)]有根本的區(qū)別，因?yàn)榫徒Y(jié)果而言它們是相同的。 例如， 將傳感器外表面上的多個(gè)小線圈 串聯(lián)連接，此時(shí)，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(fù)合絕對式 (或復(fù)合差分式 )傳感器 。 絕對式渦流傳感器由單個(gè)線圈或其等價(jià)形式構(gòu)成，分為兩段或更多段的繞組 。橢圓形線圈 或貼合輪廓的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 線圈也可以模型化。就探頭設(shè)計(jì)而言，數(shù)值方法較其它設(shè)計(jì)方法有某些優(yōu)越性。 它可以來自某個(gè)幸運(yùn)的巧合，或者它可以是由于缺乏任何更好的設(shè)計(jì)方法時(shí)的反應(yīng)。 探頭設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)方面 ： 采用什么樣的線圈結(jié)構(gòu)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(shù)研究是檢測技術(shù)的關(guān)鍵，近年來人們在傳感器的數(shù)字模型、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸 、 自動優(yōu)化、特征值的測定、有效屏蔽以及與計(jì)算機(jī)結(jié)合等方面進(jìn)行了大量的研究。 探頭在這兩點(diǎn)間移動時(shí) 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(yīng) 當(dāng)檢測線圈接近被測零件的邊界或端面時(shí)，渦流形狀會發(fā) 生改變，這是因?yàn)闇u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(dǎo)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(guān)，它是工件的一個(gè)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(shí)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(dá)到的靈敏 度 或分辨率以及不同的檢測目的等所決定。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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