【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(duì)應(yīng)激勵(lì)線圈外徑r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J可表示為：Jor= 式（）式（）中r為激勵(lì)線圈的外半徑，r為離線圈中心軸的距離，J為被測(cè)導(dǎo)體表面r=r處的渦流密度。令 式（） 式（）式()式（）中a，a是積分系數(shù)。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。利用以下積分公式 式（） 式（）解積分方程組得到a===a+a=中心半徑：r=r+=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(lái)說(shuō)，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。，渦流的的徑向密度己經(jīng)衰減到徑向最大值的千分之五。所以，J近似無(wú)限大的平面導(dǎo)體內(nèi)的渦流絕大部分集中在這個(gè)渦流環(huán)內(nèi)。采用放置式探頭線圈進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以用渦流環(huán)的尺寸表示工件的尺寸。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體簡(jiǎn)化成渦流環(huán)后，采用放置式探頭線圈檢測(cè)時(shí)，工件的半徑可以等效為渦流環(huán)的半徑。即r=r+a=+r=d=2r=所以可以得到放置式探頭線圈檢測(cè)工件時(shí)的特征頻率為：f==≈ 式（）通過(guò)此特征頻率我們可以求出最佳的檢測(cè)頻率范圍。由文獻(xiàn)可知，采用修正過(guò)后的工件特征頻率來(lái)選擇工作頻率效果比較好，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的合理性，經(jīng)理論推導(dǎo)，加上實(shí)踐，我們最終選定的工作頻率在10~15Hkz。當(dāng)檢測(cè)線圈接近被測(cè)零件的邊界或端面時(shí)，渦流形狀會(huì)發(fā)生改變，這是因?yàn)闇u流不可流出零件邊界的緣故。渦流形狀改變的結(jié)果是形成所謂“邊緣效應(yīng)”。因?yàn)檫吘壭?yīng)的數(shù)值非常之大，這就限制了在零件邊緣附近進(jìn)行的檢查。與提離不同，沒(méi)有什么辦法能消除邊緣效應(yīng)。減小線圈尺寸將減小一些邊緣效應(yīng)，但線圈尺寸的減小實(shí)際上存在一些限制。通常，認(rèn)為在靠近邊界6mm以內(nèi)作檢測(cè)是不適宜的。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(wú)限提離阻抗”。當(dāng)探頭靠近受檢對(duì)象時(shí)，在線圈接觸材料表面的那一時(shí)刻，阻抗的實(shí)部和虛部發(fā)生變化，這就是“零提離阻抗”。探頭在這兩點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)所描繪出的阻抗曲線即提離曲線，它對(duì)渦流檢測(cè)有非常重要的意義。由渦流傳感器的本質(zhì)可知，這一曲線是非線性的(靠近線圈時(shí)場(chǎng)的變化量較大)。在許多情況下，特別是對(duì)磁場(chǎng)迅速衰減的小直徑探頭，在極小的可測(cè)范圍內(nèi)有明顯的提離效應(yīng)。在其它情況下，如大直徑探頭和叉式探頭這一效應(yīng)相對(duì)較小，提離在許多情況下會(huì)造成麻煩，通常被認(rèn)為是需要減小的一種效應(yīng)。提離效應(yīng)可用貼近表面的探頭或多頻檢測(cè)之類方法加以減小，同時(shí)，某些重要的渦流檢測(cè)依賴于提離效應(yīng)，導(dǎo)電表面上非導(dǎo)電性包覆層厚度的測(cè)量和表面平整度的檢測(cè)就是這樣的兩種檢測(cè)。第三章 探頭的設(shè)計(jì)與制作傳感器是直接感受被測(cè)量的部分，其性能對(duì)后續(xù)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)以及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度和可靠性有著重要的影響。所以傳感器的設(shè)計(jì)與制作是整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程最重要的環(huán)節(jié)。傳感器制作時(shí)要保證其性能指標(biāo)，它的性能指標(biāo)一般包括線性度，靈敏度，遲滯，分辨率等。傳感器(檢測(cè)探頭)技術(shù)研究是檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，近年來(lái)人們?cè)趥鞲衅鞯臄?shù)字模型、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、自動(dòng)優(yōu)化、特征值的測(cè)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。通過(guò)研究傳感器的磁場(chǎng)特征從而對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)以及測(cè)量參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，這也是渦流檢測(cè)的一個(gè)重要研究方向。有限元法是研究這一個(gè)方向的基本手段，目前取得了很大的進(jìn)展。近幾年，F(xiàn)T01ofn等人將有限元法和遺傳算法結(jié)合，對(duì)傳感器的幾何參數(shù)和測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，該方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器與經(jīng)驗(yàn)法相比，靈敏度和線性度都有了明顯的提高。渦流檢測(cè)探頭是檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵器件，目前，有關(guān)探頭設(shè)計(jì)的理論研究尚不充分，探頭的制作多是憑經(jīng)驗(yàn)或依據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。通過(guò)理論分析來(lái)進(jìn)行探頭的設(shè)計(jì)是很重要的研究課題。有必要加緊研制適合各種應(yīng)用場(chǎng)合的高性能新式探頭。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。下面就其每一方面依次進(jìn)行闡述。渦流傳感器是基于相對(duì)簡(jiǎn)單的原理，由一個(gè)或多個(gè)線圈按給定結(jié)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)者能通過(guò)改變線圈形狀、橫截面、尺寸、結(jié)構(gòu)和電源等參數(shù)來(lái)制造一種特定的傳感器，以適于特定用途或應(yīng)用范圍。傳感器設(shè)計(jì)有三種基本方法。這種分類是為方便起見(jiàn)，并符合渦流檢測(cè)的歷史發(fā)展。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)。渦流探頭的實(shí)驗(yàn)型設(shè)計(jì)并不是一種明確的、限定的過(guò)程，而是一組方法及其相互作用。它可以來(lái)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)。任何情況下，這一方法通常包括建立某個(gè)特定設(shè)計(jì)和在收集到的測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上修正、反復(fù)試驗(yàn)和不斷摸索的過(guò)程。然而對(duì)渦流檢測(cè)技術(shù)和技能器的重要改進(jìn)仍需依賴于實(shí)驗(yàn)方法，大多數(shù)更為廣泛使用的探頭亦由此發(fā)展起來(lái)[1]。渦流傳感器的解析型設(shè)計(jì)是按給定尺寸或要求計(jì)算線圈阻抗，或給出制造一個(gè)適用的探頭所必需的阻抗、尺寸，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)，建立模型，并尋求這一模型情況的表達(dá)式。渦流探頭設(shè)計(jì)中現(xiàn)有公式的局限性是一個(gè)從事探頭設(shè)計(jì)的人們熟知的事實(shí)。同時(shí)渦流探頭可能相當(dāng)復(fù)雜，探頭中包括了各種不同材料。這足以解釋為何在渦流檢測(cè)的早期階段探頭設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴于實(shí)驗(yàn)方法。渦流傳感器的數(shù)值方法(有限元和有限微分法)從完全不同的角度解決了同一個(gè)基本問(wèn)題，這是麥克斯韋爾方程在有限空間中求解。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。探頭的響應(yīng)由材料間電磁場(chǎng)相互作用的真實(shí)物理描述進(jìn)行計(jì)算。因此一個(gè)完整的模型包括了缺陷、材料性能和線圈參數(shù)，極少做任何假設(shè)。并且對(duì)求解來(lái)說(shuō)不需任何假設(shè)。此外，探頭響應(yīng)是對(duì)所進(jìn)行的檢測(cè)的完整模擬，這是極為重要的。因?yàn)樗詷O為近似實(shí)際檢測(cè)的方式揭示探頭的性能并進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。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)。任意橫截面線圈的數(shù)值型設(shè)計(jì)并不比矩形核截面的設(shè)計(jì)復(fù)雜。橢圓形線圈或貼合輪廓的線圈也可以模型化。盡管最后可能需要更昂貴的三維模型，可以針對(duì)特定不連續(xù)性對(duì)探頭進(jìn)行優(yōu)化。這些方法間必然存在相互交叉。實(shí)際上，傳感器可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后用解析方法或數(shù)值方法計(jì)算其各種參數(shù)?；蚴歉鶕?jù)初始要求用解析表達(dá)式(精確的或大概的)設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其性能；如有必要，重復(fù)這一過(guò)程直到獲得一種可接受的設(shè)計(jì)。本課題在收集和借鑒現(xiàn)有一些裂紋渦流檢測(cè)探頭技術(shù)基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)型設(shè)計(jì)，反復(fù)試驗(yàn)修正和不斷摸索進(jìn)行探頭的設(shè)計(jì)和制作。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。根據(jù)它們的工作方式，可分為以下三類：絕對(duì)式渦流傳感器；差分式渦流傳感器；絕對(duì)式和差分式組合渦流傳感器。絕對(duì)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。對(duì)這類傳感器，人們直接測(cè)量其線圈的阻抗或感應(yīng)電壓(多數(shù)注意其絕對(duì)數(shù)值而非阻抗或感應(yīng)電壓的變化值)?？傮w上說(shuō)，絕對(duì)式渦流傳感器最簡(jiǎn)單有效，因此可能是最廣泛使用的。差分式渦流傳感器由一對(duì)反向連接的線圈組成，因此當(dāng)兩個(gè)線圈處于相同條件下時(shí)，所測(cè)得的阻抗或感應(yīng)電壓凈值相互抵銷(xiāo)。線圈僅能感應(yīng)出受檢材料的變化，因此差分式渦流傳感器被用于反應(yīng)受檢材料的變化情況，而抵消了同時(shí)作用于兩個(gè)線圈的噪聲和其它不需要的信號(hào)。它們對(duì)材料中不連續(xù)性的靈敏度高于絕對(duì)式傳感器，而對(duì)提離變化和探頭抖動(dòng)的靈敏度降低了，因?yàn)檫@些因素對(duì)兩個(gè)線圈的影響基本相等。組合傳感器的輸出取決于線圈的精確配置和連接方式。其工作方式可分為絕對(duì)式和差分式。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(duì)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(duì)式(或復(fù)合差分式)傳感器。每一個(gè)(或每一對(duì))線圈分別進(jìn)行監(jiān)控，傳感器對(duì)受檢材料的局部缺陷就有不同的響應(yīng)能力。第二種分類法是根據(jù)對(duì)探頭性能變化分為：阻抗方式；發(fā)射—接收方式。在阻抗方式中，激勵(lì)線圈是監(jiān)測(cè)對(duì)象，即激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈為同一線圈，也稱自感式測(cè)量，由線圈阻抗的變化反映工件上被測(cè)參數(shù)的變化。因?yàn)榫€圈電壓(對(duì)于恒定電流源)或線圈電流(對(duì)恒定電壓源)的變化取決于線圈阻抗的變化，可以用這種方式測(cè)量任何導(dǎo)致阻抗變化的材料參數(shù)。這些變化都涉及阻抗實(shí)部的變化(電導(dǎo)率、減簿等)或阻抗虛部的變化(磁導(dǎo)率的變化)，或兩者都有。發(fā)射—接收方式由分離的激勵(lì)線圈(或線圈組)和測(cè)量線圈(或線圈組)組成，此時(shí)，測(cè)量對(duì)象是傳送到拾取線圈的感應(yīng)電壓。即由測(cè)量線圈中感生電壓的變化來(lái)反映工件上被測(cè)參數(shù)的變化。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。在實(shí)際使用中，某一種方式可能比另一種更方便或更靈敏。兩種方式都可用于絕對(duì)式或差分式渦流傳感器。激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈兩者分立時(shí)為互感式測(cè)量，由測(cè)量線圈中感生電壓的變化來(lái)反映工件上被測(cè)參數(shù)的變化。探頭分類的第三個(gè)重要方法是基于使用方法。為了滿足不同工件形狀和大小的檢測(cè)要求。按檢測(cè)時(shí)線圈和試樣的相互位置關(guān)系，檢測(cè)線圈可分為三大類：穿過(guò)式傳感器；內(nèi)通過(guò)傳感器；放置式傳感器；穿過(guò)式傳感器是將工件插入并通過(guò)線圈內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)?？捎糜跈z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。穿過(guò)式線圈，易于實(shí)現(xiàn)渦流探傷的批量、高速、自動(dòng)檢測(cè)。因此，它廣泛地應(yīng)用于管材、棒材、線材試件的表面質(zhì)量檢測(cè)。內(nèi)通式傳感器由環(huán)形線圈組成，用于檢測(cè)管子或圓孔的內(nèi)部。放置式線圈，又稱點(diǎn)式線圈，是其中最廣泛使用的渦流探頭。在探傷時(shí)，把線圈放置在被檢查工件表面進(jìn)行檢驗(yàn)。由于線圈體積小、線圈內(nèi)部一般帶有磁芯，因而具有磁場(chǎng)聚焦的性質(zhì)，靈敏度高。它適用于各種板材、帶材、棒材的表面檢測(cè)，還能對(duì)形狀復(fù)雜的工件的某一區(qū)域進(jìn)行局部檢測(cè)。本課題采用表面放置，絕對(duì)，互感式渦流傳感器結(jié)構(gòu)。 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(cè)量線圈組成。兩線圈的相對(duì)位置為正交取向，測(cè)量線圈靠近U型激勵(lì)線圈的開(kāi)口中點(diǎn)處。在激勵(lì)線圈上通以一定頻率的正弦波，當(dāng)傳感器沿著試件表面移動(dòng)時(shí)，試件表面在交變磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生一定分布和大小的渦流；當(dāng)有裂紋時(shí)，渦流分布和大小會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，檢測(cè)線圈感應(yīng)渦流反磁場(chǎng)的變化，由硬件電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而由其變化反映缺陷的情況。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，采用此結(jié)構(gòu)能夠很好的降低提離效應(yīng)，提高測(cè)試的精度，并且能反映裂紋的相對(duì)深度和裂紋的開(kāi)口方向。、性能研究激勵(lì)線圈相對(duì)于測(cè)量線圈的尺寸要足夠大當(dāng)激勵(lì)線圈與感應(yīng)線圈大小可比時(shí)，則交變感應(yīng)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線相對(duì)于感應(yīng)線圈的方向是各不相同的，即感應(yīng)線圈內(nèi)有大量取向各異的磁力線穿過(guò)，這樣必然會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)缺陷引起電流微弱擾動(dòng)而導(dǎo)致磁通變化的檢測(cè)；如果激勵(lì)線圈相對(duì)于感應(yīng)線圈的尺寸足夠大，那么感應(yīng)電流相對(duì)于小尺寸的感應(yīng)線圈可近似視為沿單一方向直線流動(dòng)，感應(yīng)線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致。無(wú)缺陷時(shí)，穿過(guò)感應(yīng)線圈的磁通量最少；當(dāng)缺陷存在引起渦流擾動(dòng)而導(dǎo)致磁通變化時(shí)，即使是微弱的變化，感應(yīng)線圈也能很靈敏地測(cè)出，且感應(yīng)線圈的這種取向?qū)μ犭x變化的敏感度也減至最小[7]。測(cè)量線圈尺寸測(cè)量線圈尺寸要小。因?yàn)橹挥袦y(cè)量線圈尺寸越小，測(cè)量線圈才能夠更好的接近工件表面缺陷，從而能較好的提取工件表面上的裂紋缺陷信息。還有如前面所述，激勵(lì)線圈相對(duì)于測(cè)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(guò)大，又給一些不規(guī)則的狹窄區(qū)域的探測(cè)帶來(lái)不便，故只有縮小測(cè)量線圈尺寸。但測(cè)量線圈尺寸太小，又會(huì)加大傳感器的制作難度，因而只要測(cè)量線圈尺寸小到能足夠提取缺陷信息即可?？s小測(cè)量線圈尺寸只有通過(guò)用較小直徑的測(cè)量線圈磁芯和較細(xì)的漆包線。實(shí)際繞制線圈時(shí)，線圈匝數(shù)與線圈的電感量可由下式估算：L= 式（）式（）中L一線圈電感量r一線圈平均半徑n一線圈匝數(shù)L一線圈長(zhǎng)度K一考慮到線圈長(zhǎng)度為有限時(shí)，磁場(chǎng)分布不均勻，需要加以修正的系數(shù)對(duì)于多層線圈：K= 式（）式（）中t線圈厚度。如圖32所示，當(dāng)激勵(lì)線圈與測(cè)量線圈完全正交(激勵(lì)線圈磁芯軸線與檢測(cè)線圈法線平行)時(shí)，探頭工作于空載(置于空氣中不接近金屬工件)或置于完好工件表面時(shí)，在激勵(lì)線圈和渦流場(chǎng)的作用下，測(cè)量線圈附近磁力線均平行于測(cè)量線圈表面，通過(guò)測(cè)量線圈磁通為零，由電磁感應(yīng)定律知，測(cè)量線圈中感應(yīng)電壓為零；當(dāng)探頭置于工件表面裂紋處時(shí)，裂紋缺陷改變了渦流大小及分布，擾亂了渦流場(chǎng)，使測(cè)量線圈中有磁力線通過(guò)，從而在測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，我們通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓的監(jiān)測(cè)即可拾取試件缺陷信號(hào)。由于探頭在空載或是置于工件表面無(wú)缺陷處時(shí)，測(cè)量線圈輸出均為零，因此基本上不存在提離效應(yīng)。但這是一種理想情況，因?yàn)樘筋^在加工制作后兩線圈很難保證完全正交，激勵(lì)線圈磁芯軸線與檢測(cè)線圈法線總是有一定的偏角α，正偏或是反偏。如圖33所示。然而在正偏和反偏兩種情況下，測(cè)量線圈輸出信號(hào)在幅值和相位上均有所不同，為了保證探頭性能的一致性，必須保證偏角的一致，這個(gè)可以通過(guò)加工制作時(shí)來(lái)保證。 當(dāng)探頭兩線圈存在一定的偏角α后，探頭工作在空載或是置于工件表面無(wú)缺陷處時(shí)，測(cè)量線圈有一定的電壓輸出，我們可以通過(guò)探頭在缺陷處和無(wú)缺陷處測(cè)量線圈輸出電壓信號(hào)之差來(lái)反映工件表面缺陷的存在。然而此時(shí)探頭工作于空載和置于工件表面無(wú)缺陷處時(shí)測(cè)量線圈輸出電壓信號(hào)是不同的，也就是產(chǎn)生了提離效應(yīng)。提離效應(yīng)會(huì)對(duì)我們的檢測(cè)帶來(lái)不利的影響，應(yīng)盡量消除。由實(shí)驗(yàn)得知，提離效應(yīng)隨偏角α的增大而更加明顯，因此必須將偏角控制在較小的范圍內(nèi)。激勵(lì)線圈與測(cè)量線圈的間距H也是該傳感器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要