【文章內(nèi)容簡介】 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。，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)行檢測時(shí)，可以用渦流環(huán)的尺寸表示工件的尺寸。當(dāng)被測導(dǎo)體簡化成渦流環(huán)后，采用放置式探頭線圈檢測時(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工件時(shí)的特征頻率為：f==≈ 式（）通過此特征頻率我們可以求出最佳的檢測頻率范圍。由文獻(xiàn)可知，采用修正過后的工件特征頻率來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。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“無限提離阻抗”。當(dāng)探頭靠近受檢對象時(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，它對渦流檢測有非常重要的意義。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)場的變化量較大)。在許多情況下，特別是對磁場迅速衰減的小直徑探頭，在極小的可測范圍內(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)相對較小，提離在許多情況下會造成麻煩，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之類方法加以減小，同時(shí)，某些重要的渦流檢測依賴于提離效應(yīng)，導(dǎo)電表面上非導(dǎo)電性包覆層厚度的測量和表面平整度的檢測就是這樣的兩種檢測。第三章 探頭的設(shè)計(jì)與制作傳感器是直接感受被測量的部分，其性能對后續(xù)測量電路的設(shè)計(jì)以及整個(gè)測試系統(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)開發(fā)過程最重要的環(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(dòng)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。通過研究傳感器的磁場特征從而對傳感器結(jié)構(gòu)以及測量參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，這也是渦流檢測的一個(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，對傳感器的幾何參數(shù)和測量參數(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。渦流檢測探頭是檢測設(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。通過理論分析來進(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簡單的原理，由一個(gè)或多個(gè)線圈按給定結(jié)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)者能通過改變線圈形狀、橫截面、尺寸、結(jié)構(gòu)和電源等參數(shù)來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，并符合渦流檢測的歷史發(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、限定的過程，而是一組方法及其相互作用。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)。任何情況下，這一方法通常包括建立某個(gè)特定設(shè)計(jì)和在收集到的測量結(jié)果的基礎(chǔ)上修正、反復(fù)試驗(yàn)和不斷摸索的過程。然而對渦流檢測技術(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[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)。并且對求解來說不需任何假設(shè)。此外，探頭響應(yīng)是對所進(jìn)行的檢測的完整模擬，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，可以針對特定不連續(xù)性對探頭進(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，然后通過實(shí)驗(yàn)評價(jià)其性能；如有必要，重復(fù)這一過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：絕對式渦流傳感器；差分式渦流傳感器；絕對式和差分式組合渦流傳感器。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。對這類傳感器，人們直接測量其線圈的阻抗或感應(yīng)電壓(多數(shù)注意其絕對數(shù)值而非阻抗或感應(yīng)電壓的變化值)?？傮w上說，絕對式渦流傳感器最簡單有效，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)，所測得的阻抗或感應(yīng)電壓凈值相互抵銷。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。它們對材料中不連續(xù)性的靈敏度高于絕對式傳感器，而對提離變化和探頭抖動(dòng)的靈敏度降低了，因?yàn)檫@些因素對兩個(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。每一個(gè)(或每一對)線圈分別進(jìn)行監(jiān)控，傳感器對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)測對象，即激勵(lì)線圈和測量線圈為同一線圈，也稱自感式測量，由線圈阻抗的變化反映工件上被測參數(shù)的變化。因?yàn)榫€圈電壓(對于恒定電流源)或線圈電流(對恒定電壓源)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。即由測量線圈中感生電壓的變化來反映工件上被測參數(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式或差分式渦流傳感器。激勵(lì)線圈和測量線圈兩者分立時(shí)為互感式測量，由測量線圈中感生電壓的變化來反映工件上被測參數(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要求。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)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。可用于檢測管材、棒材、線材等可以從線圈內(nèi)部通過的導(dǎo)電試件。穿過式線圈，易于實(shí)現(xiàn)渦流探傷的批量、高速、自動(dòng)檢測。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。內(nèi)通式傳感器由環(huán)形線圈組成，用于檢測管子或圓孔的內(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，還能對形狀復(fù)雜的工件的某一區(qū)域進(jìn)行局部檢測。本課題采用表面放置，絕對，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型測量線圈組成。兩線圈的相對位置為正交取向，測量線圈靠近U型激勵(lì)線圈的開口中點(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作用下會產(chǎn)生一定分布和大小的渦流；當(dāng)有裂紋時(shí)，渦流分布和大小會發(fā)生相應(yīng)的改變，檢測線圈感應(yīng)渦流反磁場的變化，由硬件電路轉(zhuǎn)化為電信號，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)，提高測試的精度，并且能反映裂紋的相對深度和裂紋的開口方向。、性能研究激勵(lì)線圈相對于測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)生磁場的磁力線相對于感應(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，這樣必然會嚴(yán)重影響對缺陷引起電流微弱擾動(dòng)而導(dǎo)致磁通變化的檢測；如果激勵(lì)線圈相對于感應(yīng)線圈的尺寸足夠大，那么感應(yīng)電流相對于小尺寸的感應(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。無缺陷時(shí)，穿過感應(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]。測量線圈尺寸測量線圈尺寸要小。因?yàn)橹挥袦y量線圈尺寸越小，測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。但測量線圈尺寸太小，又會加大傳感器的制作難度，因而只要測量線圈尺寸小到能足夠提取缺陷信息即可?？s小測量線圈尺寸只有通過用較小直徑的測量線圈磁芯和較細(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一線圈長度K一考慮到線圈長度為有限時(shí)，磁場分布不均勻，需要加以修正的系數(shù)對于多層線圈：K= 式（）式（）中t線圈厚度。如圖32所示，當(dāng)激勵(lì)線圈與測量線圈完全正交(激勵(lì)線圈磁芯軸線與檢測線圈法線平行)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)線圈和渦流場的作用下，測量線圈附近磁力線均平行于測量線圈表面，通過測量線圈磁通為零，由電磁感應(yīng)定律知，測量線圈中感應(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，使測量線圈中有磁力線通過，從而在測量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，我們通過對感應(yīng)電壓的監(jiān)測即可拾取試件缺陷信號。由于探頭在空載或是置于工件表面無缺陷處時(shí)，測量線圈輸出均為零，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，測量線圈輸出信號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)可以通過加工制作時(shí)來保證。 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缺陷處時(shí)，測量線圈有一定的電壓輸出，我們可以通過探頭在缺陷處和無缺陷處測量線圈輸出電壓信號之差來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缺陷處時(shí)測量線圈輸出電壓信號是不同的，也就是產(chǎn)生了提離效應(yīng)。提離效應(yīng)會對我們的檢測帶來不利的影響，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)線圈與測量線圈的間距H也是該傳感器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要