【導讀】導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝。為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热荨Ｋ麄€人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。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。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學校規(guī)定處理。符合國家技術標準規(guī)范。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。闡述了阻抗分析法，并用其分析了影響。檢測線圈阻抗變化的幾個因素。推導了放置式探頭線圈的特征頻率，為檢測頻率的選擇?；A上，通過實驗反復修正，得到一種高性能的傳感器。并通過大量實驗分析確定了各。最后采用正交試驗設計方。法選定了各參數(shù)的合理組合，完成了傳感器的總體設計。示報警等模塊的硬件設計。模塊的程序流程圖，并進行了軟件設計。

　　

【正文】 =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。由文獻可知，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，驗證了理論推導的合理性，經理論推導，加內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 上實踐，我們最終選定的工作頻率在 10~15Hkz。 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。渦流形狀改變的結果是 形成所謂“邊緣效應” 。因為邊緣效應的數(shù)值非常之大，這就限制了在零件邊緣附近進行的檢查。與提離不同，沒有什么辦法能消除邊緣效應。減小線圈尺寸將減小一些邊緣效應，但線圈尺寸的減小實際上存在一 些限制。通常，認為在靠近邊界 6mm以內作檢測是不適宜的。 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”。當探頭靠近受檢對象時，在線圈接觸材料表面的那一時刻，阻抗的實部和 虛部發(fā)生變化， 這就是“零提離阻抗”。 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。由 渦流傳感器的本質 可知 ，這一曲線是非線性的 (靠近線圈時場的變化量較大 )。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有 明顯的提離效應。在其它情況下，如大直徑探頭和叉式探頭這一效應相對較小，提離在許多情況下會造成麻煩，通常被認為是需要減小的一種效應。提離效應可用貼近表面的探頭或多 頻檢測之類方法加以減小，同時，某些重要的渦流檢測依賴于提離效應， 導電表面上非導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。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 第三章 探頭的設計與制作 傳感器是直接感受被測量的部分，其性能對后續(xù)測量電路的設計以及整個測試系統(tǒng)的精度和可靠性有著重要的影響。所以傳感器的設計與制作是整個系統(tǒng) 開發(fā)過程最 重要的環(huán)節(jié)。傳感器制作時要保證其性能指標， 它的性能指標一般包括 線性度，靈敏度，遲滯，分辨率等。 傳感器 (檢測探頭 )技術研究是檢測技術的關鍵，近年來人們在傳感器的數(shù)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。 通過研究傳感器的磁場特征從而對傳感器 結構以及測量參數(shù)實現(xiàn)優(yōu)化，這也是渦流檢測的一個重要 研究方向。有限元法是研究這一個方向的基本手段，目前取得了很大的進展。近幾年， FT01ofn 等人將有限元法和遺傳算法結合，對傳感器的幾何參數(shù)和測量參數(shù)進行了優(yōu)化。結果顯示，該方法優(yōu)化設計的傳感器與經驗法相比，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備的關鍵器件，目前，有關探頭設計的理論研究尚不充分，探頭的制作多是憑經驗或依據(jù)實驗進行。通過理論分析來進行探頭的設計是很重要的研究課題。有必要加緊研制適合各種應用場合的高性能新式探頭。 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。下面就其每一方面依次進行闡述。 渦流傳感器設計方法 渦流傳感器是基于相對簡單的原理，由一個或多個線圈按給定結構組成。設計者能通過改變線圈 形狀、橫截面、尺寸、結構 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用范圍。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 19 傳感器設計有三種基本方法。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 ： 實驗型或經驗型設計 ； 解析型設計 ； 數(shù)值型設計。 渦流探頭的實驗型設計并不是一種明確的、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。任何情況下，這一方法通常包括建立某個特定設計和在收集到的測量結果的基礎上修正、反復試驗和不斷摸索的過程。然而對渦流檢測技術和技能器的重要改進 仍需依賴于實驗方法，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計是按給定尺寸或要求計算線圈阻抗，或給出制造一個適 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式。渦流探頭設計中現(xiàn)有公式的局限性是一個 從事探頭設計的人們熟知的事實。同時渦流探 頭可能相當復雜，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計嚴重依賴于實驗方法。 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 。就探頭設計而言，數(shù)值方法較其它設計方法有某些優(yōu)越性。探頭的響應由材料間電磁場相互作用的真實物理描述進行計算。因此一個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。并且對 求解來說不需任何假設。此外，探頭響應是對所進行的檢測的完整模擬，這是極為重要的。因為它以極為近似實際檢測的方式揭示探頭的性能并進行 更好的設計。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)值型設計并不比矩形核截面的設計復 雜。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。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)性對探頭進行優(yōu)化。 這些方法間必然存在相互交叉。實際上，傳感器可以通過實驗設計， 然后用解析方法或數(shù)值方法計算其各種參數(shù)?；蚴歉鶕?jù)初始要求用解析表達式 (精確的或大概的 )設計一個傳感器，然后通過實驗評價其性能 ； 如有必要，重復這一過程直到獲得一種可接受的設計。 本課題 在收集和借鑒現(xiàn)有一些裂紋渦流檢測探頭技術基礎上，采用實驗型設計，反復試驗修正和不斷摸索進行探頭的設計和制作。 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。 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線圈或其等價形式構成，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電壓 (多數(shù)注意其絕對數(shù)值而非阻抗或感應電壓的變化值 )?？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，因此當兩個線圈處于相同條件下時，所測得的阻抗或感應電壓凈值相互抵銷。線圈 僅能感應出受檢材料的變化，因此差分式渦流傳感器被用于反應受檢材料的變化情況，而抵消了同時作用于兩個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的靈敏度降低了，因為這些因素對兩個線圈的影響基本相等。 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。 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小線圈 串聯(lián)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 。每一個 (或每一對 )線圈分別進行監(jiān)控， 傳感器對受檢材料的局部缺陷就有不同的響應能力。 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，激勵線圈是監(jiān)測對象，即激勵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。因為線圈電壓 (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致阻抗變化的材料參數(shù)。這些變化都涉及阻抗實部的變化 (電導率、減簿等 )或阻抗虛部的變化 (磁導率的變化 )，或兩者都有。 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。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。 這兩種方式沒有根本的區(qū)別，因為就結果而言它們是相同的。在實際使用中，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。 激勵線圈和測量線圈兩者分立時為互感式測量，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?？捎糜跈z測管材、棒材、線材等可以從線圈內部通過的導電試件。穿過式線圈，易于實現(xiàn)渦流探傷的批量、高速、自動檢測。因此，它廣泛地應用于管材、棒材、線材試件的表面質量檢測。 內通式傳感器由環(huán)形線圈組成，用于檢測管子或圓孔的內部。 放置式線圈，又稱點式線圈，是其中最廣泛使用的渦流探頭。在探傷時，把線圈放置在 被檢查工件表面進行檢驗。由于線圈體積小、線圈內部一般帶有磁芯， 因而具有磁場聚焦的性質，靈敏度高。它適用于各種板材、帶材、棒材的表面檢測，還能對形狀復雜的工件的某一區(qū)域進行局部檢測。 本課題采用表面放置，絕對，互感式渦流傳感器結構。 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 。兩線圈的相對位置為正交取向，測量線圈靠近 U 型激勵線圈的開口中點處。在激勵線圈上通以一定頻率的正弦波，當傳感器沿著試件表面移動時，試件表面在交變磁場作用下會產生一定分布和大小內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 的渦流 ； 當有裂紋時，渦流分布和大小會發(fā)生相應的改變，檢測線圈感應渦流反磁場的變化，由硬件電路轉化為電信號，從而由 其變化反映缺陷的情況。經實驗證明，采用此結構能夠很好 的降低提離效應，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。 探頭參數(shù)、性能研究 線圈尺寸選取原則 激勵線圈相對于測量線圈的尺寸要足夠大 當激勵線圈與感應線圈大小可比時，則交變感應電流所產生磁場的磁力線相對于 感應線圈的方向是各 不相同的，即感應線圈內有大量取向各 異的磁力線穿過，這樣必然會嚴重影響對缺陷引起電流微弱擾動而導致 磁通變化的檢測 ； 如果激勵線圈相對于感應線圈的尺寸足夠大，那么感應電流相對于小尺寸的感應線圈可近似視為沿單一方向直線流動，感應線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致。無缺陷時，穿過感應線圈的磁通量最少 ；當缺陷存在引起渦流 擾動而導致磁通變化時，即使是微弱的變化，感應線圈也能很靈敏地測出，且感 應線圈的這種取向對提離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。因為只有測量線圈尺寸越小，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。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。縮小 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的漆包線 。由后面得知采用直徑為 測量線圈磁芯， 的漆包線來制作內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 測量線圈。 線圈匝數(shù)與線圈的電感量 實際繞制線圈時，線圈匝數(shù)與線圈的電感量可由下式估算 ： L=140LrnKn? 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) L1 一線圈長度 Kn 一考慮到線圈長度為有限時，磁場分布不均勻，需要加以修正的系數(shù) 對于多層線圈 ： Kn = )(1 111 LtLtLr ??? 式（ ） 式 （ ） 中 t 線圈厚度。 激勵線圈與測量線圈正交偏角α 如圖 32 所示，當激勵線圈與測量線圈完全正交 (激勵線圈磁芯軸線與檢測線圈法線平行 )時，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，在激勵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，由電磁感應定律 知， 測量線圈中感應電壓為零 ； 當探頭置于工件表面裂紋處時，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生感應電壓，我們通過對感應電壓的監(jiān)測即可拾取試 件缺陷信號。 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