【導(dǎo)讀】導(dǎo)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(biāo)注和致謝。為獲得及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。他個人或集體已經(jīng)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(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)了放置式探頭線圈的特征頻率，為檢測頻率的選擇?；A(chǔ)上，通過實驗反復(fù)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(shè)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(shè)計。示報警等模塊的硬件設(shè)計。模塊的程序流程圖，并進行了軟件設(shè)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(dǎo)的合理性，經(jīng)理論推導(dǎo)，加內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(yīng) 當(dāng)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(jié)果是 形成所謂“邊緣效應(yīng)” 。因為邊緣效應(yīng)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(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際上存在一 些限制。通常，認為在靠近邊界 6mm以內(nèi)作檢測是不適宜的。 提離效應(yīng) 渦流傳感器有一個基于探頭設(shè)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(dāng)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(zhì) 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(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，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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 第三章 探頭的設(shè)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(shè)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(shè)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(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 、 自動優(yōu)化、特征值的測定、有效屏蔽以及與計算機結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)合，對傳感器的幾何參數(shù)和測量參數(shù)進行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，該方法優(yōu)化設(shè)計的傳感器與經(jīng)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(shè)備的關(guān)鍵器件，目前，有關(guān)探頭設(shè)計的理論研究尚不充分，探頭的制作多是憑經(jīng)驗或依據(jù)實驗進行。通過理論分析來進行探頭的設(shè)計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)計主要包括如下幾個方面 ： 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行闡述。 渦流傳感器設(shè)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(jié)構(gòu)組成。設(shè)計者能通過改變線圈 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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 19 傳感器設(shè)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(jīng)驗型設(shè)計 ； 解析型設(shè)計 ； 數(shù)值型設(shè)計。 渦流探頭的實驗型設(shè)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(shè)計方法時的反應(yīng)。任何情況下，這一方法通常包括建立某個特定設(shè)計和在收集到的測量結(jié)果的基礎(chǔ)上修正、反復(fù)試驗和不斷摸索的過程。然而對渦流檢測技術(shù)和技能器的重要改進 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(shè)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(shè)計中現(xiàn)有公式的局限性是一個 從事探頭設(shè)計的人們熟知的事實。同時渦流探 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(shè)計而言，數(shù)值方法較其它設(shè)計方法有某些優(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(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(shè)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(shè)計并不比矩形核截面的設(shè)計復(fù) 雜。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 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(shè)計， 然后用解析方法或數(shù)值方法計算其各種參數(shù)。或是根據(jù)初始要求用解析表達式 (精確的或大概的 )設(shè)計一個傳感器，然后通過實驗評價其性能 ； 如有必要，重復(fù)這一過程直到獲得一種可接受的設(shè)計。 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，采用實驗型設(shè)計，反復(fù)試驗修正和不斷摸索進行探頭的設(shè)計和制作。 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。 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(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)兩個線圈處于相同條件下時，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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(fù)合絕對式 (或復(fù)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(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(dǎo)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(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(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，因為就結(jié)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(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 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，易于實現(xiàn)渦流探傷的批量、高速、自動檢測。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(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)。 輸 出1~2345 圖 31 傳感器結(jié)構(gòu)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(dāng)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(chǎn)生一定分布和大小內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 的渦流 ； 當(dāng)有裂紋時，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)實驗證明，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。 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(dāng)激勵線圈與感應(yīng)線圈大小可比時，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，這樣必然會嚴重影響對缺陷引起電流微弱擾動而導(dǎo)致 磁通變化的檢測 ； 如果激勵線圈相對于感應(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，感應(yīng)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(yīng)線圈的磁通量最少 ；當(dāng)缺陷存在引起渦流 擾動而導(dǎo)致磁通變化時，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(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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(dāng)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(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，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。 圖 3 2 正 交 線 圈 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 由于探頭在空載或是置于工件