【正文】 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。 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。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 。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。 測量線圈尺寸 測量線圈尺寸要小。 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。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。 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 。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。在探傷時，把線圈放置在 被檢查工件表面進行檢驗。 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。穿過式線圈，易于實現(xiàn)渦流探傷的批量、高速、自動檢測。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。 探頭分類的第三個重要方法是基于使用方法。兩種方式都可用于絕對式或差分式渦流傳感器。 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。 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。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)。 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。 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 。 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。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?？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。 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 。 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?；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。 這些方法間必然存在相互交叉。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。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 )。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。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。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。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]。 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。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。 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。 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。 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。通過理論分析來進行探頭的設計是很重要的研究課題。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。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。 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。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)。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。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。 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。 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”。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。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。 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。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。采用放置式探頭線圈進行檢測時，可以用 渦流環(huán)的尺寸表示工件的尺寸。而在被測導體上距線圈中心軸 處，渦流的的徑向密度己經衰減到徑向最大值的千分之五。 可知， 將上面兩積分方程式左邊相加就是導體中總的電渦流。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 bra 圖 25 被測導體中的渦流環(huán) 根據(jù)理論分析可得，導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，在對應激勵線圈外徑 rb 處附近達到大值，然后隨著r 的繼續(xù)增大逐漸減小且趨于零，導體表面 r 處的渦流密度 Jor 可 表示為 ： Jor=? ?? ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????bbrrbrrebrrobJrr?.......114140......brr14e4brrobJ 式（ ） 式（ ）中 rb 為激勵線圈的外半徑， r 為離線圈 中心軸的距離， Job 為被測導體表面 r=rb 處的渦流密度。設想在被測導體上存在某個具有特定幾何尺寸的環(huán) 域，如圖 25 所示。 當采用放置式探頭線圈檢測工件時，檢測線圈放置于工件表面上，所以使用上式不合理，需要進行修正。檢測頻率的選取 與工件的特征頻率fg 密切相關，它是工件的一個固有特性，取決于工件的電磁 特性和幾何尺寸。 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。若 只是需 要檢測工件表面裂紋，則可采用高到幾兆赫茲的頻率。但是降低頻率的同時檢測靈敏度也隨之下降，檢測速度也可能降低。在任何具體的渦流檢測中，實際所用的頻率由被檢工件的厚度、所希望的透入深度、要求達到的靈敏 度 或分辨率以及不同的檢測目的等所決定。 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。 在渦流檢測中，在載流檢測線圈的作用下，試件中由于電磁感應而感生的渦流宛若是在多層密迭在一起的線圈中流過的電流，這樣也可以把被檢測的金屬工件看作一只和檢 測線圈交鏈的次級線圈。這樣一來，只要根據(jù)原邊電路中的這種阻抗變化就可以知道副邊線圈對 原邊線圈的效應，從而推知副邊電路中的阻抗的變化。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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 L22222222LR M???) 式（ ） 其中，（ R2 jX 2 ）2222222LR M???為次級線圈回路反應到初級線圈回路中的電抗。如圖 24 所示 耦合 電路。 當兩個線圈耦合 時，如果給原邊線圈通以交變電流，由于電磁感應的作用，在閉合的副邊線圈中會產生電流。由交流電激 勵檢測線圈產生的電磁能耦合到工件。可表示為 ： Z0 = IU0 =R0 +jX 0L =R0 +jω L0 式（ ） 大多數(shù)的渦 流線圈為了能產 生合適的外部磁化場和限制熱損耗，線圈繞有很多匝，內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 空線圈的感抗ω L0 較之空線圈的電阻 R。自感值為 L。 在渦流檢測中，當試驗線圈遠離試件或任何其他導電材料或磁性材料時，其阻抗稱為空線圈阻抗，該阻抗提供了一個參數(shù)，用于其他阻抗的比較。 在相位上， UR 和電流 I 同相位，而電抗電壓 UL 較電流 I 超前 2　? 串連電路的交流阻抗可用總電壓對電流大小之比給出為 ： Z= IU0 =R+jXL 式（ ） 單個線圈阻抗向量圖如圖 23 所示。一般當線圈中內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 的電流頻率較低時可以忽略線圈匝間分布電容，線圈的等效電路如圖 22 所示。 線圈自身的阻抗 由金屬導線繞成的線圈，除了具有電感外，導線還有電阻，各匝線圈之間還會有電容。 到目前為止，阻抗分析法仍然是渦流檢測中應用最廣泛的一種方法。從電磁波傳播的角度來看，這種方法實質上是根據(jù)信號有不同相位延遲的原理來區(qū)別工件中的不連續(xù)性。 在渦流檢測的發(fā)展過程中，曾經提出過多種 消除干擾因素的手段和方法，但直到阻抗分析法的引進，才使渦流檢測技術得到了重大的突破和廣泛應用 。它內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 與激勵電流的頻率、金屬材料的電導率有直接的關系，其表達式為 ： δ =???f1 式（ ） 由式（ ） 可 得 出，磁導率 u和電導率口越小，趨膚深度越大 ； 而激勵頻率越低趨膚深度越大 [2]。一工件表面的渦流密度 ； Jx 一離表面 x深度處工件的渦流密度 ； x一至表面的距