铸件表面裂纹的快速涡流检测系统设计.docx

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铸件表面裂纹的快速涡流检测系统设计

机械工程基础测试技术

铸件表面裂纹的快速涡流检测系统设计

班级机自11103班

姓名曾阳杰

学号201115010320

铸件表面裂纹的快速涡流检测系统设计

金属表面裂纹涡流检测装置,简述了涡流探伤的基本原理,细述了涡流传感器的结构和设计要点以及检测系统的设计。

关键词:

电涡流　　传感器　　裂纹检测

　0　引　言

随着我国铁路运输的不断提速,自动化程度越来越高,人们对机车车辆及铁道设施的安全可靠运行提出了更高的要求。

铁道设施工作环境恶劣,工作强度大,所以必须对其质量进行检测。

超声探伤车、转辙机运程压监控等设施已经能满足大部分需求,但对于一些负荷较重的零部件容易产疲劳裂纹直至断裂,以及铁轨上一些焊缝质量问题,我国还停留在定期人工目测阶段,不能满足发展要求,亟待解决。

目前常用于检裂纹缺陷的无损探伤方法有磁粉、渗透、超声、射线和涡流等检测技术。

这些技术各有其优缺点:

磁粉法现场应用非常简单,能直接检测表面缺陷,但如被检工件表面有涂层或潮湿,其检测可靠性将大为降低;渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高,但对表面有涂层及潮湿的工件就不理想,且对缺陷的判定有赖检验人员的经验;超声法对工件表层下缺陷的检测很效,但检测时需耦合剂,效率较低,对缺陷的判定也有赖技术人员的经验;射线法对工件表层下缺陷的检测很有效,但射线辐射危害人体,检测时必须进行安全防护,且有些工况不易实施;涡流技术对表面开口裂纹很灵敏,在表面涂层、潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作,具有结构简单、灵敏度高、频率相应特性好以及测试电路简单等优点[1]。

目前,国内外已生产出涡流探伤装置。

传统的涡流检测方法是利用涡流反磁场引起的激励线圈阻抗变化而作出阻抗变化图,由阻抗变化图获得缺陷性质的信息。

与传统方法不同,本文将利用感应线圈感应涡流反磁场的变化,将反磁场的变化转化为电信号,使其

变为易于实现的自动识别信号,从而得到缺陷信息。

1　涡流传感器设计

1.1　涡流检测一般原理[2]

将通有一定高频电流的激励线圈靠近被检工件时,工件在交变的磁场作用下其表面出现旋涡状的电流即涡流。

涡流同时产生一个与原磁场方向相反的磁场,并部分抵消原磁场,导致检测线圈电阻和电感量变化。

若金属工件存在缺陷,就会改变涡流场的强度及分布,使线圈阻抗发生变化,通过检测这个变化就可发现有无缺陷影响。

涡流检测基本原理及裂纹对涡流的70机电一体化

影响如图1和图2所示。

图1　涡流检测原理

图2　裂纹对涡流的影响

1.2　传感器的结构形式传感器设计是整个系统开发过程中最重要的环节。

传感器的性能对测量电路的设计以及测试的精度和可靠性有着重要的影响。

在此我们采用了如图3所示的传感器结构。

图4为传感器实体示意图。

图3　传感器结构示意图

1激励　2激励线圈　3U形磁芯

4检测线圈　5磁芯

传感器由一个U形的激励线圈的一个I型检测线圈组成。

两线圈的相对位置为正交取向,检测线圈靠近激励U型磁芯的开口中点处。

在激励线圈上通过一定频率的正弦波,当传感器沿着试件表面移动时,试件表面在交变磁场作用下会产生一定分布和大小的涡流。

当有裂纹时,涡流分布和大小会发生相应的改变,检测线圈感应涡流反磁场的变化,由硬件电路

图4　传感器实体示意图

转化为电信号,从而能反映缺陷情况。

经实验证明,采用此结构能够很好地降低提离效应,提高测试的精度,并且能反映裂纹的相对深度[3]。

影响传感器性能的因素有很多,主要有激励线圈、检测线圈匝数、激励线圈与检测线圈之间的相对距离、磁芯的尺寸等等。

在传感器设计中,我们应用正交试验法获得传感器参数的最佳组合,使其达到较好的性能,即具有较小的提离效应以及较高的灵敏度。

113　传感器的设计要点检测线圈尺寸要尽可能地小,因为检测线圈越小,就越能够接近工件缺陷,也就能更好地提取工件上的裂纹缺陷信号。

但检测线圈太小,则会加大传感器的制作难度。

激励线圈相对于检测线圈的尺寸要足够大。

当激励线圈与感应线圈大小可比,则交变感应电流所产生磁场的磁力线相对于感应线圈的方向是各不相同的,即感应线圈内有大量取向各异的磁力线穿过,这必然会严重影响由缺陷引起电流微弱扰动而导致的磁通变化的检测。

如果激励线圈相对于感应线圈的尺寸足够大,那么感应电流相对于小尺寸的感应线圈可近似视为沿单一方向的直线流动,感应线圈附近的磁力线方向亦近似趋于一致。

无缺陷时,穿过两个感应线圈的磁通量最少;当因缺陷存在引起电流扰动而导致磁通变化时,即使是微弱的变化,感应线圈也能很灵敏地测出,且感应线圈的这种取向对提离变化的敏感度也减至最小[4]。

检测过程中,检测线圈磁芯轴线与裂纹方向呈45°夹角时,传感器最为灵敏,如图4所示。

该特性要求可以通过在传感器封装时调整好线圈的位置来保证。

也正是由于该特性,使得该结构的传感器能较好地判断裂纹的开口方向。

2　检测系统设计

211　总体方案

系统总体方案如图5所示。

由单片机产生周期性的触发脉冲,通过LC振荡电路,在激励线圈中产生正弦激励信号。

检测线圈输出的电压信号通过信号检测电路提取对裂纹缺陷比较敏感的部分,再经过放大、A/D转换送入单片机进行处理,由单片机驱动声、光报警,并显示裂纹缺陷的大小。

铁轨部件表面裂纹的快速涡流检测系统设计71

图5　检测系统框图

212　激励信号的产生

图6所示是激励信号的产生电路。

由单片机给出触发脉冲信号,控制三极管的开通与关断,使LC电路起振,从而在激励线圈中产生周期性的逐渐衰减的正弦激励信号。

在这里采用LC振荡电路是因为其结构简单,容易起振,频率便于调整。

图6　振荡电路和激励信号波形

L1:

激励线圈　L2:

检测线圈

213　检测信号处理

由传感器输出的检测信号通过滤波、放大后所得的信号波形如图7所示。

图7a为传感器在完好金属表面时的输出波形,图7b为传感器扫过一定深度的裂纹缺陷时的输出波形。

传感器输出信号的幅值对裂纹缺陷的变化比较敏感,而相位基本不便,因而只要检出信号的幅值就可反映裂纹的大小。

幅值的检测可采用如图8所示的峰值运算电路。

信号经过峰值运算电路转换成直流信号,经A/D转换,送单片机处理。

图7　检测信号波形

图8　峰值运算电路及输入输出波形

3　结束语

系统在检测时无需对表面进行除污去锈处理或对焊缝打磨,它能穿透被测材料表面的油漆等防腐层进行探测。

该系统检测速度快,能准确判断裂纹开口方向,具有深度量化功能,旦提离效应小。

系统同时还具有较高的灵敏度,平整板材能达到011mm,对于

一般的铁磁性材料均可检测,具有较广泛的实用价值。

参考文献

[1]李家伟,陈积懋.无损检测手册[M].北京:

机械工业出版

社,2002.

[2]程松波,郭顺生.电涡流式钢板在线测厚系统设计[J].机械

研究与应用,2005（3）:

61.

[3]杨　风,吴其洲.金属表面裂纹深度定量标定系统[J].华北

工学院学报,2004（25）.

[4]黄建明,林俊明.焊缝电磁涡流检测技术[J].无损检测,

2004

（2）:

95.

72机电一体化　Mechatronics　2006年第4期

（注：

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）