完整版基于ANSYS涡流传感器毕业设计论文Word文档格式.docx

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不同的外观和内部结构适应不同的被检测物体以达到最佳的检测效果。

电涡流检测是建立在电涡流效应原理基础之上的一种无损检测方法，所以，适用于导电材料。

当导体置于交变磁场中，导体中就会有闭合感应电流产生，这种电流称为涡流。

由于导体自各种因素如电导率﹑磁导率﹑几何尺寸和缺陷等的变化，会导致感应电流相应的变化，利用这种现象来判知导体性质﹑状态及有无缺陷的检测方法，叫做电涡流检测。

涡流检测信号来自检测线圈的阻抗或次级线圈感应电压的变化。

由于影响阻抗和电压的因素很多，各因素的影响程度也不同，因此，涡流检测设备必须考虑采取一些措施，以达到消除干扰信号的目的。

涡流检测是以材料电磁性能变化为判断依据来对材料及构件实施缺陷探测和性能测试的一类检测方法通称为电磁法，其基本原理是以电磁学的理论为基础的。

本文介绍用涡流无损检测的方法来检测钢板的传感器的设计。

利用涡流检测阻抗分析方法来分析物体的磁导率、厚度、电导率和激励信号的频率对阻抗的影响。

根据电涡流效应所引起线圈阻抗的变化及其相位变化之间的密切关系,从而鉴别各种影响因素效应。

在对物体进行检测时应尽量减小其干扰信号，提取有用的信号。

关键词：

涡流传感器；

ANSYS软件；

磁导率

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,somethesensorsize,frequencyresponse,stability,accuracy,viewoftheeddycurrentsensor,manypracticalengineeringareusingit.TheANSYSsoftwareisundoubtedlyapracticalandabletoaccuratelyanalyzethesensorparametersofthesoftware,sotheeddycurrentsensordesignsbasedonANSYSthecoilandthestainlesssteelplateandcoilsizeonthedistributionofmagneticfieldlinesforthefiniteelementanalysis.ThustheresultssummaryanalysisANSYS,goodfurtherineddycurrentsensordesignparametersaresetinordertoimproveeddycurrentsensormeasurementrangeandaccuracy.Eddycurrentsensorbasedontheuseanddetectionofdifferentobjects,eddycurrentsensorsappearanceandinternalstructureisdifferent.Differentappearanceandinternalstructuretoadapttodifferentobjecttobedetectedinordertoachievethebestdetectionresults.

Eddycurrenttestingisbasedontheeddycurrentprinciplebasisofanondestructivedetectionmethod,therefore,suitableforconductivematerial.Whenaconductorisplacedinanalternatingmagneticfield,theconductorwillbeclosedinducedcurrent,thiscurrentiscalledvortex.Sincevariousfactorssuchasconductivityoftheconductorgeometrypermeabilitychangesanddefects,willleadtoacorrespondingchangeintheinducedcurrent,theuseofaphenomenonknowntojudgewhethertheconductorpropertiesconditionanddefectdetectionmethod,callededdycurrenttesting.

Eddycurrentdetectionsignalfromthedetectioncoilimpedanceorsecondaryinducedvoltagechanges.Impactresistanceandvoltageduemanyfactors,thedegreeofinfluenceofeachfactorisdifferent,therefore,eddycurrenttestingequipmenttotakesomemeasuresmustbeconsideredinordertoachievethepurposeofeliminatingtheinterferencesignal.Eddycurrenttestingisamaterialchangeinthebasisforjudgingtheelectromagneticpropertiesofmaterialsandcomponentstoimplementdefectdetectionandperformancetestingofaclassknownaselectromagneticdetectionmethods,thebasicprincipleisbasedonthetheoryofelectromagnetismbased.Thisarticledescribestheuseofeddycurrentnondestructivetestingmethodstodetectsteelsensordesign.

Impedanceanalysisusingcurrenttestingmethodtoanalyzetheobjectpermeability,thickness,conductivityandthefrequencyoftheexcitationsignaloftheimpedance.Accordingtoeddycurrentcoilimpedancechangescausedbyitscloserelationshipbetweenthephasechange,therebydiscriminatingeffectofvariousfactors.Indetectobjectsshouldminimizetheriskofinterferencesignals,extractusefulsignal.

Keyword:

Eddycurrentsenser;

theANSYSsoftware;

permeability

.

摘要II

AbstractIII

第1章绪论1

1.1课题研究的背景及意义1

1.2国内外发展与研究现状2

1.3本文研究的主要内容3

第2章涡流传感器工作原理的研究5

2.1涡流传感器结构及工作原理5

2.2导体中的电磁场6

2.3钢板中的电磁场7

2.4钢板电涡流检测的特征参数9

2.5钢板电涡流无损检测的特征频率10

2.6涡流传感器的阻抗分析法10

2.6.1线圈的阻抗10

2.6.2影响阻抗变化的几个主要参数12

第3章ANSYS有限元分析14

3.1ANSYS软件使用介绍14

3.2ANSYS软件的优点14

3.3ANSYS分析的步骤15

3.3.1确定ANSYS的单位制及坐标系15

3.3.2建立模型16

3.2.3选择单元类型16

3.2.4材料特性的定义17

3.2.5划分网格18

3.2.6施加边界条件和载荷18

3.2.7求解19

第4章涡流传感器基于ANSYS仿真20

4.1创建有限元模型20

4.2定义材料属性21

4.3划分网格21

4.4施加载荷和边界条件22

4.5求解22

4.6查看计算结果23

4.6.1查看磁力线分布23

第5章结论24

5.1检测距离对电磁场磁力线分布的影响24

5.2检测线圈尺寸对电磁场磁力线分布分布的影响25

5.3结论28

参考文献30

致谢31

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

传感器对于涡流检测系统来说是一个非常关键的部分。

从理论上讲，涡流检测能用麦克斯韦方程组来解释。

但是，在大多数情况下，麦克斯韦方程的解析解是很难获得。

涡流传感器用于早期的实验设计，有必要进行反复测量纠正，反复试验。

后来，随着对分析的式样的了解，预定的检测线圈的形状和横截面，可以由已知公式来计算线圈的阻抗。

到20世纪70年代，多德等人使用数值解与积分表达式为电涡流传感器的成功实现模拟，但仍然是利用数值积分的分析方法来解决这个问题的。

目前，纯数值方法有限元法及有限微分法开始广泛用于电涡流传感器的优化设计。

对于特定的检测对象，基于有限元法仿真模拟了线圈的的几何形状及大小，激励频率等参数变化时，在有无缺陷时，对应的检测线圈阻抗变化。

专门设计了一种弧形检测线圈，并且给涡电流传感器的最优设计提供了理论依据。

近年来，在国内和国外无损检测科学家的不断努力下，已经发明了相当高水平的钢管涡流检测仪，便携式涡流检测仪，测厚仪，电磁参数测量分选仪。

伴随着计算机技术的进一步提高，应用模拟计算推理和神经网络技术进行各种不同的信号处理与模拟识别的探索研究取得了叹为观止的成果，以及在多频涡流技术，场量的分析和阻抗显示技术，深层涡流技术，远场涡流技术方面取得了一系列令人感叹的突破。

并且，这些年电涡流测量方法的研究更多地注重于测量系统的优化研究，且对涡流检测探头的设计目前仍然利用等效电路，等效磁路模型计算与实验相结合而又往往偏出于实际情况的经验设计[1]。

电缆生产中，电缆偏芯是影响电缆品质的因素之一。

品质的好坏，直接影响到相关产品的可靠性、相关设备的正常运行和整个制造业的兴衰，甚至关系到整个社会生产的正常运行，所以受到了各界人士的高度重视。

电涡流检测是一种非常有效且操作简单的电磁无损检测方法，并是涡流效应的重要应用之一。

因此需要采用更为符合其内部实际物理场的数值模拟方法进行分析，以期提高电缆电涡流测量中的磁场及相关参数的计算精度，为以后电缆偏芯仪的进一步研究提供一定的帮助。

随着新材料、新工艺的出现和数字技术、电子技术、计算机的应用，进一步扩大了测量信息系统的功能。

电磁测量将向以下几方面发展。

①利用现代物理的最新成就，建立电磁测量的自然基准，如约瑟夫森电压基准、量子霍耳效应电阻基准。

②利用磁场对光的偏转效应，制成测大电流的电流互感器和利用泡克耳斯效应或克尔效应测高电压。

③利用微型计算机、单片机制成各种智能化仪表，构成自动测试系统。

现代电力系统的测量已与控制融为一体，形成有机的调控系统，其测量功能远超过简单的测量装置。

新兴的磁记忆检测技术，被称为21世纪最有前景的无损检测技术之一，具有预测铁磁工件寿命的优点。

《磁记忆检测信号处理与井下应用》从磁记忆检测仪表的硬件设计、信号多信息处理、特征提取和故障特征非线性定量反演入手，针对复杂环境的井下套管故障诊断提出系统的定量分析方法。

同时，注重理论与实践的紧密结合，基于复杂实际现场采集磁记忆信号难以准确预测故障的难题，从信号智能处理的角度出发，给出了多层次信号特征提取方法，解决了工程应用的难题。

本设计通过采用有限元法模拟检测电磁场，采用电磁场数值模拟后，用来处理诸如优化特定问题下的电涡流传感器结构、尺寸,材料选用及激励信号频率等问题，进而达到优化设计。

1.2国内外发展与研究现状

电涡流检测技术发源于早期电磁学的发现。

1824年初，加贝先生发现：

如果在掉着且摆动的磁体下放一块一块铜板，磁铁的运动很快就会停止。

所以是世界上第一个提出实验涡流的存在的人。

几年后，博科在这些电磁现象的研究中总结出：

在强的不均匀磁场运动的铜盘中有电流存在，因此，涡流在一段时间内叫博科电流。

1831，法拉第在基于许多人的电磁实验上发现了电磁感应现象（变化的磁场产生电场），并总结出电磁感应定律。

它不仅是整个电气工程，更是电学的重要基础之一。

如果用法拉第的电磁感应现象来解释加贝实验中所遇到的各种现象问题，可见是因为金属涡流造成的，而涡流就是磁场变化对应的感应电流，所以，电磁感应现象已被用于解释各种涡流实验所依据的重要的客观规律。

目前，在国内和国外无损检测研究人员的不断努力下，开发出了钢管涡流探伤仪，便携式超声波探伤仪，先进水平的测厚仪，电磁参数测量和分选仪等一系列高科技测量设备。

伴随着计算机技术的不断发展，应用模拟计算推理和神经网络技术进行各种不同的信号处理与模拟识别的探索研究中取得了叹为观止的成果，以及在多频涡流技术，远场涡流技术，场量的分析和阻抗显示技术方面取得一系列令人骄傲的成果。

在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析中，振动研究和分析测量中，对于非接触的位移信号，高精度振动，能够准确连续地，采集到转子振动情况的各种参数。

譬如轴的径向振动，振幅，和轴向位置。

从转子动力学，轴承学理论分析，大型旋转机械运动的状态，取决于其核心轴，而电涡流传感器，能直接非接触式测量轴的各种状态，如转子不平衡，不对中，轴承磨损，轴摩擦裂缝和其他机械问题，在早期的决心，可提供关键信息。

电涡流传感器，其长期可靠性强，分辨率高，测量范围宽，灵敏度高，抗干扰能力强，等多种优点已经广泛应用于大型旋转机械状态的在线监测和故障诊断中。

1.3本文研究的主要内容

本文的主要内容是用ANSYS软件对涡流传感器检测距离和检测线圈的几何尺寸进行变参数仿真分析，进而达到优化的目的。

首先介绍涡流检测中相关的电磁基本理论，对麦克斯韦方程组求解的有关问题作某些说明，并通过典型的物理建模型来介绍求解电磁渗透方程的常用方法。

以便为进一步讨论涡流检测的基本原理作理论准备。

磁场在金属中有一种现象称为趋肤效应，即磁场强度随着深度的增加而很快地衰减，总是集中于导体表面。

趋肤效应决定了涡流无损检测钢板的厚度的最大值。

分析了上面的理论后再介绍涡流检测阻抗分析方法，阻抗分析方法就是以研究涡流效应对线圈阻抗的密切关系为理论基础，进一步辨别出影响因素的分析方法，根据电磁波传播的理论来分析，此方法本质上是基于信号的相位延迟的原则来区分工件中的不连续性，到目前为止，它仍然是涡流检测中应用最广泛的一种方法。

影响涡流传感器检测线圈阻抗变化的直接原因就是它所处磁场的变化，所以，研究者在分析涡流检测线圈阻抗变化的情况时，第一步要做的就是分析计算被测物体放入检测线圈磁场后的各种变化状况，然后得到涡流检测线圈相对应的阻抗的变化，以便对被检测物体各种质量问题进行分析。

福斯特提出了有效磁导率的概念，有效磁导率可以使阻抗分析的问题大大简化。

像钢板这样的结构一般用放置式线圈做传感器。

分析影响阻抗变化的几个主要参数如工件的电导率、提离效应、磁导率、试验频率、工件厚度。

根据上面的知识设计涡流传感器，在涡流检测中，工件的情况是通过涡传感器的变化反映出来的。

只要对磁场变化敏感的元件，如线圈、霍耳元件等都可被用来作为涡流检测的传感器，但目前用得最多的是检测线圈。

涡流传感器种类繁多，不同种类的传感器对应不同结构的被检工件。

设计一种能够检测钢板的线圈传感器，要求有较好的抗干扰能力，如检探时要抑制直径、壁厚变化引起的信号等等。

本文是以涡流无损检测的理论为基础，优化电涡流传感器参数为目的。

本文在编定过程中参考了国内和国外有关文献，在此向有关文献的著作表示衷心的谢意。

第2章涡流传感器工作原理的研究

2.1涡流传感器结构及工作原理

涡流传感器检测是基于电磁感应原理的一种无损检测方法,因此,适用于导电材料。

当导体在交变磁场,售票员可以产生感应电流闭环,这个感应电流称为涡流。

在导体中产生涡流的导体的电导率的大小的频率和振幅的电磁场是决心。

涡流本身产生电磁场;

在非磁性材料,传感器只与涡流电磁场;

感应电磁场对永磁材料,将产生额外的交流磁化效应,其振幅足以超过幅度引起的涡流现象的地方,电磁和磁导率的材料进行有密切的联系。

涡流传感器检测时把导体靠近通有交流电的线圈，交变磁场的线圈电流导体和磁感应产生的，在导体中产生涡电流，如图2-1[2]所示。

图2-1电涡流传感器的工作原理

这时，导体中的涡流产生感应交变磁场对应，与原有的磁场发生反应，导致线圈电压和阻抗的变化。

当导体表面出现缺陷时，会影响涡流强度和分布而且使线圈电压和阻抗的变化。

因此，通过仪器检测电压或线圈阻抗的变化，可以间接地发现导体缺陷。

由于被测工件形状不同、受检部位的不同，所以检测线圈的几何形状与靠近试件的方式方法也不尽相同。

为了满足各种不同的检测需求，设计检测线圈的每一种。

检测线圈产生交变磁场，和被测导体发生能量转移，这时，检测线圈的形状，大小，和最终的检测结果的一个非常重要的技术参数。

由于钢板的试验，用于一般的探头，探头线圈放置在试样表面检测线圈，它不仅适用于表面扫描检测的简单形状的板，板，管坯，圆坯，棒材和大直径管，也适用于机械零件的形状检查困难。

与通过线圈，由于点探测线圈体积小，范围小，适用于较小的表面缺陷检测[3]。

例如由德国米铱公司生产的世界上最小的涡流传感器EU05和ES04如图2-2所示：

图2-2世界上最小的涡流传感器

EU05和ES04微型电涡流传感器以它们无与伦比的尺寸结构，成为世界上最小的电涡流位移传感器，集成在探头上的同轴电缆甚至可以穿过缝纫针的针鼻。

这类传感器主要用于发动机检测中的位移和间隙测量，精度十分高，几乎是一般电涡流传感的几十万倍。

2.2导体中的电磁场

电磁检测中处理的对象基本是导体，而金属中电荷的弛豫时间（金属上的电荷（或电位）消散（或下降）至其初始值的1e时所需要的时间）极短，因此，自由电荷的体密度可假定为零。

这时，可以写出波动方程[4]，

（2-1）

上式表明电磁波是以波的形式在运动。

若考虑金属导体中的位移电流很小，对一般金属，其电导率约为，，当取，与约为数量级，故与相比可以忽略不计，式（2-1）可以简化为:

（2-2）

同理，还可以推得

（2-3）

（2-4）

从式（2-2）至式（2-4）称为电磁渗透方程，用于研究导体内的电磁渗透现象，也是对涡流检测问题进行理论分析的基本原理方程。

式中，、、分别是磁场强度、电场强度和电流密度的复矢量。

在求解电磁渗透方程，事实上只有在某些型号规则边界，如半无限平面导体，无限长圆柱导体的数学分析的解决方案，使导电球体。

与在模型中遇到的实际问题，边界不规则，往往是困难的，甚至是不可能的列表或解决问题的具体情况。

但我们可以用此方法来近似等效，只要满足某些条件（如传感器的尺寸远小于钢板的面积），与物理模型的麦斯威尔方程求解电磁检测中的一些特殊情况，总是有基本的理论价值，也为检测传感器的设计具有重要的指导意义。

2.3钢板中的电磁场

现约定被测物体充满了经>

0的区域空间，平面都通过原点，并约定有一个层状的激励电流同轴垂直，并且在离原点一定距离处和负轴相交的平面内，沿着垂直x轴和z轴方向流动，电流在被测物体的前面的和被测物体体内都激发出了一个轴向的磁场，这样电磁渗透方程（2-2）就成为一个只有分量值的标量方程[5-6]。

（2-5）

以上标量方程（2-5）的通解为

（2-6）

式中,常数和都是由给定的边界条件来计算，对>

0的半无限被测物体来说，应为零，要不磁场就会变得无穷大，这是不可能的，于是得

（2-7）

若令=0处的值为，可以得到系数。

因此，磁场为

（2-8）

令，，就能看出磁场由两部分组成，即实部和虚部，第一部分说明磁场的幅度值随电磁场进入导体深度的增加作指数减少，并且衰减率由决定，故称为衰减因子。

磁场会发生相位滞后随着这个深度的增加，而就为相位变化的速率；

K就为电磁场在被测物体中的传播系数。

可由磁场强度求出电流密度

（2-9）

设在=0处电流密度为，其值为。

可把式（2-9）写成如下

（2-10）

在式（2-9）和式（2-8）中令,而且使，可求得的值为

（2-11）

这时有、，已知表明在半无限平面导体内处，磁场强度和电流密度的幅值均降至表面上对应值的1e倍，即36.7%。

称作二维平面的电磁场的渗透深度。

如果已知被检测构件的料质、钢板的厚度，根据就能确定激励信号的频率。

2.4钢板电涡流检测的特征参数

将频率、探头直径和工件参数结合在一起以构成一个特征参数，即

（2-12）

式中：

为电导率，为相对磁导率，为线圈的平均半径，为角频率。

通常变量描述了四个检测参数对阻抗的影响。

特征参数的用途在于它提供了一个模拟参数。

检测对象改变时，如果

（2-13）

只要具有同样的特征参数，在归一化阻抗图上就有相同的工作点。

一般选择探头直径和工作频率，其它两个量保持不变，使得，当我们知道被检构件就可以通过选择频率与探头的大小使效果最佳。

当想对磁导率与电导率已知的情况下，频率与探头尺寸可根据式（2-14）选择

（2-14）

2.5钢板电涡流无损检测的特征频率

特征频率就是物体的固有特性，其大小决定于物体的电磁特性和形状大小，有效磁导率不是常数，而是与激励频率及导体的半径、电导率、磁导率有关的变量，用表示。

（2-15）

是电导率，是磁导率，是半径。

在研究线圈的阻抗变化时，常以作为参数。