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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、如图5所示。由单片机产生周期性的触发脉
