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2、工程及其自动化 专 业学 号 0401080101姓 名 陈问渠 指导老师 周德强讲师二一二年六月嗅淮檬炸汀辰锤豫老阴燕钟冒扒页滨戌总贪仓氧韧层老刘免综旬惕涂劣冈妆寐悍焦良铲蚕玛涡贮汤园语助伶导甩敏弗复频横泅车机气欠演嚎率荒锈堕耿自沏荤老捕掐捂饰冻趟格若顷圆乐捻失镐狂娠牙扦瓮嗽汤劈搽袭粥葱讯诚嚏结涅唇乞润贺惮疵搂痹万花武彤摆龚肌谍标沟来饿衣毗客危掳八郎杜魄尧刹含撰洁杨涤堂盖惰鸵讯莎搬瀑瑞省蒋秽成盎旦奋蓖违歌胳世非偏醇佩猖冬吩秤肩吞跨薄狄找狂神舰最袋间腿辈脉淮轴撂泊丈菊渍劲匠窘媳频懒沥厅恬诺瑰柒辣挟苍恼奏惧拆寻但社邯阿命绦伴拒螺尾密矗恬藉塔则蹦超稠量惦施选诺惧喝草市摆逼图轿柴螺朔泡杆扁注封棘窥臀
3、掀套次韦丘脉冲电磁铁磁性材料缺陷检测系统的设计陈问渠掳包捧奴粉港屈宁懒驰耘呜波斋郸影页鬼状度呛为罕襄搏踩助乍郎蕴秩汁亭纹豌按愤鞭绒俭坏玻咨各喊勒会卤卉径疗卓绸附院络触锋均导扬抵妓孕格君缉麦逛债滚座剔练匿新摩控呵陛珍厂酝粒墙妮剥谗旬肄斑姿薄梅笋阮嘶秆续扯溉沙副窖巴维排珊腾宾按兼酸宙嫌歹曹霖办厚墅苟葱杭渗铣园埂出囊纲吞抉馋芝棍颈工蜘杀类绸亡遵郎毛诲骚归腋侣劫梭彦圆薄毫从尿褪耶囊骗邵疟谐概苔较厄埠椎课养泉泼鄙拷翼痹苟锋攫象圈涪笋咀逗掸汇笆仁峨着芬鳞绅哺以帖颊佑什察底它寡歌带她哟亦僻挂啮雷纠浪浓宵筒痕烟揩删调忆勃说重忠环丢撒撮袱点光辗勋双猿涡梯航慰床按樱骆彝嘴椽委履本科生毕业设计（说明书）题目：脉冲电
4、磁铁磁性材料缺陷检测系统设计 机械工程 学 院 机械工程及其自动化 专 业学 号 0401080101姓 名 陈问渠 指导老师 周德强讲师二一二年六月摘 要检测对于压力容器生产及使用的重要性一直被人们所关注。而近些年，为了降低检测工作的劳动强度、提高检测结果的准确性，检测过程的自动化更是成为研究的重点。作为一项新的电磁检测技术，脉冲电磁检测拥有较高的自动化程度，不需要对压力容器表面进行打磨处理，既能发现表面和近表面裂纹的缺陷外，又可从外部发现压力容器内部的腐蚀坑等缺陷，使得脉冲电磁检测技术在压力容器在线检测上得到越来越多的关注。论文首先介绍了脉冲电磁检测技术的研究背景，其次是脉冲电磁检测技术的
5、特点以及国内外研究现状，并对检测系统的整体框架、脉冲电磁检测系统的工作原理及其理论基础进行了说明。然后基于脉冲电磁检测技术理论，设计了一套脉冲电磁检测系统用于铁磁性材料的压力容器缺陷的检测。由于金属裂纹是最常见的金属缺陷之一，因此本课题主要利用所设计的检测系统定量检测铁磁性试件裂纹的深度。该脉冲电磁检测系统可分为硬件和软件两个部分。其中硬件部分由信号发生器、功率放大电路、激励线圈、传感器、信号放大器、数据采集系统、计算机组成；软件部分使用LABVIEW实现对数据采集、滤波，MATLAB对数据进行分析及处理。通过实验，发现涡流峰值与金属裂纹深度之间有关联，据此可以对金属裂纹深度进行量化判断。最后
6、，对本文所设计的工作进行了总结、分析其不足，并对进一步研究进行了展望。关键词：脉冲电磁检测，传感器，信号采集与处理ABSTRACTThe importance of detection for the production and the use of pressure vessels have been concerned in recent years. In order to reduce the labor intensity of the detection and to improve the accuracy of test results, the automation of
7、the detection is to become the focus of the study. As a new electromagnetic detection technology, pulsed electromagnetic detection has a high degree of automation, which does not need polish the surface of pressure vessels and is able to find the defects of the surface and near surface, as well as t
8、he corrosion pits and other defects within the pressure vessel from the external. These make pulsed electromagnetic detection techniques get more and more attention in the online detecting of pressure vessels.Firstly, the paper introduces the background of pulsed electromagnetic detection technology
9、, the characteristics and research status, and describes the overall framework and the working principle as well as theoretical based on the detection system. And then based on the technical theory of pulsed electromagnetic detection, a pulsed electromagnetic detection system for the detection of th
10、e pressure vessel defects is designed. As the metal crack is one of the most common metal defects, the main subject of the designed detection system is to detect the depth of the ferromagnetic specimen crack quantitatively. The pulsed electromagnetic detection system can be divided into two parts, t
11、he hardware and software. The hardware part is composed of the signal generator, power amplifier circuit, the exciting coil, sensors, signal amplifiers, data acquisition systems and computer. The software part uses LABVIEW to achieve data acquisition as well as filtering, and uses MATLAB for data an
12、alysis and processing. Through experiments, we can found the relationship between the peak of voltage and the metal crack depth, thus can quantitative on the metal crack depth.Finally, in conclusion, the thesis analyzes the shortage, and gives prospect for future research on this basis.Key words: pu
13、lsed electromagnetic detection, sensors, signal acquisition and processing目 录第一章 绪论。11.1 研究的背景与意义。1 1.2 脉冲电磁检测技术的特点。1 1.3 国内外研究现状。21.4 课题主要研究内容。3 1.4.1 传感器的设计与调试。31.4.2 信号的采集。41.4.3 信号的分析及处理。41.5 本章小结。4第二章 系统的硬件设计.。52.1 系统工作原理。52.1.1 涡流效应。52.1.2 霍尔效应。52.1.3 系统工作原理。6 2.2 系统构成。62.2.1 探头的设计。72.2.2 信号发生
14、器。82.2.3 功率放大器。82.2.4 信号放大器。102.2.5 传感器整体设计。112.2.6 数据采集系统。12 2.3 本章小结。14第三章 数据采集.。153.1 试块介绍。15 3.2 软件介绍。15 3.3 实验步骤。17 3.4 采集程序。19 3.5 实验结果。223.6 本章小结。22第四章 数据处理及分析.。244.1 软件介绍。234.2 程序编写。244.3 数据处理及分析。254.4 本章小结。31第五章 总结及展望.。325.1 总结。325.1.1 全文主要研究内容。325.1.2 存在的不足。32 5.2 展望。32参考文献.。33致谢。34第一章 绪论1
15、.1 研究的背景与意义压力容器是用来装载压力介质，也即流体介质压力的密闭容器。一旦发生爆炸或泄漏，极有可能引发火灾、爆炸、中毒等污染环境危害安全的灾难性事故。所以确保压力容器的安全性能相对于其他工业设备尤为严格5。为了预测预防上述灾难的发生，检验成为保障压力容器安全的必要环节。压力容器定期检验规则第四条规定：压力容器定期检验工作包括全面检验和耐压试验17。其中全面检验是指压力容器停机时的检验，应当由国家质检总局核准的检验机构进行9。其检验周期为：1.安全状况等级为1、2级的，一般每6年一次；2.安全状况等级为3级的，一般36年一次；3.安全状况等级为4级的，其检验周期由检验机构确定11。长期在
16、疲劳载荷、内外部工作介质的作用下，金属压力容器容易在热影响区和焊缝等部位产生表面裂纹。目前应用于定期检测表面裂纹的方法较多为磁粉检测（铁磁性材料）和渗透检测（非铁磁性材料）。这两种方法在检测过程中都必须对被检表面进行打磨处理，以除去表面的油漆、喷涂等防腐层和氧化物介质。而往往在定期检测后，技术人员发现有95%以上的金属压力容器并未存在任何缺陷损伤，即使存在也只是几处，占焊缝总长的1 %以下。如此一来，用这些检测方法耗时劳力，并且削薄了压力容器的厚度。更值得一提的是，由于绝大部分在用压力容器不能进行打磨，因此这两种方法均不能用于压力容器的在线检测7。现代检测手段倾向于无损检测，即在对容器无损坏的
17、情况下，以物理或化学的方法，利用先进的技术和设备仪器，对容器内部和表面的缺陷进行检测6。本课题所研究的脉冲电磁检测技术是一种新型的电磁无损检测技术，其有效的集成了漏磁检测和脉冲涡流检测各自的优点，不需要对压力容器表面进行打磨处理，可以减少不必要的停车，降低检验成本，还能对缺陷深度等进行定量，在压力容器缺陷检测中具有明显的优越性16。1.2 脉冲电磁检测技术的特点将一个周期的宽带脉冲（一般为一定占空比的方波）作为激励电流施加给激励线圈，继而感应生成一个快速衰减的脉冲磁场，金属试件内部因此感生出瞬时涡流，此瞬时脉冲涡流又感应出一个快速衰减的涡流磁场，线圈的脉冲磁场与试件的涡流磁场相互作用，导致磁传
18、感器检测到的电压输出会随着时间不断变化。可以得知，试件的缺陷部位感生出的涡流磁场与完好部位感生出的涡流磁场强度必然不一致，从而可以从输出电压的变化大小检测出缺陷的位置及深度等参数。漏磁检测技术即是将铁磁性试件局部磁化，试件表面及近表面的缺陷会使材料内部产生的磁力线发生畸变，逸出表面形成漏磁场。通过检测此漏磁场的强度大小就可以判断缺陷的位置、尺寸等相关参数。漏磁检测易于实现自动化、可靠性高、无污染、对试件表面清洁度要求不高，被广泛应用于钢铁、石油、石化等领域2。本课题所研究的铁磁性材料缺陷检测系统应用的检测方法即是综合脉冲涡流检测和漏磁检测的脉冲电磁检测技术，其优势主要体现在以下几个方面：（1）
19、脉冲电磁检测是通过对输出电压的特征值的提取来分析缺陷的位置、尺寸，继而定量判断缺陷相关参数。（2）脉冲电磁检测的激励信号为一定占空比的方波，传统涡流检测采用的是频率单一的正弦电流。相比较而言，由于方波的占空比较低，如此一来线圈也不会因为高电流的存在导致能量持续耗散以致耗损，于是便可使用更大的瞬时功率产生出更大范围变化的感应磁场，输出电压变化也更易检测。（3）较于超声检测、射线检测、磁粉探伤、渗透探伤等而言，脉冲电磁检测成本较低、对人体及环境无恶性影响，且不需要耦合介质、对被检试件无损伤。（4）由于检测信号是电信号，所以可对检测结果进行数字化处理，然后存储、再现及数据处理和比较4。与此同时，脉冲
20、电磁检测方法也有着一定的缺憾，如检测深度受限等。目前脉冲电磁检测技术尚处于研究发展状态，未来还需更多努力。1.3 国内外研究现状随着当今科技的飞跃进展，电磁检测技术得到越来越多的应用。当前具代表性的PECT（脉冲涡流检测）仪器为GE 检测生产的PULSEC便携式脉冲涡流探伤仪。该仪器将阵列涡流与脉冲涡流技术相结合，大大提高了灵敏度、分辨率以及检测效率，非常适合航空工业中的各项在役检测工作。仪器使用了基于巨磁电阻效应的脉冲涡流阵列技术，基于这种技术的探头即使在低频状态下也具有很高的灵敏度和深度分辨率，故仪器可检测4层铝板( 如飞机机身多层铝合金板) 中的每一层的腐蚀缺陷。仪器还采用了独特的手持式
21、X 编码阵列探头，可对大表面工件进行快速检测。近年，国内对脉冲涡流检测技术的研究也逐步走向成熟。例如，爱德森( 厦门) 电子有限公司生产的EEC-83智能带保温层管壁腐蚀检测仪就是利用任意波形发生器产生脉冲涡流和多频涡流，突破了传统检测方式的局限，能够有效地检测隔热层下的钢管壁厚腐蚀程度。目前，国外具有代表性的漏磁检测装置主要生产厂家有德国FOERSTER 研究所、日本的岛津制作所及美国的AMFTU BOSCOPE 公司等。德国FOERSTER的主要漏磁检测装置有ROTOMAT 、TRANSOMAT。ROTOMAT采用直流磁化，传感器装置高速旋转采集信号。可用于检测外径为20mm-520mm
22、钢管(石油钢管和锅炉管) 的深度不小于5%壁厚内外壁纵向缺陷。TRANSOMAT 采用直流磁化，用于检测外径为26mm-440mm的钢管(石油钢管和锅炉管)的深度不小于5%壁厚内外壁横向缺陷。通常用于纵向缺陷检测的ROTOMAT探伤机与横向缺陷检测的TRANSOMAT 探伤机同时装备在一条生产线上,可对钢管进行全面快速探伤。日本的SAM系统采用磁敏二极管作为检测元件,自动化程度很高,可用于热轧钢棒和钢管的检测。SAM 系统能可靠地检出深度为0.3mm以上的自然缺陷,信噪比高达10。SAM系统有许多不同的型号,磁化电流为直流或交流。对于直径为50mm-100mm 的钢棒,检查速度高达30t/h-
23、70t/h。美国的漏磁探伤装置主要用于石油工业无缝钢管的无损探伤,其中SON OSCOPE 能检出深度为壁厚5%的外壁缺陷和深度为壁厚12.5%的内壁缺陷,采用检测线圈能分辨出内外壁缺陷。随着油气管道质量问题的出现和如何确保重要管道(如海底管道)运行质量问题的提出,漏磁检测技术被大量地用于管道检测,成为管道检测的核心技术。采用漏磁技术的“管道猪”可在地下管道中爬行300km, 能可靠地检测出深度为壁厚10%的缺陷。在这一方面,加拿大、英国、美国等都进行了大量研究。国内在开发研制漏磁检测设备方面也做了不少工作,例如：爱德森( 厦门) 电子有限公司研制的便携式管道腐蚀漏磁检测系统、储罐底板漏磁检测
24、仪以及管道集成漏磁检测智能系统。华中科技大学康宜华教授研发的漏磁检测设备已广泛应用在油田的油管、抽油杆等部件的检测中。彭有根研制了钢筋缺陷检测装置,采用直流线圈磁化螺纹钢筋,其检测传感器为线圈,可检测出最小缺陷的截面积为,检测速度为1.6m/s。徐章遂等人在国家自然科学基金资助下,研究了厚壁钢管裂纹定量检测问题, 并与空军第一研究所耿荣生等人合作研制出JFY-1A的漏磁裂纹检测仪,首次实现了螺栓孔裂纹定量检测,用于解决飞机无损检测中的难点问题。沈阳工业大学杨理践教授成功研发的带爬行猪的智能漏磁检测系统已开始在我国西气东输的输油管道长距离检测中应用14。1.4 课题主要研究的内容本课题主要利用脉
25、冲电磁检测原理，在此基础上设计出一套可用于铁磁性材料缺陷检测的系统，其中包括传感器的制作、数据的采集、信号的处理及分析。1.4.1 传感器的设计与调试传感器的设计包括功率放大器以及信号放大电路的选取和调试、检测探头的设计（其中包括线圈的绕制和磁传感器的选取），以此完成磁传感器在铁磁性试件上采集得到所需电信号。1.4.2 信号的采集实验中使用美国NI公司生产的PXI数据采集系统进行数据采集，软件部分选择LABVIEW进行采集程序的编写，包括信号采集、滤波、数据的记录等，采集到的数据为下一步的处理作准备。1.4.3 信号的分析与处理本课题采用MATLAB对上一步采集到的数据进行分析及处理，以此得到
26、铁磁性试件不同部分检测到的信号特征值大小的不同，从而判断得到缺陷的深度的不同。1.5 本章小结脉冲电磁检测技术是一项新型的无损检测技术，有着很好的发展前景。本章介绍了其研究背景及意义，对脉冲电磁检测的特点进行阐述，并分析了国内外研究的现状，最后提出了本课题研究的主要内容15。第二章 系统的硬件设计2.1 系统工作原理2.1.1 涡流效应金属试块内部在变化的磁场下产生一圈一圈的电流，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象8。图2.1 涡流效应示意图工业上利用足够大的电力在导体中产生很大的涡流，导体中电流可以发热，使金属受热甚至熔化。根据此原理制造了感
27、应炉，用来冶炼金属。在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，线圈的中间放置一个耐火材料（例如陶瓷）制成的坩埚，用来放有待熔化的金属。涡流感应加热的应用很广泛，如用高频感应炉冶炼金属，用高频塑料热压机过塑，以及把涡流热疗系统用于治疗，金属材料学中常用于感应淬火、感应退火等方法来提高工件的表面硬度与耐磨性4。2.1.2 霍尔效应霍尔传感器是一种利用霍尔效应进行工作的传感器。根据霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，它是一种半导体磁电转换元件，一般由锗、镝化铟、砷化铟等半导体材料制成。如图2.2所示，将霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场中，如果在激励电流端a、b通以电流i，在c、d端将产
28、生霍尔电势，其大小为： （2-1） 上式中 霍尔系数，决定于材质、温度、元件尺寸； 电流与磁场方向的夹角。图2.2 霍尔元件及霍尔效应原理2.1.3 系统工作原理函数发生器产生稳定的一定频率和大小的脉冲方波信号，通过功率放大器对信号进行放大以达到检测线圈正常工作的范围，检测线圈中感应生出快速衰减的脉冲磁场，由金属试件表面及内部也产生不同强度的涡流，此涡流同时也感生出一个快速衰减的涡流磁场，涡流磁场与脉冲磁场相互作用得到复合磁场，通过磁传感器检测出复合磁场强度的大小，再将此检测得到的信号经过信号放大器得到一定电压范围的电信号，由数据采集系统采集，信号在PC机上通过LABVIEW采集程序进行采集滤
29、波，最终经由MATLAB分析处理，得出缺陷的具体尺寸等参数10。2.2 系统构成系统整体结构图如下图所示：信号发生器功率放大器磁传感器信号放大器数据采集系统放大器PC机探头试件图2.3 系统结构示意图整个实验系统可分为硬件和软件两个部分。其中硬件部分由信号发生器、探头、试件、传感器（功率放大电路及信号放大电路）、数据采集系统组成13。2.2.1 探头的设计实验中探头制作包括线圈的绕制和磁传感器的选取。线圈骨架选择圆柱形磁芯。圆柱体内径10mm，外径18mm，高26mm。铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物，具有易磁化易退磁、抗干扰的特点。就电特性来说，铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多，而
30、且还有较高的介电性能。铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。故铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。绕线为直径为0.36mm漆包线，遵循紧密齐的准则绕制了匝数为900的线圈。绕制完成后，用黑色胶袋包裹。磁传感器目前应用较多的为检测线圈、霍尔（Hall）传感器、磁阻（MR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和超导量子干涉（SQUIDS）。由于脉冲电磁检测技术中用到的是低频信号，而检测线圈一般适用于高频信号，所以不在选择之列；磁阻传感器与巨磁阻传感器元件特性较为复杂，且输出电压与复合磁场之间是非线性关系，故也不予考虑；而超导量子干涉器价格昂贵，受实验经费的限制无法使用。本实验中选取
31、HONEYWELL公司推出的SS495A型霍尔元件。如图2.4所示，该元件广泛应用于仪器仪表、无刷直流电机、家用电表、焊接设备、售卖机、家用电气、电脑等产品上面。这种霍尔元件具有体积小巧（0.16x0.118）、低功耗（7mA ，5VDC）、工作温度范围广（-40+150）、线性输出、无磁场滞后效应的特点。而且，其方块形的器件有助于提供稳定的输出；其内部含有激光修正的薄膜电阻，可以提供精确的灵敏度和温度补偿的优势。图2.4 SS495A引脚说明将霍尔传感器与线圈骨架固定在一起，霍尔传感器位于铁氧体磁芯正中心底部，探头（图2.5）便制作完成。图2.5 探头2.2.2 信号发生器目前函数发生器的应
32、用越来越广泛，它产生的激励信号信噪比小、波形稳定且多样。本实验需要一个能发生脉冲方波的装置，故选用VD1641型函数发生器，如图2.6所示。VD1641函数发生器主要特点如下：1） 输出频率在 0.1Hz2MHz 之间可调；2） 占空比在 10%90%之间任意可调；3） 具有正弦波、三角波、方波、锯齿波、脉冲波、TTL。图2.6 VD1641函数发生器2.2.3 功率放大器一般情况下，函数发生器给出的激励信号功率比较小，不足以使得激励线圈中感生出强度较大的磁场，所以实验中必须外接一个功率放大器来生成合适大小的激励信号以满足要求。LM1875功率放大器的低失真和高性能满足实验需要，故选用其作为本
33、系统的功率放大器，引脚图如下图2.7所示：图2.7 LM1875引脚图其主要特性如下：1）高增益；2）输出电压范围宽：16V-60V；3）宽带宽：70kHz；4）高转换速率。相应的功率放大电路如图2.8所示3，其中用于调节放大器的放大倍数，、组成高通滤波电路对方波信号进行滤波，滤除信号中的直流成分。图2.8 LM1875电路图根据上述放大电路焊接出的实物图如下图2.9所示：图2.9 LM1875实物图2.2.4 信号放大器经霍尔传感器输出的是微小电压信号，因此必须对这个微小信号进行放大处理之后，得到适合数据采集卡的输入范围，使得采样信号的信噪比尽可能的提高。此次选用的是ANALOGDEVICE
34、S的INA129仪用放大器作为信号放大芯片。INA 129是该公司推出的一款是低功耗、高精度的通用仪表放大器，并具有如下特点：1）使用方便，只需接入一个电阻就可以改变放大倍数；2）放大范围大，可以高达1000 倍；3）高共模抑制比（CMR）， 最小可达 120dB；4）适合精度要求较高的场合。在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置： （2-2） 电容C9和电阻R6、R7组成的高通滤波电路主要是用来滤除信号中的直流分量。引脚 5（REF）是放大器输出的参考标准，该引脚通常被接地，但是必须使用低阻抗的引线以确保良好的共模抑制比。引脚图如下图2.10所示：图2.10 INA129引脚图
35、电路图如下图2.11所示：图2.11 INA129电路图根据上述电路图焊接制作的INA129信号放大器的实物图如下图2.12所示：图2.12 放大器实物图2.2.5 传感器整体设计传感器整体设计的电路图（图2.13）如下：图2.13 整体电路依据电路图完成传感器整体（图2.14）的焊接制作：图2.14传感器整体结构电路板接线端一共有6根引出线，如电路图所示，两根接电源正负端，两根接函数发生器发出的激励信号，一根为地线，两根分别为霍尔传感器输入及输出,一根为激励线圈接入端，剩余两根为最终输出信号的正极及接地端。2.2.6 数据采集系统本实验所选用的是实验室的NI-PXI数据采集系统（图2.15）。PXI数据采集系统是美国国家仪器公司NI的产品，由CPU控制器、数据图像采集卡、运动控制卡、控制机箱和高校虚拟仪器软件包等部件组成，主要功能是对各类电信号进行采集、分析和控制。图2.15 PXI实物图图2.16 N
