电涡流检测互感式探头信号的理论建模研究

发布时间：2020-04-12 03:47

【摘要】：在众多制造领域,安全生产一向是各国注意的核心问题之一。通常在这些领域,如:航空航天、船舶制造、武器制造、核工业与铁路运输等,需要用到大量合金与金属材料。这些金属材料的品质与工业生产过程的安全、产品质量的合格密切相关。电涡流检测技术对于检测导电材料的性能与结构具有得天独厚的优势,如:检测过程不需要耦合剂、对于裂纹信号的灵敏、可以进行材料属性的多参数检测等。因此,电涡流检测技术被大量应用于工业制造领域。通常,我们在涡流检测过程中,经常遇到各种复杂的情况,为了提高检测探头的灵敏度、信噪比以及热漂移免疫性,常常需要用到互感式探头。与传统的绝对式探头相比,互感式探头具有更好的灵敏度与灵活性,得到了广泛的应用。涡流解析模型对于理解涡流检测的原理、设计新型探头、提高检测效率、评估缺陷检出率、构建反演模型等具有重要意义。因此,建立电涡流检测互感式探头的解析模型是一项十分重要的工作。Dodd-Deeds模型是最早也是应用最广泛的一种完整描述涡流电磁场的解析模型,但是其也存在着一些不足:模型的物理意义不明确;解析模型表达式是广义二重积分,数值计算困难;求解区域为典型的轴对称场;对于非共轴的互感式探头建模过程复杂等。为了建立互感式探头信号的阻抗模型,作者从Dodd-Deeds模型出发,建立了互感式探头信号的解析模型。第二章建立了非共轴平行激励-感应式探头的涡流解析模型。基于准静磁场条件下的Maxwell方程组,引入矢量磁位的概念,从空气中理想单匝线圈磁场的解析模型着手,采用叠加原理建立并求解线圈激励磁场和多层导电结构涡流场的解析模型,并应用反射-透射理论将其推广到任意导电结构,利用得到的矢量磁位的解析模型可以推导出绝对式探头电压的频域表达式。之后,利用坐标变换的原理得到了激励场引发的涡流场在感应线圈上的积分,从而得到互感电压,推导出了互阻抗的变化量。第三章建立了非共轴倾斜激励-感应式探头的涡流解析模型。基于传统的Dodd-Deeds模型,利用TREE法和电磁场反射透射理论,结合数学上的空间变换法,通过找到倾斜面与水平面之间的映射关系来建立激励线圈的激励场、涡流场与感应线圈三者之间的关系,从而推导出了任意倾斜角度的互感式探头的阻抗变化量。常见的互感式模型求解过程中需要用到2D傅里叶变换和洛伦兹互易定理,使得涡流场的求解域为无穷大,因此结果通常为积分形式。本章利用空间变化法中的映射理论,有效地与Dodd-Deeds模型相结合,使得求解出来的阻抗变换量模型为级数形式,极大地提高了模型的计算效率。第四章从激励源角度考虑,建立了高频激励下互感式探头的涡流解析模型。由于传统的Dodd-Deeds模型将涡流场看成似稳场,在低频激励条件下忽略位移电流影响的变电磁场方程的解应和稳恒场方程的解吻合。但是在高频激励下,位移电流对计算结果的影响被放大,交变电磁场的矢量磁位值和稳恒电磁场场的矢量磁位值理论结果存在差别。研究表明,高频涡流检测可以应用于测量一些绝缘性较好材料的厚度以及表征低导电性材料的介电常数。本文从麦克斯韦方程组出发,建立了高频涡流互感式探头的解析模型,并且仿真研究了高频激励下线圈涡流阻抗与导电材料的相对介电常数之间的关系,为利用高频涡流检测技术表征绝缘或导电性较差材料的介电常数提供了指导依据。本文建立了电涡流检测互感式探头阻抗信号的解析模型,并且与有限元模型和实验进行了验证,证明了所建立模型的正确性。
【图文】：

矢量磁位,空间电磁场,分量,轴对称

矢量磁位 A 只有周向分量，20 02 2( )( ) 0 A AI r r z zr z r + + 值；r、z 为场点坐标；r0、z0为原点坐标为媒质的磁导率和电导率；0 ( r r )( z ，式(2-12)两边同时除以 R ( r ) Z ( z )得22 2 2( ) 1 ( ) 1 ( ) 10( ) ( ) r R r Z zr rR r r Z z z r + + 变量法将上述偏微分方程转换为两个常22021 ( )( ) Z zZ z z2202 2( ) 1 ( ) 10) ( ) + + R r R r r rR r r r0 0( )z zZ z Be Ce +

密度分布图,涡流场,密度分布图,抗变

图 5-4 互感式探头涡流场密度分布图Figure 5-4 Eddy current field density distribution of driver pickup coils为了数据处理的方便，仿真结果不是互阻抗变化量，，而是互感抗变化量。抗的表达式为 M Z / j (5-10 20 30 40 50 60 70-6-5-4-3-2-10 M( H)Theory realTheory imagFEM realFEM imag
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB302.5

【参考文献】