磁通测量位移传感方法及在钢管形貌畸变检测中的应用
发布时间：2021-12-19 12:17
钢管是重要的原材料之一,我国钢管生产产量已占全球的70%以上,为了提升产品质量,钢管的检测越来越重要。钢管漏磁、超声、涡流无损检测对裂纹类缺陷敏感、而对表面缓变的形貌畸变不敏感。钢管表面形貌畸变一直采用人工目视检查,近年来采用了激光三维位移测量技术,但进口设备昂贵。本文主要研究一种基于磁通测量的电磁式位移传感方法,重点开展钢管表面形貌畸变检测的应用研究。首先提出了一种基于交流磁通测量的位移传感方法,研究了其传感原理,并发明了一款磁桥式交流磁通测量位移传感器,分析了其输出特性,结果表明,传感器的输出电压与位移的倒数呈线性关系。仿真与实验验证了此线性关系,同时系统分析了涡流效应以及传感器尺寸参数对输出线性特性的影响规律。为了获得更高的频率响应,进一步提出了基于永磁磁通测量的位移传感方法,发明了磁桥式永磁磁通测量位移传感器,通过理论推导得到其输出电压与位移和某常数之和的倒数呈线性关系,通过仿真计算和实验验证了此线性关系,同时研究了传感器结构尺寸对输出电压的影响规律。为了实现阵列位移传感技术,将交流磁通测量位移传感器和永磁磁通测量位移传感器结合,间隔排列,有效消除了相邻传感器间的电磁干扰,为此...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
钢管表
华中科技大学博士学位论文7（a）测量系统图（b）钢管轮廓测量图图1.23D结构光钢管表面测量案例1.3位移传感方法研究现状1.3.1位移传感技术（1）电容位移传感电容位移传感器灵敏度高、稳定性好，抗电磁干扰能力强，在精密测量领域应用广泛[55]。随着生产制造水平的逐渐提高，国内外对电容位移传感器的研究也趋于高精化，对电容位移传感器的精度、量程、稳定性都提出了更高的要求。80年代初期，瑞士SYLVAC公司研制出基于容栅技术的数显卡尺，分辨率和精度均达到微米级。而后国内也相继开始开发容栅技术[56]，并逐渐往智能化、自动化发展，开展了一系列基于单片机的电容位移传感器相关研究[57]。杭州师范大学的HongxiangYu等人设计了一种基于联锁电极的电容位移传感器，通过向一对梳状结构的电极激励相反相位的高频电压，通过两个电气上具有正交关系的采集通道，将位移转化为准正余弦信号，此设计经过PCB制作的原型探头验证了其可行性[55]。上海交通大学的何明轩开发出一款结合MEMS工艺的微电容位移传感器，并与微型测针集成构成一个触觉测头，轴向分辨力达到10nm[58]。苏州大学的雷焱焱开发出基于MEMS工艺的硅基
华中科技大学博士学位论文11（4）涡流位移传感为了通过解析法得到涡流位移传感器中位移与电感的传输方程，已有不少相关文献发表了相关研究成果[88-91]。但是，由于有许多参数均对分析结果有影响，最终分析结果总是导向复杂的数学运算，难以方便的应用于实际用途中[10]。在实际运用中，MohammadRezaNabavi和StoyanN.Nihtianov等用一条指数曲线去近似涡流位移传感器的传输特性，较为有效，其传输特性曲线图如图1.3所示[92]。这种特性表明，与电容位移传感器类似，随着位移传感器与被测物的间距增加，涡流传感器灵敏度急剧下降。根据经验，为了保证一个合适的灵敏度，涡流位移传感器与被测物的最大间距最好不超过线圈直径的三分之一[10]。对于涡流位移传感器来说，倾斜的影响与电容位移传感器类似，例如传感器与被测物的不平行对测量影响较大。因此，对两种传感器来说，精确的对准被测物非常重要，尤其在测量间距较小时（相对线圈直径而言），这种倾斜会直接导致传输特性的偏差，进而导致测量误差。文献[22,93,94]均做过相关研究。图1.3典型涡流传感器传输特性（不同位置处相同位移范围内电感值最大变化量）当测量微米级或者纳米级的小位移时，成十上百微米的趋肤深度将造成重大影响，即使传感线圈几乎已经贴上被测物。这是由于被测物的位置是由涡流密度中心确定的，而这个中心是在被测物内而不是其表面。这是导致涡流位移传感器稳定性和分辨率不够高的一个主要来源。王洪波提出同时测量位移和温度的方法等，这些解决办法能改善温度稳定性，但可能会使硬件电路更为复杂，同时增加功耗，并引起线圈的进一步升温[13]。为改善灵敏度同时增强稳定性，可以降低被测物的电阻率，
【参考文献】：
期刊论文
[1]钢管厚度及分层自动超声检测工艺和校准方法研究[J]. 王哲,崔西明,濮海明,康宜华. 中国测试. 2017(03)
[2]柔性涡流阵列传感器的磁场计算分析[J]. 曹青松,毕彬杰,周继惠. 传感器与微系统. 2016(11)
[3]互扰对涡流阵列传感器裂纹检测性能影响[J]. 杜金强,何宇廷,李培源,武卫. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(11)
[4]冷拔轴承钢管生产质量缺陷分析与预防[J]. 任蜀焱,彭家国,杨宇曦,刘照华. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2012(03)
[5]基于涡流阵列的裂纹检测仿真分析[J]. 杜金强,何宇廷,丁华. 无损检测. 2011(07)
[6]基于单一轴向磁化的钢管高速漏磁检测方法[J]. 孙燕华,康宜华,石晓鹏. 机械工程学报. 2010(10)
[7]矿用钢丝绳在线监测系统及关键技术研究[J]. 何衍兴,申志兵,边学丛,梅甫定. 工业安全与环保. 2009(12)
[8]智能型电容式位移传感器的研制及应用[J]. 刘果. 水电自动化与大坝监测. 2006(03)
[9]激光三角法测量误差分析与精度提高研究[J]. 吴剑锋,王文,陈子辰. 机电工程. 2003(05)
[10]基于DSP技术的钢管内直径及内表面检测[J]. 伏燕军,杨坤涛. 光电工程. 2003(03)
博士论文
[1]钢管漏磁检测中的动生涡流影响机理及其应用[D]. 冯搏.华中科技大学 2016
[2]在役拉索金属截面积测量方法[D]. 袁建明.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统研究[D]. 王泽.广西师范大学 2019
[2]基于阵列脉冲涡流技术的位移测量系统及试验研究[D]. 申林坚.南昌航空大学 2018
[3]三角法激光位移传感器多模式测量方法研究[D]. 陈建华.杭州电子科技大学 2018
[4]钢管外扫查相控阵超声成像及其定量检测关键技术[D]. 袁军峰.浙江大学 2017
[5]多频涡流管道检测数据处理与成像软件设计[D]. 张芸.电子科技大学 2017
[6]双光路对称补偿的激光三角法位移测量系统[D]. 姜蕾.浙江大学 2017
[7]涡流传感器位移测量精度影响因素研究[D]. 李阳.大连理工大学 2016
[8]厚壁钢管缺陷多通道超声自动检测方法研究[D]. 马思远.北京理工大学 2016
[9]基于涡流阵列的钢管无损检测研究[D]. 高伟.哈尔滨工业大学 2015
[10]基于FPGA和ARM的二维激光位移测量技术研究[D]. 魏晓梅.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3544403
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
钢管表
华中科技大学博士学位论文7（a）测量系统图（b）钢管轮廓测量图图1.23D结构光钢管表面测量案例1.3位移传感方法研究现状1.3.1位移传感技术（1）电容位移传感电容位移传感器灵敏度高、稳定性好，抗电磁干扰能力强，在精密测量领域应用广泛[55]。随着生产制造水平的逐渐提高，国内外对电容位移传感器的研究也趋于高精化，对电容位移传感器的精度、量程、稳定性都提出了更高的要求。80年代初期，瑞士SYLVAC公司研制出基于容栅技术的数显卡尺，分辨率和精度均达到微米级。而后国内也相继开始开发容栅技术[56]，并逐渐往智能化、自动化发展，开展了一系列基于单片机的电容位移传感器相关研究[57]。杭州师范大学的HongxiangYu等人设计了一种基于联锁电极的电容位移传感器，通过向一对梳状结构的电极激励相反相位的高频电压，通过两个电气上具有正交关系的采集通道，将位移转化为准正余弦信号，此设计经过PCB制作的原型探头验证了其可行性[55]。上海交通大学的何明轩开发出一款结合MEMS工艺的微电容位移传感器，并与微型测针集成构成一个触觉测头，轴向分辨力达到10nm[58]。苏州大学的雷焱焱开发出基于MEMS工艺的硅基
华中科技大学博士学位论文11（4）涡流位移传感为了通过解析法得到涡流位移传感器中位移与电感的传输方程，已有不少相关文献发表了相关研究成果[88-91]。但是，由于有许多参数均对分析结果有影响，最终分析结果总是导向复杂的数学运算，难以方便的应用于实际用途中[10]。在实际运用中，MohammadRezaNabavi和StoyanN.Nihtianov等用一条指数曲线去近似涡流位移传感器的传输特性，较为有效，其传输特性曲线图如图1.3所示[92]。这种特性表明，与电容位移传感器类似，随着位移传感器与被测物的间距增加，涡流传感器灵敏度急剧下降。根据经验，为了保证一个合适的灵敏度，涡流位移传感器与被测物的最大间距最好不超过线圈直径的三分之一[10]。对于涡流位移传感器来说，倾斜的影响与电容位移传感器类似，例如传感器与被测物的不平行对测量影响较大。因此，对两种传感器来说，精确的对准被测物非常重要，尤其在测量间距较小时（相对线圈直径而言），这种倾斜会直接导致传输特性的偏差，进而导致测量误差。文献[22,93,94]均做过相关研究。图1.3典型涡流传感器传输特性（不同位置处相同位移范围内电感值最大变化量）当测量微米级或者纳米级的小位移时，成十上百微米的趋肤深度将造成重大影响，即使传感线圈几乎已经贴上被测物。这是由于被测物的位置是由涡流密度中心确定的，而这个中心是在被测物内而不是其表面。这是导致涡流位移传感器稳定性和分辨率不够高的一个主要来源。王洪波提出同时测量位移和温度的方法等，这些解决办法能改善温度稳定性，但可能会使硬件电路更为复杂，同时增加功耗，并引起线圈的进一步升温[13]。为改善灵敏度同时增强稳定性，可以降低被测物的电阻率，
【参考文献】：
期刊论文
[1]钢管厚度及分层自动超声检测工艺和校准方法研究[J]. 王哲,崔西明,濮海明,康宜华. 中国测试. 2017(03)
[2]柔性涡流阵列传感器的磁场计算分析[J]. 曹青松,毕彬杰,周继惠. 传感器与微系统. 2016(11)
[3]互扰对涡流阵列传感器裂纹检测性能影响[J]. 杜金强,何宇廷,李培源,武卫. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(11)
[4]冷拔轴承钢管生产质量缺陷分析与预防[J]. 任蜀焱,彭家国,杨宇曦,刘照华. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2012(03)
[5]基于涡流阵列的裂纹检测仿真分析[J]. 杜金强,何宇廷,丁华. 无损检测. 2011(07)
[6]基于单一轴向磁化的钢管高速漏磁检测方法[J]. 孙燕华,康宜华,石晓鹏. 机械工程学报. 2010(10)
[7]矿用钢丝绳在线监测系统及关键技术研究[J]. 何衍兴,申志兵,边学丛,梅甫定. 工业安全与环保. 2009(12)
[8]智能型电容式位移传感器的研制及应用[J]. 刘果. 水电自动化与大坝监测. 2006(03)
[9]激光三角法测量误差分析与精度提高研究[J]. 吴剑锋,王文,陈子辰. 机电工程. 2003(05)
[10]基于DSP技术的钢管内直径及内表面检测[J]. 伏燕军,杨坤涛. 光电工程. 2003(03)
博士论文
[1]钢管漏磁检测中的动生涡流影响机理及其应用[D]. 冯搏.华中科技大学 2016
[2]在役拉索金属截面积测量方法[D]. 袁建明.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统研究[D]. 王泽.广西师范大学 2019
[2]基于阵列脉冲涡流技术的位移测量系统及试验研究[D]. 申林坚.南昌航空大学 2018
[3]三角法激光位移传感器多模式测量方法研究[D]. 陈建华.杭州电子科技大学 2018
[4]钢管外扫查相控阵超声成像及其定量检测关键技术[D]. 袁军峰.浙江大学 2017
[5]多频涡流管道检测数据处理与成像软件设计[D]. 张芸.电子科技大学 2017
[6]双光路对称补偿的激光三角法位移测量系统[D]. 姜蕾.浙江大学 2017
[7]涡流传感器位移测量精度影响因素研究[D]. 李阳.大连理工大学 2016
[8]厚壁钢管缺陷多通道超声自动检测方法研究[D]. 马思远.北京理工大学 2016
[9]基于涡流阵列的钢管无损检测研究[D]. 高伟.哈尔滨工业大学 2015
[10]基于FPGA和ARM的二维激光位移测量技术研究[D]. 魏晓梅.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3544403
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