基于单线圈涡流的金属厚度及电导率测量方法的研究
发布时间：2021-11-20 23:37
测厚仪是板带轧制生产过程中必不可少的测量设备,为轧机控制系统提供反馈信息,可以保证产品的质量达到所要求的厚度,电导率测量可用于对板材材质的分选。针对工业轧制现场对生产出板材厚度的要求,目前应用于实际的非接触式测厚传感器和测量方法各自都存在着使用局限性。所以为了研究出一种用于轧机的测量速度快、成本低的测量方法,本文提出采用单线圈涡流对不同特性的板材厚度及电导率进行测量,在分析单线圈涡流检测原理以及相关技术方法进行研究与分析的基础上,设计了单线圈涡流检测装置,主要的工作以及结论包括:1、本文在深入了解国内外涡流检测技术发展状况的基础上,研究分析了涡流检测理论,在研究单线圈圆柱形探头设计方法的过程中,分析了线圈参数变化对磁感应强度的影响,并对涡流检测的等效电路和线圈阻抗进行研究,为涡流检测单线圈传感器的设计提供了理论依据。利用ANSYS中的Maxwell软件建立单线圈涡流检测金属厚度的有限元仿真模型,对单线圈构成的涡流探头参数变化对金属厚度测量的影响进行有限元仿真分析,根据感应电压差分信号并结合测厚灵敏度选择得到了较为合理的线圈参数,作为最终设计涡流检测线圈探头的理论依据。然后分别利用有限元...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
涡流检测原理图
涡流检测技术的理论分析11图2-2单匝线圈磁感应强度分析图Fig.2-1Analysisdiagramofmagneticinductionintensityofsingleturncoil由毕奥-萨伐尔定律可知，单匝线圈中的激励电流I在轴线上任意一点P产生的磁感应强度B可用公式表示为[53]：203/2222zIB（2-3）式中，0为真空磁导率，它的值为4*10-7T*m/A；I为线圈中的电流；为线圈直径；z为线圈轴线上某一点P与线圈中心点A之间的距离。为分析线圈参数变化对磁感应强度变化的影响，保持激励电流I为100A不变，根据公式（2-3），得出单匝线圈不同直径下的轴线上某一点的磁感应强度随距离变化曲线如图2-3所示。图2-3磁感应强度-距离变化曲线图Fig.2-3Magneticinductionintensity-distancecurves分析图2-3可知，在距离线圈中心点较近的位置时，直径较小的线圈产生的磁感应强度较大，灵敏度较高，线圈直径较大的线圈磁感应强度相对较低且灵敏度较低，但是直径0246810121416182000.20.40.60.811.21.4x10-4z（距离）/mmB(磁感应强度/T)Φ=5mmΦ=10mmΦ=15mmΦ=20mmΦ=25mmΦ=30mm
西安理工大学硕士学位论文14与电导率这些难以被直接获得的被测量，通过与其相关的线圈阻抗或感应电压的变化来与之对应表达，最终通过拟合两者之间的多项式，逆向求解计算金属板材的厚度与电导率。所以本文首先研究单线圈涡流检测系统的等效电路模型，然后对等效电路中线圈的电阻和电感进行分析，找到可以实现单线圈涡流测量板材厚度与电导率的方法。（1）涡流检测的等效电路为了研究线圈探头的阻抗与被测金属板材的厚度、电导率、被测板材与线圈探头之间提离的关系，本文采用等效电路的方法来对涡流检测模型进行分析，如图2-6。在未放置被测板材的情况下，把线圈探头部分可以看做是由一定大小的电阻和电感串联；当有被测板材存在时，可以将板材当成一个短路环，线圈会与被测板材上的涡流等效成的短路环产生磁耦合，从而可以得到涡流检测等效电路。图中U为线圈的激励电压；Ra为线圈探头的电阻；La为线圈探头的电感；Rb为被测板材的电阻；Lb为被测板材的电感；M是线圈探头与被测板材之间的互感。图2-6涡流检测等效电路图Fig.2-6Equivalentcircuitdiagramofeddycurrenttesting（2）涡流线圈探头的阻抗分析结合基尔霍夫定律，通过分析图2-6中的涡流线圈检测金属板材的等效电路，可以得出以下关系式：0aaaabbbbbaRIjwLIjwMIURIjwLIjwMI（2-7）其中线圈与板材之间的互感系数M的大小取决于两者之间的提离大小，M会随提离的增大而减小[54]。根据方程组（2-7）可以得出线圈中电流Ia和被测板材中的电流Ib：22222222aababbbbbUIwMwMRRjwLwLRwLRwL（2-8）2122bababbbbbMIMwLIjwMRIIjwRjwLRwL（2-9）由此可得到线圈在被测板材存在情况下的等效阻抗为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS有限元方法的低频涡流检测仿真[J]. 张玉宝,胡树丞. 传感器与微系统. 2020(03)
[2]脉冲涡流检测激励参数和激励线圈参数的优化设计[J]. 宫昊,郝宪锋,王安泉,孙伟峰,戴永寿. 无损检测. 2020(03)
[3]涡流渗透深度影响因素分析[J]. 王闯龙,武美先,张东利,姜禄,佟宇. 河南科技大学学报(自然科学版). 2020(03)
[4]涡流检测磁化管道时频率对线圈阻抗的影响[J]. 赵云利,于铁成,周群,王金星. 无损检测. 2019(01)
[5]电涡流相位梯度及其在导电材料缺陷识别中的应用[J]. 张荣华,叶松,马明,赵倩,王化祥. 仪器仪表学报. 2018(10)
[6]基于ANSYS电涡流测厚线圈的优化设计[J]. 王志春,张楼成,袁小健. 仪表技术与传感器. 2017(04)
[7]电涡流传感器探头线圈的参数化设计与制造[J]. 黄云龙,谢振宇,张浩,张晓阳. 机械与电子. 2017(03)
[8]基于涡流传感器的非接触式金属板厚度测量系统[J]. 李文涛,刘志伟,王志春. 科学技术与工程. 2016(15)
[9]金属板材厚度涡流检测仿真分析[J]. 曹渤,朱胜男,王悦,李一,吴晶. 现代制造技术与装备. 2015(06)
[10]包覆层管道内壁局部腐蚀脉冲涡流检测探头的性能比较[J]. 陈定岳,赖圣,陈虎,蔚道祥,付跃文. 无损检测. 2015(08)
博士论文
[1]高精度高稳定性电涡流传感器的研究[D]. 李伟.中国科学技术大学 2018
[2]带包覆层管道壁厚减薄脉冲涡流检测理论与方法[D]. 徐志远.华中科技大学 2012
[3]基于场—路耦合模型的涡流探头设计及提离干扰抑制方法研究[D]. 张玉华.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]薄层电导率涡流传感器线圈的分析与优化设计[D]. 文兰.西安理工大学 2019
[2]飞机多层金属铆接结构阵列脉冲涡流检测技术研究[D]. 后雪冰.南昌航空大学 2019
[3]金属电导率电涡流检测方法研究[D]. 王翠苹.中国矿业大学 2019
[4]脉冲涡流传感器的设计与研制[D]. 赵桐.电子科技大学 2019
[5]阵列式涡流相位传感器及其成像方法研究[D]. 叶松.天津工业大学 2019
[6]基于脉冲涡流的金属厚度和电导率测量方法研究[D]. 夏蕊.西安理工大学 2018
[7]脉冲激励下的涡流相位谱分析方法研究[D]. 钱红亮.天津工业大学 2018
[8]多层导电结构脉冲涡流检测信号处理和内部缺陷判别方法研究[D]. 骆旭伟.浙江大学 2018
[9]双线圈脉冲涡流测厚方法的研究[D]. 陈钰.西安理工大学 2017
[10]涡流检测系统设计与信号处理算法研究[D]. 庞磊.中北大学 2015
本文编号：3508311
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
涡流检测原理图
涡流检测技术的理论分析11图2-2单匝线圈磁感应强度分析图Fig.2-1Analysisdiagramofmagneticinductionintensityofsingleturncoil由毕奥-萨伐尔定律可知，单匝线圈中的激励电流I在轴线上任意一点P产生的磁感应强度B可用公式表示为[53]：203/2222zIB（2-3）式中，0为真空磁导率，它的值为4*10-7T*m/A；I为线圈中的电流；为线圈直径；z为线圈轴线上某一点P与线圈中心点A之间的距离。为分析线圈参数变化对磁感应强度变化的影响，保持激励电流I为100A不变，根据公式（2-3），得出单匝线圈不同直径下的轴线上某一点的磁感应强度随距离变化曲线如图2-3所示。图2-3磁感应强度-距离变化曲线图Fig.2-3Magneticinductionintensity-distancecurves分析图2-3可知，在距离线圈中心点较近的位置时，直径较小的线圈产生的磁感应强度较大，灵敏度较高，线圈直径较大的线圈磁感应强度相对较低且灵敏度较低，但是直径0246810121416182000.20.40.60.811.21.4x10-4z（距离）/mmB(磁感应强度/T)Φ=5mmΦ=10mmΦ=15mmΦ=20mmΦ=25mmΦ=30mm
西安理工大学硕士学位论文14与电导率这些难以被直接获得的被测量，通过与其相关的线圈阻抗或感应电压的变化来与之对应表达，最终通过拟合两者之间的多项式，逆向求解计算金属板材的厚度与电导率。所以本文首先研究单线圈涡流检测系统的等效电路模型，然后对等效电路中线圈的电阻和电感进行分析，找到可以实现单线圈涡流测量板材厚度与电导率的方法。（1）涡流检测的等效电路为了研究线圈探头的阻抗与被测金属板材的厚度、电导率、被测板材与线圈探头之间提离的关系，本文采用等效电路的方法来对涡流检测模型进行分析，如图2-6。在未放置被测板材的情况下，把线圈探头部分可以看做是由一定大小的电阻和电感串联；当有被测板材存在时，可以将板材当成一个短路环，线圈会与被测板材上的涡流等效成的短路环产生磁耦合，从而可以得到涡流检测等效电路。图中U为线圈的激励电压；Ra为线圈探头的电阻；La为线圈探头的电感；Rb为被测板材的电阻；Lb为被测板材的电感；M是线圈探头与被测板材之间的互感。图2-6涡流检测等效电路图Fig.2-6Equivalentcircuitdiagramofeddycurrenttesting（2）涡流线圈探头的阻抗分析结合基尔霍夫定律，通过分析图2-6中的涡流线圈检测金属板材的等效电路，可以得出以下关系式：0aaaabbbbbaRIjwLIjwMIURIjwLIjwMI（2-7）其中线圈与板材之间的互感系数M的大小取决于两者之间的提离大小，M会随提离的增大而减小[54]。根据方程组（2-7）可以得出线圈中电流Ia和被测板材中的电流Ib：22222222aababbbbbUIwMwMRRjwLwLRwLRwL（2-8）2122bababbbbbMIMwLIjwMRIIjwRjwLRwL（2-9）由此可得到线圈在被测板材存在情况下的等效阻抗为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS有限元方法的低频涡流检测仿真[J]. 张玉宝,胡树丞. 传感器与微系统. 2020(03)
[2]脉冲涡流检测激励参数和激励线圈参数的优化设计[J]. 宫昊,郝宪锋,王安泉,孙伟峰,戴永寿. 无损检测. 2020(03)
[3]涡流渗透深度影响因素分析[J]. 王闯龙,武美先,张东利,姜禄,佟宇. 河南科技大学学报(自然科学版). 2020(03)
[4]涡流检测磁化管道时频率对线圈阻抗的影响[J]. 赵云利,于铁成,周群,王金星. 无损检测. 2019(01)
[5]电涡流相位梯度及其在导电材料缺陷识别中的应用[J]. 张荣华,叶松,马明,赵倩,王化祥. 仪器仪表学报. 2018(10)
[6]基于ANSYS电涡流测厚线圈的优化设计[J]. 王志春,张楼成,袁小健. 仪表技术与传感器. 2017(04)
[7]电涡流传感器探头线圈的参数化设计与制造[J]. 黄云龙,谢振宇,张浩,张晓阳. 机械与电子. 2017(03)
[8]基于涡流传感器的非接触式金属板厚度测量系统[J]. 李文涛,刘志伟,王志春. 科学技术与工程. 2016(15)
[9]金属板材厚度涡流检测仿真分析[J]. 曹渤,朱胜男,王悦,李一,吴晶. 现代制造技术与装备. 2015(06)
[10]包覆层管道内壁局部腐蚀脉冲涡流检测探头的性能比较[J]. 陈定岳,赖圣,陈虎,蔚道祥,付跃文. 无损检测. 2015(08)
博士论文
[1]高精度高稳定性电涡流传感器的研究[D]. 李伟.中国科学技术大学 2018
[2]带包覆层管道壁厚减薄脉冲涡流检测理论与方法[D]. 徐志远.华中科技大学 2012
[3]基于场—路耦合模型的涡流探头设计及提离干扰抑制方法研究[D]. 张玉华.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]薄层电导率涡流传感器线圈的分析与优化设计[D]. 文兰.西安理工大学 2019
[2]飞机多层金属铆接结构阵列脉冲涡流检测技术研究[D]. 后雪冰.南昌航空大学 2019
[3]金属电导率电涡流检测方法研究[D]. 王翠苹.中国矿业大学 2019
[4]脉冲涡流传感器的设计与研制[D]. 赵桐.电子科技大学 2019
[5]阵列式涡流相位传感器及其成像方法研究[D]. 叶松.天津工业大学 2019
[6]基于脉冲涡流的金属厚度和电导率测量方法研究[D]. 夏蕊.西安理工大学 2018
[7]脉冲激励下的涡流相位谱分析方法研究[D]. 钱红亮.天津工业大学 2018
[8]多层导电结构脉冲涡流检测信号处理和内部缺陷判别方法研究[D]. 骆旭伟.浙江大学 2018
[9]双线圈脉冲涡流测厚方法的研究[D]. 陈钰.西安理工大学 2017
[10]涡流检测系统设计与信号处理算法研究[D]. 庞磊.中北大学 2015
本文编号：3508311
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