复杂断面重轨在线无损检测系统设计——涡流无损检测部分毕业设计论文(编辑修改稿)

复杂断面重轨在线无损检测系统设计——涡流无损检测部分毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

损检测技术 无损检测 (NonDesturctvieTesting， NDT)是检测技术的一个重要组成部分，又称非破内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 2 坏性检测。 它 是 在不破坏被检测对象物理化 学性能和几何完整性的情况 下，通过分析对象内部异常和缺陷 所引起的磁、电、光、声、热等反应的变化，确定缺陷的存在，掌握缺陷的特征并对其危害程度加以评价，进而有助于推测出剩余使用寿命、承载能力和安全系数等。 运用无损检测技术对产品进行质量检测，可以极大地降低成本、确保质量、提高寿命。 它在机械、建筑、铁道、石化等众多领域有广泛的应用，具有显著的社会效益和经济效益。 随着各种先进的检测方法不断出现，无损检测技术也处于不断的发展之中。 目前，对于裂纹缺陷的检测，通常有以下几种无损检测方法 ： (1)渗透检测 Perant Testing； (2)磁粉检测 Magic particle Testing； (3)射线检测 Radiographic Testing； (4)超声检测 Ultrasonic Testing； (5)涡流检测 Eddy current Testing。 这五种方法在不同时期都发挥了重要的作用，但在检测对象、适用范围、检测效果以及经济性等方面又各具特点 [2]。 磁粉检测 (MT) 利用被测材料磁化后损伤会改变磁力线的分布情况，显现出这些损伤。 主要是检测铁磁性材料的表面和近表面的缺陷。 检测灵敏度取决于磁化方法、磁化 电流、磁粉粒度等因素，通过目视磁粉在被测材料上分布情况来判定缺陷的形状和大小。 这种检测方法的优点是对工件形状无特殊要求，灵敏度高、速度快、能直接观察、操作方便，成本较低 ； 缺点是不能检验非铁磁性材料、不能发现内部缺陷、不能测定缺陷的深度，并且需要专门的磁化设备。 且试样表面的不平和痕迹也会对磁力线的走向产生影响。 因而，在应用这种方法时，应先对表面进行处理。 射线检测 (RT) 利用射线 (X 射线、 Y 射线、中子射线等 )穿过材料或工件时的强度衰减，检测其内部结构不连续性的技术称为射线检测。 射线主要检测工件内部的体积 型缺陷，比如孔、渣等，对平行于射线照射方向的有一定宽度的裂纹也可检出。 要求工件不能太厚，以铁内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 3 为例，最好不要超过 80 毫米，其它材料可以根据其衰减系数相应的加厚或减薄。 该方法成本最高，且射线对人体有一定的伤害，因此操作者除了必须懂得操作的规程外，还应有有效的保护措施及警告信号。 对于裂纹一类的缺陷，其灵敏性常常较低，必须两面通入。 超声检测 超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。 与射线 法相比，超声波法具有很多的优点 ； 首先它具有很强的穿透力，对于同种钢材来讲，超声波大约是 3m，而射线仅仅为 50cm； 其次，对于很小的伤痕也能够准确地测出来并进行定位，同时，配以一些自动扫描装置及微处理器计算机等设备，这项技术的应用则更为完善和丰富。 但是，超声检测对操作者的要求较高，对于一个很大的检测件来讲，一次只能检测很小的一部分。 因此，可以看出，超声检测主要检测工件内部的面积型缺陷，比如夹层、折叠、裂纹等，对体积型的缺陷也有一定的检出能力，但相对来说灵敏度要低一点。 成本较低，工作效率较高，但对检测操作人员有 相当高的要求，检测结果的准确与否，取决于检测人员的水平。 要求工件表面较光洁。 对于熟练地掌握 区别各类缺陷之间的不同点有一定的困难。 其最大的缺点就是需要用耦合 剂。 渗透检测 (TP) 利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，再通过显像剂将渗入的渗透剂吸出到表面显示缺陷的存在。 渗透检测无需电源，缺陷性质容易辨认 ，可检测任何金属和陶瓷材料的表面 开口缺陷，但不能检测内部缺陷。 对工件表面要求清洁和光洁，结果显示时间长 (在半小时以上 )。 涡流检测 (ET) 根据电磁感应原理，导电材料在交变磁场作用下 将产生涡流，导电材料的表面层和内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 近表面层的缺陷影响所产生涡流的大小和分布，因此，根据涡流的大小和分布可检验存在的缺陷。 涡流检测可检测各种导电材料表面和近表面的缺陷，但检测参数控制困难，检测结果难于解释。 常用于型材表面裂纹的检测。 重 轨部件在服役时，诱发断裂的疲劳裂纹总是从零件表面产生并逐渐向内部扩展而引起断裂 ； 焊缝 质量的判别一般也是从表面进行的。 因此两者均发生在零件的表面，缺陷特征属表面裂纹，因此对部件的表面裂纹进行检测是防止机件失效或破坏的有效措施。 表面裂纹检测属于无损检测的一个应用，针对重 轨部件的特点 ： 铁磁性材料，形状不规则，被油污和灰尘覆盖，通过对比分析目前无损检测五大常规方法，可以看出对于重 轨部件的裂纹和焊缝检测，采用涡流法有其独特的优点 ： （ 1） 与超声法相比，超声法需要耦合剂接触测量，耦合 剂对环境有一定的污染，且超声法对检测操作人员有相当高的要求，和要求工件表面较光洁，而涡流检测对这些要求较弱，超声法一般用于检测尺寸较大的试件。 （ 2） 与射线法相比，射线法成本太高，且射线需要放射源，现场使用中存在辐射性物质，对人体有一定的伤害，必须对检测人员进行防护，使用不便。 （ 3） 与磁粉法相比，磁粉法现场应用非 常简单，直接检测表面缺陷，但如被检工件表面有涂层或潮湿，检测可靠性将大为降低，所以必须先去除涂层，擦干表面。 （ 4） 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。 所以相比之下，涡流法对被检工件表面及近表面缺陷检测灵敏度高，具有快速、方便、无污染、成本低，在表面涂层、潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作，特别适合于检测 小尺寸物件、便于现场检测等优点。 所以从以上分析， 涡流法最适合于重轨设施表面裂纹的检测。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 涡流检测技术国内外发展现状 涡流检 测的研究现状 涡流检测方法是以电磁感应为基础的检测方法，原则上说，所有与电磁感应有关的影响因素，都可以作为涡流检测方法的检测对象。 而在电磁检测的理论研究中，确定导电材料中缺陷或裂纹的形状、大小和位置的问题，就其本质上来说属于电磁逆问题的求解。 电磁逆问题 (或反问题 )是相对于电磁场顺问题 (或正问题 )而言的、顺问题是指己知场源和缺陷参数来求解散射场的大小和分布，起着由因推果的作用，对顺问题的研究在理论上和应用上都比较成熟，至今仍占主导地位。 大多数的正向问题的数学模型 (定解问题 )有解且唯一，如果选择合适的计算方法， 一般情况下数值解是稳定的，即正向问题是适定的。 对正向问题的求解己有许多有效的计算方法，其代表性的方法有 ： 有限元法、时域有限差分法、矩量法、边界元法等。 与顺问题不同，逆问题则是利用有限个场点的散射场强来确定缺陷媒质及分布，起着由果推因的作用。 由于逆问题的复杂性，目前逆问题的理论基础还不是非常坚实，例如目标函数的选取及其求解方法的确定都需要从理论上予以澄清。 涡流法识别缺陷的检测装置包括场的发射、散射场的测量和数据处理三个部分。 从当前发表的文章看，电磁场逆问题的数值计算方法比较多，现介绍以下三种 ： 最优化方法 该方法的特点是反复求解顺问题来不断逼近目标函数的极小值，其计算顺序是先假定一组初始值，然后计算对应的顺问题，通过不断的调整初始值，使顺问题的解与己知测量值在某种数学意义下为最小 [13]。 遗传算法 遗传算法 是模拟自然界生物群优胜劣汰的进化过程而提出的，算法中包括选择、交叉和变异三部分。 遗传算法的特点是容易找到全局最优解，且不要求目标函数的连续可微性 [14]。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 人工神经网络方法 在确定缺陷时无需建立数学模型，通过大量的实例学习来识别缺陷，是一种唯像处理方法，比用其它数值方法快得多，但对于事先没有学习 过的缺陷则是无能为力。 与其它的无损检测技术一样，涡流检测也包括获取信号 (传感器 )、测量参数的选择、信号处理和结果显示。 人们也总是围绕这几个方面来开展研究，推动涡流检测技术的发展。 与这几方面相对应，涡流技术主要包括 ： 检测探头技术 (传感器技术 )、测量参数的CAD 优化技术、缺陷信号的处理技术以及显示技术 [9]。 传感器 (检测探头 )技术研究。 传感技术是检测技术的关键，近年来人们在传感器的数字模型、结构、几何尺寸自动优化、特征值的测定、有效屏蔽以及与计算机结合等方面进行了大量的研究。 针对管材涡流检测中常用探头的 不足，美国西屋科学技术中心的 Clark 设计了直规传感器。 他是将内通过式传感器分割成若干独立的小线圈，分别由计算机控制，当某一小线圈扫查到缺陷后，立即断开此线圈并继续行走到另一个小线圈发现缺陷，再由计算机对线圈空间距离进行计算得到缺陷的大小。 此时将传感器定位并变频测量以求得缺陷距表面的深度。 另外为了保持材料表面及近表面高检测灵敏度的同时，提高有效渗透深度， Clekrt 和 Metal于 1989 年设计了牛眼传感器。 其结构为同轴排列若干线圈，线圈之间被屏蔽，使之独立工作。 它的工作原理是首先对不同大小的线圈施以高频检查 ，当发现某种缺陷信号时，停止扫查并开始对各线圈以不同频率检测缺陷的深度。 测量参数的优化技术 ： 通过研究传感器的磁场特征从而对传感器结构以及测量参数实现优化，这也是涡流检测的一个重要的研究方向。 有限元法是研究这一个方向的基本手段，目前取得了很大的进展。 近几年， TFollno 等人将有限元法和遗传算法结合，对传感器的几何参数和测量参数进行了优化。 结果显示，该方法优化设计的传感器与经验法相比，灵敏度和线性度都有了明显的提高。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 信号获取和处理技术 ： 信号的获取及其处理决定了检测设备的总体 J 险能，近年来随着电子技 术特别是计算机技术的飞速发展，信号处理成为涡流理论研究进展最快的方面。 这极大的推进了涡流无损检测从定性分析到定量分析的演变。 从国内外发表的论文看当前对涡流信号处理的新方法研究比较多的是小波分析技术和人工神经网络技术。 小波分析是现代信号处理的新技术，它的多尺度的特性在对无损检测中信号的去噪和边缘检测具有相当好的效果，为定量识别缺陷提供了依据。 而人工神经网络技术由于其集知识表示、存储和计算功能的插值系统的优点，在涡流检测定量化中具有独特的优势。 涡流检测的发展方向与未来展望 涡流检测探头是检测设备 的关键器件，目前，有关探头设计的理论研究尚不充分，探头的制作多是凭经验或依据实验进行。 通过理论分析来进行探头的设计是很重要的研究课题。 有必要加紧研制适合各种应用场合的高性能新式探头。 涡流检测技术对缺陷大小形状的三维评价是产品质量不断提高的必然要求，因此涡流检测三维成像是今后要求的发展方向。 涡流 /超声一体化检测技术。 由于超声、射线属内部件检测，对材料内部深层和亚表面缺陷较为敏感，这正是涡流比较难检测到的，而涡流对表面及近表面比较敏感，使它们能相互弥补各自的缺点。 研究将涡流场的分布和等效电路阻 抗有机结合的问题，涡流阻抗的变化实质上是由试件中涡流场的分布和大小的变化所引起的，应研究不同的场是如何影响阻抗的特性，阻抗特性是如何反映涡流场以及被测体测量特征的。 充分利用迅速发展的电子技术和微电子技术，研制出更为智能化的涡流检测仪。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 第二章 涡流检测理论基础 涡流检测基本原理 涡流检测就是运用电磁感应原理，将正弦波电流通入探头激励线圈，当探头接近金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。 对于平板金属，感应电流的流向是以线圈同心的圆形，形似旋涡，称为涡流。 同时涡流也产生相同频率的磁场 ，其方向与线圈磁场方向相反。 如图 21 所示。 涡流通道的损耗电阻，以及涡流产生的反磁通，又反射到探头线圈，改变了线圈的电流大小及相位，即改变了线圈的阻抗。 因此，探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线圈阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷 或其它物理性质变化 [1][2]。 I 1I 2σ 1σ 2eX 图 21 涡流检测的原理 检测线圈的阻抗变化可用如下函数式来描述 ： Z=F(μ，σ ， x， i， n， f， r) 式中 Z一检测线圈的阻抗 ； μ 一被测导体的导磁率 ； σ 一被测导体的导电率 ； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 x一检测线圈与被测导体的距离 ； i一通过检测线圈的激励电流强度 ； n一与检测线圈匝数、形状、尺寸有关的因子 ； f一检测线圈激励电源的交变频率 ； r 一与被测体几何形状、尺寸、缺陷状况有关的尺寸因子。 影响涡流场的因素有很多，诸如探头线圈与被测材料的耦合 程度，材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。 因此，利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚、分选等问题。 如果控制上式中的某些参数恒定不变，而 只改变其中的一个参数，这样阻抗就成为 这个参数的单值函数。 因此，通过测定线圈阻抗的变化，就可以引出金。