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电涡流是一种古老的物理现象，随着近代电子技术的发展，沧州欧谱人们利用电涡流效应发展了一种新型的无接触检测方法。电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量的线性范围大、不受油污等介质影响、抗干扰能力强等优点，在各个工业部门得到广泛的应用，用来测量位移、厚度、尺寸、振动、转速、压力、电导率、温度、硬度等参数以及探测金属表面的裂纹和缺陷。 多频检测技术是Libby(美国)于1970年首先提出的，该方法采用对电涡流检测线圈施加几个频率激励信号同时工作，能成功地抑制多个干扰因素，提取所需信号。电涡流传感器的工作原理是通过对处于检测线圈形成的电磁场中的工件及周围空间区域列出麦克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈的阻抗特性的变化与被检工件受影响因素之间的关系。即涡流检测线圈的阻抗可以用函数 Z=F(δ，μ，r，ω，U，d，t)表示。其中δ为电导率，μ为导磁率，r、t、d为尺寸因子，U、ω为激励源电压及频率。金属体中所产生的电涡流与电路激励源的频率有关，而且成非线性关系，即对应于不同的激励源频率线圈中电抗构成的函数互不相关。因此如果已知函数Z中某些参数或控制某些参数不变而施加 n个不同频率的激励源，依靠得到的检测线圈不同的电压输出值就可以求得n个未知的待求量，即由n个独立的方程求解n个未知量，从而实现多频率多参数的检测。 2 问题的提出 电涡流传感器检测电路一般如图2—1所示，调节可变电容的值C，沧州欧谱使电路达到谐振，其谐振频率为： ，其电抗为：Z=jωL/(1-ω2 LC)。若把测量线圈接于图2—1的电路中，则得线圈输出电压为： (其中U0为激励源电压，U为测量线圈输出电压) 对上式两边取绝对值并对L求一阶导数得： 由式(2—1)和式(2—2)可画出|U|关于λ的曲线，对于给定的电路，λ与L是线性关系，因此，|U|关于λ的曲线等效于|U|关于L的曲线，如图2—2所示。图2—2中L0为电路谐振点。由于L0点附近，d|U|/dL的值比较小，即|U|的变化率比较小，测量灵敏度较低，因此，通常调节工作频率ω，使得测量线圈工作时变化在Ls～Le之间，以获得较高的测量灵敏度。 3 工作频率的选择 对于一个线圈来说，在缠绕制作的过程中其电感量的数值一般不好确定，只能凭经验估计出其大致数值，而涡流的深度又主要由线圈的固有特性和工作频率决定，当一个线圈做好之后，其固有特性基本不变，那么就需要选取一个合适的频率来满足测量的需要。 以利用电涡流传感器测量钢板裂纹为例来说明，为了提高测量的灵敏度，希望涡流的深度刚好比典型裂纹的深度最大值稍大一点点，以提高测量精度，却又不影响测量范围。 由于是非接触测量，那么测量线圈与钢板之间就必然存在间距，沧州欧谱而这个间距一方面不容易控制为恒值，另一方面又影响着测量线圈的输出值。为了将间距与钢板裂纹深度分离开来，笔者采用双工作频率双参数测量，一方面使得裂纹深度的测量不受间距的影响，另一方面可根据测得的间距值反过来把间距控制在一定范围之内使得测量线圈工作在其线性范围之内。电涡流传感器的输出电压在不同工作频率激励下与测量线圈电感量的关系如图3—1所示。图中曲线l1为测量电路工作在激励频率为ω1时的U～L曲线，l2为测量电路工作在激励频率为ω2时的U～L曲线。其中ω1<ω2。这样测量线圈在Ls～Le之间变化时，测量电路无论工作于频率为ω1激励源情况下，还是工作在频率为ω2激励源情况下，均有较为线性的输出。 其频率的选择方法是：把测量线圈正对于钢板裂纹深度最大值处，来回缓慢移动测量线圈，同时调节激励信号频率观察测量线圈的输出电压值，电压变化最大时的工作频率即为理想工作频率。通过实验得到测量的理想工作频率大约为110 kHz，鉴于双参数测量，为使测量效果均衡，需要使实际工作频率一个大于110 kHz，一个小于100 kHz。众所周知方波中含有奇次谐波，且频率、幅值较稳定，因此选用频率为100 kHz的方波作为测量电路的激励源。这样测量电路工作频率为100 kHz，300 kHz，900 kHz等。由于谐波次数越高，其幅值越小，因此工作频率主要是100 kHz和300 kHz。其中100 kHz激励源主要用于产生能穿透钢板至裂纹处的磁场，以实现对裂纹深度的检测;300 kHz激励源则由于其频率较高，在测量过程中，所产生的电涡流主要集中在钢板的表层，主要用来消除传感头与钢板表层的间距对检测所产生的负面影响。 4 电阻值的选择 由式(2—1)可知，仅仅把激励信号加到检测线圈上，即R=0，那是无法检测出所需要检测的物理量，因为虽然在检测过程中测量线圈的电感量有变化，但检测谐振电路上的压降和参考谐振电路上的压降均为激励电压源的电压值，那么输出将永远为零。若分压电阻R不为零，则测量线圈的电感量变化时，测量电路的输出将随着测量线圈电感量的变化而变化，即被测物理量能从测量电路的输出信号中表现出来。从式(2—1)中又可看出，分压电阻的阻值也将影响测量的灵敏度，因此需要选择一个合适的R值，使测量灵敏度达到最高，即使dU/dL的值最大，为此，将式(2—1)对R求一阶偏导数，并令其为零得： 此即为对应于ω的理想分压电阻阻值。 由于采用双工作频率测量，有效测量频率是两个，即100 kHz和300 kHz，巴氏硬度计http://www.bashiyingduji.com 因此，为使测量效果均衡，选用分压电阻阻值为： 其中Ls为测量线圈在测量过程中电感量所能达到的最小值;Le为所能达到的最大值; 5 结 论 在电涡流无损检测中，检测电路参数的优化对检测效果的影响很大，如果设计不当，无论其后继的信号调理电路以及微机控制电路设计的如何精妙，也会使检测达不到预期的效果，甚至会使检测根本无法进行。所以它是整个检测过程中最关键的环节之一。笔者通过反复实践发现采用上述方法确定涡流传感器检测电路的参数可以尽可能地提高测量精度，获得较好的测量较果。在对钢板裂纹深度的检测中，发现一旦裂纹的深度超过一定限度，由集肤效应可知激励源频率也相应降到一定幅值，此时传感器输出电压的幅值变化很微小，检测灵敏度变得很低，这时采用对输出电压幅值的检测，效果会很差，而采用对输出电压相位的检测会大大提高检测灵敏度。 |
