基于FLASH软件对涡流检测实验原理模块的研究与制作

XX 大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目目： 基于基于 Flash 软件对涡流检测原理模块软件对涡流检测原理模块 的的研究与制作研究与制作 学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称：专业名称：测控技术与仪器测控技术与仪器 班级学号：班级学号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二 Oxx 年年 六六月月 基于基于 FLASHFLASH 软件对涡流检测原理模块的研究与制作软件对涡流检测原理模块的研究与制作 摘要摘要：目前，以计算机技术为基础的大学生物理仿真实验已经成为各大高校实验 教学的一个新亮点。仿真实验是利用计算机软件模拟现实世界而创建的一个可视 化操作环境，在这种模拟现实的实验室中，人们可以进行各种实验，达到与真实 实验相一致的教学成果。近年来，由于高校扩大招生规模，繁重的实验与有限的 实验场地、器材已形成鲜明对比，实验教学效果远达不到预期。为了提高实验教 学效果，丰富教学内容，本文提出“基于 FLASH 软件对涡流检测原理模块的研究 与制作”。 涡流检测原理实验研究与制作通过利用计算机软件在虚拟环境里阐述涡流检 测的实验原理。利用 flash 软件强大的动画编辑功能，制作涡流检测实验过程中 涉及到的各类元器件，将实验以图形化技术真实的模拟出来，构建成一个完整的 实验。学习者可以通过观看 flash 动画，轻松的了解涡流检测实验的全部过程， 从而达到提高教学效果的目的。由于涡流检测实验中涉及到大量的电路，为了使 学习者更加深入的学习涡流检测实验， 此次设计还利用 multisim 电路仿真软件对 涡流检测实验进行更深一步的拓展，帮助实验教学，提高教学效率，优化教学成 果。基于 flash 软件对涡流检测原理模块的研究与制作的实验项目有：涡流检测 原理、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量、电导率的测量、涡流探伤。 关键词：仿真实验涡流检测Flash 动画 TheprinciplesofEddyCurrentmodulesResearchandproduction basedontheFLASHsoftware Abstract:Abstract: Currently,Computer technology as the basis of the students physical simulation experiment has become a new bright spot major colleges and universities experiment teaching.Simulation experiment using computer software to simulate the real world and create a visual operating environment, in this simulation reality lab, people can make various experiments, to coincide with the real test Teaching Achievements.In recent years, Colleges to expand the enrollment scale, heavy experiments with limited experimental site, and the equipment has been in stark contrast, was well short the expected effect of experiment teaching.In order to improve the effectiveness of experimental teaching,and enrich teaching content, we propose the view of “The principles of Eddy Current modules Research and production based on the FLASH software”. Eddy Current research and production of principle experiment by using computer software described experimental principle eddy current in a virtual environment.To use of the flash software powerful animation editing features,to product warious components during the current experiments,simulated the experimental technique to graphically,to construct a complete experiment.Learners can view flash animation, easy to understand the whole process of eddy current of the experiment, to achieve the the purpose of improving teaching effectiveness.Due to eddy current experiment involves a large number of circuits ,and in order to make learners more in-depth study eddy currents detection experiments,the design will also uses multisim circuit simulation software for eddy current experiment make a deeper development,To help experimental teaching, improve teaching efficiency, and optimize teaching results.The principles of eddy current modules research and production based on the flash software experiment project has:The Eddy Current principles, Measured the cylindrical specimens the internal field Through the coil ,Conductivity Measurement and the Eddy current testing. KeywordKeyword:simulation experimentEddy Current TestingFlash animations 目录 1、绪论.1 1.1、课题研究背景. 1 1.2、课题研究的意义. 2 1.3、国内外研究现状. 2 1.4、课题主要研究内容. 3 2、课题涉及软件介绍.4 2.1、Flash8.0 软件介绍 4 2.2、multisim 软件介绍 5 3、涡流检测实验研究及元器件分析提取.7 3.1、涡流检测原理实验. 7 3.2、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量实验. 8 3.3、电导率的测量实验.10 3.4、涡流探伤实验.12 4、涡流检测实验制作.14 4.1、涡流检测原理实验制作. 14 4.2、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量. 19 4.3、电导率的测量.22 4.4、涡流探伤仿真实验动画的制作. 24 5、仿真动画及仿真电路效果分析 28 5.1、涡流检测原理仿真动画效果分析. 28 5.2、穿过式线圈内部圆柱试件磁场的测量仿真动画效果分析和电路仿真. 28 5.3、电导率的测量电路仿真分析. 29 5.4、涡流探伤实验仿真动画分析. 30 6、总结与展望 31 6.1、总结.31 6.2、展望.32 参考文献.33 致谢.34 附录.35 1 1 1、绪论、绪论 无损检测是工业发展最重要的工具之一，在工业发展中起着极其重要的作用， 把握着工程质量的核心，推动着工业的发展。但是，近年来，由于我国各大高校 的扩招，有限的实验场地已经无法满足技术人员的需求，教学成本的投入与实际 发展已经不同步，因此寻找新的实验教学方法辅助实验教学已经迫在眉睫。仿真 实验室是近年来流行于全球各大高校的新的教学辅助设施，它能完美的模拟现实 中的实验，得到与现实实验相一致的结果，既节约了教学成本的投入，又为实验 教学开辟了一条新的路径 1。 将仿真实验应用在无损检测实验教学中， 不仅能解决 无损检测设备不足的问题，而且对无损检测数字话有进一步提高的作用。Flash 软件具有强大的动画编辑功能。设计者可以利用 flash 随心所欲的设计出高品质 的动画，将动画、声音以及其他一些信息完美的融合在一起 2。利用 flash 软件对 无损检测中五大常规检测之一的涡流检测实验进行制作，不仅可以解决因涡流实 验仪器价格高昂所带来的实验教学学时不足的问题，而且可以在课堂教学时，更 加生动形象的阐述涡流实验原理，非常有效的提高教学的效果，更好的教授无损 检测技术知识，促进无损检测行业的发展。 现代科学技术的发展，新的辅助教学设施的引用，必将加快无损检测这一门 综合性科学技术的进步。 1.11.1、课题研究背景、课题研究背景 1982 年， 经原航空工业部高等教育司的批准， 以机械制造工艺与设备专业 （无 损检测专门化）的名义，我校开始招收无损检测专业学生，1984 年终于经原国家 教委的批准，在南昌航空大学设置“无损检测”本科专业，并正式列入高等教育 本科专业目录，目录编号为：“军（0602）（试办）无损检测”三十年来， 南昌航空大学无损检测教育得到了迅速发展，从专业创办至今，办学规模不断扩 大，办学水平逐步提高，为各行各业培养和输送了急需的无损检测专业人才，为 我国现代化建设作出了应有的贡献 3。 但进入二十一世纪以来，随着信息化时代的来临，多媒体进入人们的日常生 活中，也成为了一种新型的教学手段，运用到了实验教学中，教育部关于加强 高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见明确指出：“在教学活动中应 2 用现代信息技术是提高本科教学质量的重要手段和措施。”可见，新的教学模式 已在不断的改进着传统的教学模式。 由我校唐继红老师主编的无损检测实验教材是国家“十二五”规划教材， 该教材被全国各大高校无损检测专业认可，并用于实验教学中。但各大高校由于 实验场地、实验器材以及其他一系列原因的限制，该教材无法很好的发挥它的作 用，为了让该教材发挥出发的全部功能，为其做相应的仿真实验极其有必要 4。 1.21.2、课题研究的意义、课题研究的意义 基于 flash 软件，对无损检测实验教材中涡流检测实验原理进行研究与 制作，将制作好的 flash 仿真实验，嵌入到涡流检测实验教学的课件中，应用到 涡流检测实验教学中，这对于学习无损检测技术的学员来说将会有很大的帮助， 可以帮助学员更加透彻的学习涡流检测实验原理，更加清晰的了解涡流检测实验 的实验步骤，为实际操作涡流检测实验打下一个良好的基础，帮助学员更快、更 好的掌握涡流检测实验的全部内容。这样，一方面避免了因实验场地、器材甚至 是时间安排不足而造成的学员技术学习不到位的情况发生，另一方面，也节约了 大量的人力、物力，保证教学质量的同时也减少了教学成本的投入，为我过现代 化教学做出应有的贡献。 应用仿真实验辅助实验教学，改变了以往传统的教学模式，学生在这样的模 式下学习，能够很快的找到自己的学习状态，教师也可以结合实际，深入浅出的 对实验进行理论讲解，提高教学效率。因此，涡流仿真实验不仅对学员学习无损 检测知识有非常大的帮助，也对高校课堂实验教学质量意义非凡。 1.31.3、国内外研究现状、国内外研究现状 虚拟实验室(Virtuallaboratory)的概念，最早是由美国的 WilliamWolf 教授于 1989 年提出，是用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境，Wolf 教 授形象的把虚拟实验室称为“有围墙的研究中心”。但是，随着计算机技术的快 速发展以及全球信息化的不断深入， 虚拟实验室已经不仅仅局限于其原有的范畴， 现在已经逐渐的成为了一种崭新的教学模式。所谓的虚拟实验室，就是利用计算 机技术，进行虚拟技术仿真，构建虚拟的实验环境，通过鼠标的拖动、点击，在 这个虚拟环境里面进行各种虚拟实验 5。 如今，在国内就有许多高校结合计算机技术，通过 flash 软件以及其他的一 3 些辅助软件，例如 CAD,做出一系列的动画效果，这样实验者就可以像是在实际环 境中一样完成各种预期的实验项目，这样所取得的效果与实际环境进行实验是一 致的。因此，如今在国内，越来越多的高校都根据自身的教学需求建立仿真实验 室，据了解，目前典型的有：清华大学，中国科技大学在仿真实验室的建设和使 用方面形成的如物理实验软件，广播电视大学物理仿真实验、几何光学设计实验 平台、大学物理仿真实验远程教学系统，同济大学建筑学院的可以对建筑景观、 结构进行仿真显示实验室等。其中清华大学在远场涡流的管道裂纹检测方法有限 元仿真研究中就取得了较好的成绩 6。 1.41.4、课题主要研究内容、课题主要研究内容 本次课题主要研究涡流检测实验，实验由来是南昌航空大学唐继红老师主编 的国家“十二五”规划教材无损检测实验，其中的涡流检测部分。通过 flash 软件的图案编辑功能对实验中需要用到的实验元件进行制作，并分类整理，再通 过 flash 的动画编辑功能，将各类元器件制作成相应的动画，最终达到阐述完整 涡流实验的目的。 对涡流检测实验中的部分以电路为主的实验，通过 multisim 电路仿真软件对 其中涉及到的电路进行仿真，并调试，这样更加直观的表现出电路的原理，从而 描述完整的涡流检测实验。 4 2 2、课题涉及软件介绍、课题涉及软件介绍 2.12.1、Flash8.0Flash8.0 软件介绍软件介绍 Flash 是 Macromedia 公司的一个网页交互式动画制作工具，是一款优秀的矢 量动画编辑软件，其中 Flash8.0 是其最新版本。这款矢量图形的交互式多媒体动 画创作软件，主要用于多媒体创作和网页设计等领域，它是通过场景、按钮、层、 帧、符号等一系列的组合，可以将声效、动画以及其他一些界面融合在一起，制 作出形式简单但是内容丰富的动画。在 flash 中每一个画面被成为帧，每一帧在 时间轴上有小方格表示，每一个小方格就是一帧。这些帧中所包含的画面，按照 操作者的设定，画面按照每秒几帧到十几帧的速度连续播放，利用人类视觉暂留 的原理，这些画面就会串联成动画。与此同时，flash 软件具有强大的动作脚本 语言 Action Script,它包括常量、变量、运算符、表达式、动作、对象和电影剪 辑等等，这使得 flash 成为典型的时间驱动和面向对象编程的软件 7。 Flash 软件常用面板介绍： 图 2-1flash 常用工具面板图 2-2flash 其他常用功能窗口 1：选择工具2：任意变形工具3：线条工具 4：钢笔工具5：椭圆工具6：铅笔工具 7:墨水瓶工具8：滴管工具9：手形工具 10：笔触颜色11：部分选取工具12：填充变形工具 13：套索工具14：文本工具15：矩形工具 16：刷子工具17：颜料桶工具18：橡皮擦工具 19：缩放工具20：填充色21：舞台 22：时间轴23：帧频 5 Flash8.0 具有强大的矢量动画绘制功能，同时也具有很好的图片绘制功能， 用 flash 设计仿真实验有以下几大优势： 1、flash 可以对图形进行任意变形，比如绘制一条直线后，选择任意变形工 具，就可以通过鼠标的拖动对这条直线进行任意的变形，成为你所需要的曲线， 也可以对其他图形进行任意变形，轻而易举的获得各种变形后的各种图形。 2、截取功能，flash 软件中，可以任意截取图形部分然后加以利用，例如， 要利用一段弧线，只要在面板上画一个圆，然后选取弧线就可以将相应的弧线单 独分离出来，达到获取弧线的目的。 3、Flash8.0 具有强大的色彩管理模式，在 flash 软件中，你可以任意选择你 所需要的两种或多中颜色，对他们任意组合，或者进行相应的渐变，从而绘制出 绚丽多彩的图案。 4、Flash 软件可以将各种外部信息进行集合，比如音效，在 flash 中，可以 对制作的动画配上相应的同步音效。另外，flash8.0 还支持 MP3 数据流式的音频 文件。 5、为了实现人机交互，flash8.0 还可以用 Action Script 加入脚本，对动画 实现交互和精确的控制，这在实验仿真中起着非常重要的作用。 6、Flash 对 HTML 文本中内嵌图像和 swf 进行支持。 2.22.2、multisimmultisim 软件介绍软件介绍 Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具， 适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电 路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术 就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通 过 Multisim 和虚拟仪器技术，PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理 论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 Multisim13.0 软件有以下特点 8： （1）系统高度集中，界面直观，操作方便。电路原理图的创建、电路的仿真 分析以及分析结果都被集中在了一起。采用了非常直观的图形化操作界面来创建 6 电路图，操作方法简单易学。 （2）支持模拟电路、数字电路以及模拟数字混合电路的设计仿真。 （3）电路分析手段多样，不但有多种常用的测试仪表（如：示波器、数字万 用表、波特图仪等）对电路进行测试，还有多种电路分析方法，包括静态工作点、 瞬态分析、傅立叶分析等。 （4）拥有多种输入输出接口。 （5）软件内部自带了极其丰富的已经完善的各类电子元器件的仿真元件，操 作者只需要直接提取出来使用即可，简单易学。 图 2-3multisim 中常用仿真仪器介绍 1：万用表2：函数发生器3：瓦特计 4：示波器5：4 通道示波器6：波特测试仪 7：频率计数器8：字发生器9：逻辑变换器 10：逻辑分析仪11：IV 分析仪12：失真分析仪 13：光谱分析仪14：网络分析仪15：Agilent 函数发生器 16：Agilent 万用表 17：Agilent 示波器18：Tektronic 示波器 19：测量探针20：LabVIEW 仪器21：电流探针 7 3 3、涡流检测实验研究及元件分析提取、涡流检测实验研究及元件分析提取 3.13.1 涡流检测原理实验涡流检测原理实验 涡流检测，它的基础是电磁感应原理，是一种常规的无损检测方法。它的基 础原理可以描述为：当载有交变电流的实验线圈靠近导体工件时，由通电线圈产 生的交变磁场会在导体工件中感生出电流，由于感生电流呈漩涡状，故称涡流。 感生出的涡流的大小、相位以及流动的形式，收到试件性能及试件中有无缺陷的 影响，而涡流的产生的磁场又对线圈产生影响，造成线圈阻抗的变化。因此，通 过测定线圈阻抗的变化，就能够判定工件中是否存在缺陷，或者说，能判断工件 性能的变化 9。如图 3-1、3-2 所示。 图 3-1 涡流原理图 3-2 涡流检测基本原理 涡流检测仅适用于导电材料，在实际工程中的应用主要有：金属管材、棒材、 线材等原材料生产过程中的在线检测，导电材料的电导率测量，材料分选及金属 基体上涂层厚度测量和金属薄板厚度测量等。 涡流检测的主要优点：1、检测速度快；2、线圈与试件可以不用直接接触；3、 无需耦合剂。其主要缺点是仅适用于导电材料，对形状复杂的工件很难检测缺陷； 由于涡流存在集肤效应，因此只能检测试件的表面和近表面部位。对于铁磁性材 料，需要进行直流磁化到饱和状态，以免在涡流检测期间由于磁化状态的变化而 影响检测的精准度。涡流检测的实验结果并不直观，判断缺陷性质、大小、形状 有一定的困难。 实验元器件提取及分析：实验元器件提取及分析： 元器件提取：元器件提取： 通有交变电流的线圈、金属工件、含有缺陷的金属工件、电压表、振荡器、 8 包含线圈的探头。 运动分析：运动分析： 1、线圈的运动； 2、工件内涡流的变化； 3、线圈磁场的变化； 4、探头的移动； 5、电压表指针的变化。 3.23.2 穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量实验穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量实验 实验目的：实验目的： 1、了解穿过式线圈中圆柱内部磁场的分布状况； 2、了解汞模型实验方法。 实验设备：实验设备：1、信号发生器； 2、汞模型装置和微调尺； 3、功率放大器； 4、毫伏表（或者示波器）； 5、稳压器。 实验原理：实验原理：如图 3-3 所示，在汞模型装置的圆柱容器内装入水银，因为水银 在常温下是液压金属，具有良好的导电性能，=9410-8M，r=1，所以可 用来代替固体试件。试验采用绕制在汞容器外壁的线圈激励，激励电流由信号发 生器提供（并经功放器放大），检测由深入汞柱内的小玻璃管上绕制的小线圈完 成（因为线圈半径小，可视为点线圈），小玻璃管固定在微调尺的芯轴夹头上， 调节微调尺，可以改变小线圈在汞柱内的径向位置 10。 图 3-3实验装置连接示意图 由小线圈检出的信号提供毫伏表（或示波器），从而可读出小线圈的感应电 9 压。小线圈的感应电压 Uc。 u uc c=-=- n n dt d =-=- nsunsu dt dH (3.1) 式中： n-为小线圈匝数； s-为截面积； -为磁通量； t-为时间。 H-是汞柱中测量点的磁场强度。 由上式可见，Uc 正比于 H，因此，Uc 的变化直接反映了汞柱内磁场 H 强弱的 变化。在同一频率下，随着小线圈在汞柱内的不同径向位置 Uc 是不同的，向汞柱 中心趋于单调下降。在不同频率下，Uc 的衰减速率是不同的，频率愈高，衰减速 率愈大。 实验准备：实验准备： 1、将汞注入到容器内，按图连接好实验装置； 2、打开仪器，进行预热，将线圈和微调尺按照图示安装好。 实验步骤：实验步骤： 1、调节信号发生器，使其发出一定频率、波幅的正弦交流电，将功 率放大器调节到适当位置。 2、首先将小线圈贴近容器内壁，读出电压值，再将小线圈往容器中 心方向移动 2mmm，读出电压值，重复这一步骤，直到小线圈位置超出容 器中心。 3、调节信号发生器，变换交流电频率，重复步骤 2。 实验元器件提取及分析：实验元器件提取及分析： 元器件提取：元器件提取： 稳压电源、信号发生器、功率放大器、线圈、汞模型装置、微调尺、检测 杆、晶体管毫伏表。 运动分析：运动分析： 1、调节信号发生器（两个不同频率）； 2、调节功率放大器（一定放大倍数）； 3、调节微调尺，使检测线圈发生移动； 4、晶体管毫伏表，数个不同数据。 10 电路仿真：电路仿真：功率放大器。 3.33.3、电导率的测量实验、电导率的测量实验 实验目的：实验目的： 1、掌握涡流方法测量金属电导率的基本原理； 2、熟练掌握涡流电导仪的操作和使用方法。 3、学会利用导电率的差异进行的金属化学成分、 热处理状态等材 质试验方法。 实验设备与器材：实验设备与器材： 1、涡流电导仪和 Hocking Auto Sigma 3000; 2、试片若干（由不同牌号或牌号相同热处理状态不同的 材料制成）。 实验原理：实验原理： 电导率是金属的物理性能之一，利用涡流法可以测量金属的电导率。 当载有交变电流的线圈接近金属试件时，试件表面会感生出涡流。而感生涡 流通过自身的磁场对线圈产生影响，线圈的感应电压或阻抗发生变化。由于感生 涡流的强弱与金属的电导率密切相关，因此，通过检测线圈电性能的变化，就可 以得出相应的金属试件的电导率。 涡流电导仪采用电桥对金属进行电导率的测量。如图 3-4 所示。L1 为检测线 圈（即探头），L2 为补偿线圈，C2 为可变电容。 图 3-4测量电导率电桥 当 L1=L2，C1=C2 时，电桥达到平衡，输出电压为零，若将探头 L1 放在试件 表面上，由于涡流的影响将改变线圈的阻抗，电桥失去平衡。若重调 C2 使电桥达 到新的平衡，则 C2 的变化就抵消了涡流对线圈的影响。如果将 C2 的变化量（转 分角度）与金属的导电率对应起来，就可以由 C2 的变化量直接读出试件的导电率 11。 由于金属的导电率是随金属材料的化学成分，热处理状态以及组织状态、机 11 械性能等等材质因素变化。因此，根据导电率与材质因素之间的对应关系，可以 进行材质的鉴赏和分选等。 实验步骤：实验步骤： 1、准备 （1）打开仪器盖，把右下方的旋纽扳向“电池”位置，检查电表指标，应该 落在红色标记区内，否则应更换电池。 （2）插入探头，把旋纽扳到“测量”或“测量”位置。 2、校正 校正的目的是当导电率分度盘读数和标准试块的导电率值相等时，使电表指 示为零（即电桥输出为零）； （1）把探头放在高值导电率标准试块的中心部分，转动导电率分度盘，对准 高值导电率数值（即盘的读数和标准试块上数值一致），然后，用电表右下方的 “高值校正”旋纽调节，使表针指到零位； （2）把探头放在低值标准块的中心部分，转动导电率分度盘，对准低值导电 率数值，然后，用电表右下方的“低值校正”旋转调节，使表针指零； （3）反复进行（1）、（2）两个操作 23 次，仪器即校正好了。 3、试件测量 （1）导电率绝对值测量 若试件测量厚度在 1 以上，并具有不小于10 的平面，即可进行导电率 绝对值的测量。 将探头放在试件平面上，转动分度盘使指针指零，这时分度盘的导电率数值 即为试件的导电率绝对值。 如果是材质实验，即可根据已测得的导电率值和描写导电率-材质因素（如 牌号、热处理状态等等）关系的图表（事先根据已知材质因素的导电率值作出）， 得出有关材质因素的结论。 （2）导电率相对值的测量 若试件厚度在 1 以下或形状不规则，则可采用导电率相对值进行材质试验。 将探头放在已知材质因素的试件上，测出表头指零时的导电率值。然后，将 探头移放到被测试件上，读出表头指零时的值，再根据两值的比较作出鉴别。 12 （3）偏转法测量 适用于快速成批分选，如区分某些材料的热处理状态、混料、过烧等。无须 每次测量时转动分度盘平衡电桥，只需要将一已知材质试件在测量时对电桥进行 平衡，然后测量其它试件时仅观察表头指标的偏摆，根据表头偏摆的方向、幅度 作出分选。 实验注意事项： 1、FQR750 二分之一仪只适用于非磁性材料。 2、操作时注意边缘效应，避免人为操作。 3、当试件平面较大时，其导电率随着位置的不同可能有所变化，测量时，要 求测量三点以上，取其平均值作为导电率数值。 实验元器件提取及分析：实验元器件提取及分析： 该实验较为简单，仅采取电路仿真。 仿真电路仿真电路：测量电导率电桥。 3.43.4、涡流探伤实验、涡流探伤实验 涡流探伤的基本原理是电磁感应。当导体接近通有交流电流的线圈时，根据 电磁感应定律，在导体内会产生感应电流，也称涡流。此时，导体中的感生涡流 也会对线圈的电性能产生影响，改变线圈的阻抗或线圈电压。当导体表面有缺陷 存在时，会影响涡流的强度和分布，并引起线圈的变化。因此，通过仪器测量线 圈的变化，就可以间接的发现导体内存在的缺陷。 实验目的实验目的 1、掌握涡流探伤原理； 2、熟悉幅度式涡流探伤仪和阻抗式涡流探伤仪的操作及使用方法； 3、掌握探伤中判别缺陷的方法。 实验内容实验内容 1、利用幅度式涡流探伤仪进行涡流探伤实验，检测各类人工和自然缺陷。 2、利用阻抗式涡流探伤仪进行涡流探伤实验，检测各类人工和自然缺陷。 实验仪器实验仪器 1、涡流探伤仪；EEC-22+、EEC-30S 管棒涡流探伤仪 2、人工缺陷铝合金试块、铁合金试块若干；人工缺陷钢管、铜管试件若干。 13 3、待测的自然缺陷铝合金、铁合金试件若干。 实验原理实验原理 涡流探伤仪是利用电磁感应原理进行探伤，当通有交变电流的探头接近金属 表面时，线圈产生的交变磁场会在金属工件表面感应出交变电流，如果工件是平 板金属，感应电流称为涡流。涡流通道的损耗电阻以及涡流产生的磁通，又作用 到探头线圈，改变线圈的电性能（线圈电压和阻抗）。探头在工件表面移动，遇 到裂纹或者裂纹深度变化时，探头线圈的阻抗发生变化。测量这种变化，就能鉴 别出金属工件表面是否存在裂纹缺陷及缺陷的量级。涡流检测示意图如图 3-5 所 示 12。 图 3-5 涡流检测原理示意图 实验注意事项：实验注意事项： 1、检测时应注意边缘效应，避免与缺陷信号相混淆； 2、当需要提高灵敏度时，可将“灵敏度”旋钮顺时针拨动，但拨动后要求重 新进行零位调节。 3、使用中探头不要选择错误，调节零位时探头应在被测试试件材料上进行， 当换测不同材料的试件时，应重新进行零位调节； 4、因报警耗费电能较大，故在无需报警时应避免使用； 5、仪器使用完毕，需切断电源，整理仪器及试块。 实验元器件提取及分析：实验元器件提取及分析： 元器件提取：元器件提取： 探头、探头线圈、金属工件、电压表（测量线圈阻抗变化）。 运动分析：运动分析： 清洁工件、探头运动探伤、遇到缺陷时电压表变化。 14 4 4、涡流检测实验制作、涡流检测实验制作 4.14.1、涡流检测原理实验制作、涡流检测原理实验制作 4.1.14.1.1、元件的制作、元件的制作 1414 1、线圈元件的制作 选择椭圆工具，笔触颜色设为黑色，填充颜色为无，绘制一个椭圆，执 行复制、粘贴命令，组成一个线圈的雏形。如图 4-1 所示。 图 4-1线圈雏形图 4-2线圈 选择橡皮擦工具，擦出线圈多余部分。选择线条工具，做出线圈的输入与 输出线条。调整线圈，执行联合命令与转换为元件命令，命名为线圈。如图 4-2 所示。 2、金属工件元件的制作 选择矩形工具，填充颜色为无，笔触颜色为黑色，绘制多个矩形。选择任 意变形工具对多个矩形进行变形，使矩形分别成为工件的前面、侧面、上面。如 图 4-3 所示。 图 4-3工件雏形图 4-4金属工件 选择颜料桶工具，使用混色器，设定类型为线性，设置初始颜色和终点颜 色，对工件的各个面进行着色。再执行联合命令和转换为元件命令，将工件转换 为元件，命名为金属工件。如图 4-1-4 所示。 15 3、含有缺陷的金属工件元件制作 选择线条工具，设置线条笔触高度为 1，笔触样式为实线，在金属工件上 绘一条短线段，形成类似裂纹样子。其余部分同步骤 2 一致。得到带有缺陷 的金属工件。如图 4-1-5 所示。 图 4-5带裂纹金属工件 4、电压表元件的制作 选择矩形工具，笔触颜色设为黑色，填充颜色设为无，绘制数个矩形。选 择选取工具，对两个矩形进行排布，形成电压表外形。如图 4-6 所示。 图 4-6电压表雏形图 4-7电压表 选择椭圆工具，在电压表框图上绘制接线柱，并着色。选择线条工具和变 形工具，在电压表面板上绘制刻度县和指针。选取任意变形工具，最电压表整个 外形进行修整。执行合并命令和转换为元件命令，使之成为电压表元件。如图 4-7 所示。 5、探头的绘制 选择矩形工具，笔触颜色为黑色，填充颜色为无，绘制一个大小合适的矩形。 选择变形工具，将矩形的上边和下边进行变形处理。在选择椭圆工具，绘制探头 的上面。选择颜料桶工具，对探头进行着色处理。选择线条工具，在探头轮廓上 绘制线圈绕行的样子，执行联合命令和转换为元件命令，设置元件名称为探头。 如图 4-8 所示。 16 图 4-8带有线圈的探头 4.1.24.1.2、涡流检测基本原理动画的制作（无缺陷）、涡流检测基本原理动画的制作（无缺陷） 设置舞台大小为 550*400 像素，舞台背景设为#00CCFF，设置帧频为 12.0fps，将图层一命名为工件，将制作好的简述工件元件拖动到舞台中心偏 下部位。这个图层在整个动画制作过程中是保持不动的，将图层“工件”锁 定。 新建一个图层，命名为“清洁工件”。选择椭圆工具，笔触颜色设为无， 填充颜色设置为黑色。在工件左下角画一个黑色的椭圆，这个黑色的椭圆将 起到清洁工件的作用，类似于现实实验中的抹布。建立一个引导层，选择线 条工具，在工件上画上若干条线，这些线条将引导抹布在工件上运动。 在时间轴 95 帧的位置插入一个关键帧，选择第九十五帧，将“抹布” 拖动到工件右上角，紧贴引导层的线条。在第 1 帧到第 95 帧之间，任意选择 一帧，单机鼠标右键，选择“创建补间动画”。这样，一块抹布清洁工件的 简单动画就制作好了。如图 4-9 所示，是动画中第七十帧的截图。 图 4-9第七十帧 新建一个图层，命名为“放入线圈”。选择第九十五帧，插入一个空白帧， 选择第九十六帧，选择“插入关键帧”。将制作好的线圈元件拖动到舞台的上部， 远离工件。选择第 114 帧，插入一个关键帧，并且将线圈拖动到工件上方。选择 17 期间任意一帧，创建补间动画，这样就创建好了一个线圈由上往下的动画片段， 锁定图层。 新建一个图层，命名为“通交流电”。选择椭圆工具，设置线条为虚线， 填充颜色设为无，在线圈两侧绘制若干椭圆，模拟磁感应线分布。将线条改为实 线，在线圈的正下方，工件表面，绘制若干椭圆，模拟感生涡流，及涡流的感生 磁场。如图 4-10 所示。 选择第 136 帧，插入关键帧，让整个感生出涡流的画面停留 1.7 秒，避免人 类的视觉记忆停留。 选择第 210 帧，插入关键帧。选择任意变形工具，选取线圈的磁感应线， 将图形的中心点移动至磁感应线的中心位置，将整个磁感应线缩小一定程度，用 来表示随着线圈往工件移动时，收到涡流的反作用，磁感应线减弱。再选择选择 工具，将线圈和磁感应线往工件拖动一段距离。再次选择任意变形工具，选取感 生涡流和感生涡流的磁感应线，将中心标记拖动到整个的中心位置，将整个感生 涡流放大到一定大小。再第 136 帧到第 210 帧之间创建补间动画，这样就完成了 涡流检测基本原理动画的制作。 重新创建一个图层，在第 1 帧到第 210 帧之间的相应位置，配上文字说明。 按 Ctrl+Enter 键，测试影片。测试完成，将影片导出，命名为“涡流检测基本原 理”。如图 4-11 所示为涡流检测基本原理仿真动画第 190 帧的动画截图。 图 4-10通交流电感生出涡流图 4-11第 190 帧 4.1.34.1.3、涡流检测基本原理动画的制作（有缺陷）、涡流检测基本原理动画的制作（有缺陷） 新建一个 flash 文档，设置舞台像素为 550*400，设置背景为#00CCFF，将 制作好的有裂纹的金属工件拖动到舞台上。将图层命名为工件。 新建一个图层，方法同 4.1.2 一样，创建一个“抹布”，对工件进行清洁。 18 新建一个图层，选择第 45 帧，将制作好的探头元件、电压表元件拖动到舞 台上，放置在金属工件表面。选择矩形工具，笔触颜色设为黑色，笔触高度设为 2，填充颜色为无，绘制一个矩形，作为振荡器使用。按照图 4-12 所示，将各个 实验元器件进行连接。 选择第 99 帧，将探头的位置改变，使探头即将抵达裂纹位置。创建补间动画。 选择第 100 帧，移动探头至恰好碰到裂纹位置，改变此时电压表的指针， 使之偏转。选择第 129 帧，移动探头，使之即将离开裂纹位置，创建补间动画。 选择第 130 帧，改变探头位置，使之恰好离开裂纹位置，改变此时电压表 指针，使之恢复第 100 帧以前的状态。选择第 145 帧，插入关键帧，移动探头至 原理裂纹。 创建补间动画。 这样涡流检测基本原理示意动画制作完成。 如图 4-1-13 所示，是探头在裂纹上方时的画面，注意观察电压表指针。 图 4-12连接示意图图 4-13涡流检测基本原理（有裂纹）示意图 重新创建一个图层，命名为“解释说明”，舞台上适当位置编辑说明文字， 如图 4-13 所示。按 Ctrl+Enter 键，测试影片。合格，导出影片，命名为“涡流 检测基本原理示意图（有裂纹）”。 小结：小结：本次涡流原理仿真动画，采用的是利用 Flash 软件的面板工具，比如线条 工具、矩形工具、颜料桶工具等，来绘制动画所需实验元器件。然后创建不同图 层，控制不同实验元器件在各个关键帧的位置的动画状态，最终创建补间动画的 形式，来实现涡流实验原理的仿真动画制作。这种方法的优点是简单易懂，易操 作，缺点是过程比较繁杂，图层较多，容易混淆。 19 4.24.2、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量 4.2.14.2.1 实验元件的制作实验元件的制作 稳压电源元件的绘制：新建文档，设置舞台像素为 550*400，设置舞台背景为 #00CCFF。选择矩形工具，设置笔触颜色为黑色，填充颜色为无，在舞台中部位置 绘制两个矩形框，选择任意变形工具，对两个矩形进行组合，形成稳压电源的一 个正面面板。选择颜料桶工具，对两个矩形填充适当的颜色。选择圆形工具，笔 触颜色为无，填充颜色为黑色，在其中一个矩形上绘制六个小圆，模拟实际仪器 的按钮等。再选择矩形工具，填充为黑色，笔触为无，在整个轮廓外，紧贴矩形 绘制两个类似于接口的矩形，模拟现实仪器的输出端。再配以文字说明，这样稳 压电源就绘制好了，再选择所有，执行联合命令和转换为元件命令，命名为稳压 电源。如图 4-14 所示。 信号发生器元件的绘制：大致步骤同上。在信号发生器的示波屛上使用钢笔 工具，绘制出折线，再使用变形工具，将折线变形为正弦波，执行联合命令和转 换成元件命令，将元件命名为信号发生器。如图 4-15 所示。 图 4-14稳压电源图 4-15信号发生器。 功率放大器元件的绘制：选择矩形工具，笔触颜色为黑色，填充颜色为无， 绘制一个矩形。再改变笔触为无，填充颜色为黑色，紧贴矩形绘制四个接口，分 别表示功率放大器的输入与输出。选择任意变形工具，对整个图形做适当修整。 选择所有，执行联合命令和转换为元件命令，命名为功率放大器，这样就制作好 了功率放大器元件。如图 4-16 所示。 汞模型装置元件的制作：选择矩形工具，笔触为黑色，填充为无，在舞台上 绘制若干矩形。依照图 3-3 实验装置连接示意图中的汞装置对矩形进行排布。选 择任意变形工具，对矩形进行相应变形。选择颜料桶工具，对装置进行适当着色。 执行联合命令和转换为元件命令，得到如图 4-17 所示。 20 图 4-16功率放大器图 4-17汞模型装置 检测杆元件的制作：选择矩形工具，笔触为黑色，填充为无色。绘制一个矩 形，再对其进行适当着色处理。选择线条工具，绘制导线。执行联合命令和转换 为元件命令，将元件命名为检测杆。如图 4-18 所示。 图 4-18检测杆 毫伏表元件制作：将 4-7 元件拖动到舞台上，进行适当修改，转换为元件， 命名为毫伏表。 4.2.24.2.2、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量仿真动画的制作、穿过式线圈中圆柱试件内部磁场测量仿真动画的制作 新建文档，设置舞台像素为 550*400，设置舞台背景为#00CCFF。 图层一，将制作好的汞装置模型拖动到舞台上，放置在适当位置。将稳压 电源元件，信号发生器元件，功率放大器元件拖动到舞台适当位置。选择线条工 具，按照图 4-7 实验装置连接示意图，对各个元件进行连接。使用线条绘制线圈， 改变线条类型为虚线，在汞柱中绘制若干虚线，模拟汞柱。得到如图 4-19 所示。 将图层 1 重命名问“实验支架”，在第 50 帧插入普通帧，然后锁定图层。 图 4-19实验支架示意图 21 新建图层，命名为动态部分。将制作好的检测杆元件，晶体管毫伏表元件 拖动到舞台上，放置在支架的适当部位。选择第 50 帧，将检测杆移动到线圈中部 偏右位置。 同时也将晶体管毫伏表移动至相应位置。 创建补间动画， 按 Ctrl+Enter 键，测试影片。 新建一个图层，命名为“显示屏”，利用矩形工具和线条工具，在舞台空 白位置制作一个类似与毫伏表显示屏的元件。选择由线条绘制成的指针，在时间 轴上每个两帧，就改变指针一定角度，在第 35 帧位置，指针达到最右端，然后慢 慢的然指针往回偏转。按住 Ctrl+Enter 键，测试影片。导出影片。如图 4-20 所 示，是仿真实验动画在第 35 帧时的画面，此时指针偏转到最右端。 图 4-20第 35 帧画面 4.2.34.2.3、功率放大电路的设计与仿真、功率放大电路的设计与仿真 在此实验中功率放大器的主要作用是将信号发生器发出的信号进行放大，对 此，采用射极耦合差分式放大 15。图 4-21 为射极耦合差分式放大电路。 在此电路图中，三极管 Q1 和 Q2 的射极连接在一起，并且共同 Q3 的集电极连 接。 图中 Q3、 Q4、 R5 为一个部分， 起到电流源的作用。 图中电路参数对称： R1=R2、 R3=R4、Q1=Q2、Q3=Q4。 图 4-21射极耦合差动放大电路 22 用 multisim 软件对该电路图进行绘制。选择示波器，A 接口连接信息输入端， B 接口连接 Q2 与 R2 之间。测量输入信号电压和放大后的电压。进行比较，计算 放大倍数。如图 4-22 所示。 图 4-22 差动放大电路波形比较图 观看波形比较图，中红色波形为 A 通道信号，也就是输入信号。蓝色信号为 B 通道，为经过放大器放大后的信号。图中蓝色信号是红色信号的两倍。而 A 通道 的刻度为 10mv/Div，B 通道的刻度为 500mv/Div。所以放大倍数为：2*500/10=100 倍。 电路输入信号是一个正弦，输出也是正弦信号。起到了放大 100 被的作用。 满足实验中功率放大器的要求。所以电路设计达到设计目的。 小结小结：本次仿真实验动画的制作，采用的依然是先利用面板工具绘制实验元器件， 然后创建不同图层，控制关键帧状态，最后创建补间动画的方法来制作仿真实验 动画。但不同的是采用了自主设计的射极耦合差分放大电路，并且对电路进行了 仿真调试。成功的实现了放大信号的作用。本次电路仿真的优点是能直观的表现 出电路的放大作用。难点是对放电电路的设计。 4.34.3、电导率的测量、电导率的测量 如图 4-3-1 是测量电导率电桥电路，其中 L1 是检测线圈（即探头），L2 为补 偿线圈，C1 为电容，C2 为可变电容。当 L1=L2、C1=C2 时，电桥达到平衡输出电 压为零。若将 L1 放置在试件上，由于感生涡流的影响，L1 的阻抗将被改变，电 桥失去平衡。此时，调节可变电容，使电桥重新达到平衡，则 C2