（控制理论与控制工程专业论文）抽油杆裂纹的电涡流检测.pdf

西安理工大学硕士论文 论文题目 学科名称 硕士生 导师 抽油杆裂纹的电涡流检测 控制理论及控制工程 欧阳洲( 签名) ： 梁鸿生( 教授)( 签名) ： 摘要 本文首先介绍了无损检测技术的几种典型方法，并给出了抽油杆裂纹检测这 个课题的背景，通过同其它几种无损检测技术的比较，给出了电涡流技术的优越 性。然后从电磁场理论中的麦克斯韦方程出发，结合裂纹的理想模型，从理论上 证明了电涡流多频率多参数检测技术在抽油杆裂纹检测中的可行性。 在硬件设计方面，本文通过与传统的电涡流检测方法进行比较，提出了一种 新颖的采用强激励源的电涡流检测方案。阐述并讨论了带通模拟滤波器的设计方 法，详述了巴特沃斯带通滤波器的设计步骤以及等电感带通滤波器的设计方法， 并结合本课题的设计要求，给出了8 0 c 1 9 6 k c 单片机检测系统的硬件结构图。 在数据拟合方面，采用改进的b p 神经网络对数据进行拟合，很好地解决了 本课题中所涉及的多个相互耦合的被测参数的解耦问题，同常规b p 神经网络数 据拟合相比，减小了计算量，节省了检测系统在检测过程中的计算时间。 在软件设计方面，本文首先讨论了软件设计的基本原则，接着把软件设计模 块化，并给出了各自的程序框图，在软件设计部分的最后，论文给出了本测量系 统中微处理系统在运行过程中可能出现的一些问题及其解决方法，以及软件抗干 扰措施。 关键字：电涡流传感器抽油杆裂纹、多频率多参数检测、带通凌波、8 0 c 1 9 6 k c 单片机、b p 神经网络 摘要 s u b i e c t ：t e s t i n g o fd e f e c to fs u c k e rr o db y e d d y c i ，r r e n t s p e c i a l i t y ： c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n n e e r i n g n a m e ： o u y a n gz h o u ( s i g n a t u r e ：j i n s t r u c t o r ：l i a n g h o n gs h e n g ( s i g n a t u r e ：j a b s t r a c t t h i sp a p e r ，f i r s t l y ，i n t r o d u c e ss o m eb a s i cn o n d e s t r u c t i v et e s t s ，s h o w st h e b a c k g r o u n do ft h es u b j e c ta b o u tt h et e s tf o rt h ed e f e c to fs u c k e rr o d ，b yc o m p a r i n g 们t ht h eo t h e rn o n d e s t r u c t i v et e s t s p r o v e st h ea d v a n t a g eo fe d d y c u r r e n tt e s t t h e n b e g i n n i n gw i t hm a x w e l le q u a t i o ni ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r ya n dc o m b i n i n gw i t h t h ei d e am o d e lo fd e f e c t 。t h i sp a p e rp r o v e st h a tt h ef e a s i b i l i t yo fe d d y c u r r e n t t e s tt e c h n o l o g yi nm u l t i - p a r a m e t e ra n dm u l t i f r e q u e n c yw h i c ha p p l i e di nt h et e s t f o rf o r t h ed e f e c to fs u c k e rr o d o nt h eh a n do fh a r d w a r ed e s i g n ，b yc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a le d d y c u r r e n t m e t h o d ，n o n d e s t r u c t i v et e s t s ，t h isp a p e rb r i n g sf o r w a r dan e we d d y c u r r e n tt e s t i n g m e t h o dw h i c hu s e ss t r o n ge x c i t i e dp o w e r ，t h ed e s i g nm e a n sf o rb a n d p a s sf i l t e r i n v o l v e di nt h i ss u b j e c ti sd i s c u s s e da n dp a r t i c u l a r l y ，t h es t e p sa n df o r m u l a sf o r d e s i g n i n gb u t t e r w o r t hb a n d p a s sf i l t e ra n dt h em e t h o do fd e s i g no fe q u a li n d u c t a n c e b a n d p a s sf i l t e ra r ee x p o u n d e d t h i sp a p e ra l s og i v et h eh a r d w a r es t r u c t u r ec h a r t o f8 0 c 1 9 6 k cs i n g l ec h i pb yc o m b i n e dw i t ht h ed e s i g nd e m a n d o nt h eh a n do fd a t af i t t i n g 。w eu s et h er e f o r m a t i r eb pn e u r a ln e t w o r kt of i t t i n g d a t a ，a n dr e s o l v et h ec o u p li n gq u e s t i o no f t h et e s t e dp a r a m e t e rs m o o t h l y ，t h e r e f o r m a t i w en e u r a ln e t w o r ki sm o r ee f f e c t i v e t h a nn o r m a ln e u r a ln e t w o r k 。 o nt h eh a n do fs o f t w a r ed e s i g n 。t h ep a p e rf i r s t yd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l e o fs o f t w a r ed e s i g n ，a n dm a k e si tm o d u l a r i z e d ，t h e ng i v e se a c hf l o wc h a r t a tl a s t ，s o m e q u e s t i o n st h a tm a yh a p p e ni nt h i st e s ts y s t e ma n dt h es o l u t i o n st ot h e ma r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：e d d y c u r r e n ts e n s o r ，d e f e c to fs u c k e rr o d ，m u l t i p a r a m e t e rt e s tw i t h m u l t i f r e q u e n c y ，b a n d p a s sf i l t e r ，8 0 c 1 9 6 k cs i n g l ec h i p ，b pn n 1 1 前言 刖 l 口 一个完整的自动化系统需要有执行系统检测系统和信号处理系统三种模块。自动化过程要 取得了长足的进步，这三大模块的均衡发展是一个不可或缺的前提条件。同前两者相比，检测系 统的发展则显得相形见绌，因此，大力发展检测技术已经成了全球范围内的共识。 作为新兴检测技术的一种，电涡流检测是以电磁感应原理为基础的其基本理论是通过对处 于检测线圈形成的电磁场中的工件及其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( 或感应电压) 的变化与被检工件各影响因素之间的关系。 本文就是从电涡流检测原理出发，在强调基本理论的基础上，突出软件和硬件相结合着重 设计方法，运用于裂纹检测中。 由于本人学识水平有限，疏漏之处在所难免，敬请各位老师和同学批评指正。 i v 欧阳洲 2 0 0 2 年3 月 西安理工太学硕士学位论文 第一章绪论 随着经济的发展和社会的进步，铺设在地面、地下，水下的各种工业与民用设施迅 速增加它们在使用中会发生腐蚀和断裂，以致造成泄漏事故：在航空、核电工业等工程 领域，结构材料缺陷的探测及材料寿命的评估尤其重要，结构完整性的破坏可能导致严 重的事故和重大经济损失，所以，歼发可靠而有效的无损检测技术( ndt ) ，是工农业 生产生活中急待解决的重要工程问题之一。 一无损检测技术 无损检测技术，是利用物质中因有缺陷或组织结构上的差异存在而会使其某些物 理性质的物理量发生变化的现象，以不使被检查物使用性能发形念受到损伤为前提， 通过一定的检测手段来检测或测量、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产 品、设备构件直至生物等的性质、状态或内部结构等等。它最突出的特点是“无损伤” 因此在工业生产、物理研究、生物工程以及医疗诊断等广大领域获得极大的重视和迅 速发展。目前，无损检测技术通常的方法有以卜几种：( i ) 目视法：( 2 ) 液体浸透探伤 法：( 3 ) 磁粉检查探伤：( 4 ) 射线法：( 5 ) 涡流探伤法：( 6 ) 声波辐射法：( 7 ) 超声波法等。 可视化检查：这是ndi 广泛使用的一种方法，可以检查焊点及元件的质量好坏， 便于实现，无需复杂的装置。因为一些表面状态的缺陷，通过肉眼或借助一些简单的工 具，如放大镜来检查，但还需要一定的经验知识。 液体浸透探伤：通过红色的染色浸透液或黄绿色萤光浸透液从表面的损伤处渗出， 来指示损伤。这项技术基于液体在毛细作用下的深透能力，经过以下几个步骤：首先， “清洁”好待测表面，之后旋以浸透处理，用毛刷在试验体表面均匀涂抹上浸透液：第二， 用水或洗净液，将缺陷以外的试验体表面附着的浸透液除去：第三。显像处理，在试验体 上涂抹显像剂：第四观察。对显像剂的指示加以评定。 磁粉检查探伤：对于钢或铁这种铁磁性材料的表而或近表面的损伤可以运用这种 方法。其原理是利用了这些损伤会改变磁力线的分布情况，从而显现出这些损伤来。磁 粉可以是干燥的也可以是潮湿的、悬浮在液体中、着色或带萤光的。虽然，这种方法主 要用于表面的探伤，仍可用于浅层表面的损伤。但随着损伤的的深度和类型的变化，其 有效性则会受到极大的影响。值得注意的是试样表面的不平和划痕也会对磁力线的走 向产生影响。因而在应用这种方法时，应先对表面进行处理。 射线透过试验法：放射线的种类很多，x 射线、y 射线等。检测时，射线靠近试样 由胶片捕捉到穿过物体材料的射线。胶片经过处理得到了图像。进而对图像进行分析 得出结论。选择什么样的射线取决于待测物体材料的厚度。由于y 射线源可以携带，因 而，可成为建筑工地的理想的检测手段。但无论x 射线还是y 射线都对人体有害。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。 声波辐射法：这种方法一方面要探测各种不同条件下的物体发出的“声音”( 人的 耳朵是无法听到的) ：另一方面，依据探测的结果得出结论来。这就要使用一个以上的超 声波麦克风。测得的声波可以用基于计算机的分析系统进行分析。但由于物体的摩擦 运动。损伤的生长，由于腐蚀等原因引起的材料变化等等，都会带来噪声。ae 法的优点 在于从几个点可以对整体的结构进行检测，连续的检测与报警都是可能的。很微小的变 化也能够测出。只要释放出足够的能量。比如输送管道、储油罐、光纤的结构、旋转 的机械装置、焊接的监视、生物及化学的变化的检测等等。 超声波法：超声波检测法的实现是在1 8 8 0 年pi erre 和jacqu escu rje 兄弟发现压阻效应之后。直至第二次世界大战时发明了雷达，才具备了必要的技 术条件。在这之后，美国的fi r estone 与英国的sproul e 分别独立发明 了超声波探伤仪。从此，超声波技术迅猛地发展，特别是随着计算机技术的进步，越发促 进了这项研究领域的进步。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3 m ，而射线仅仅为5 0cm ：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汁 算机等设备，这项技术的应用则更为完善和丰富。但同时对操作者有较高的要求。对于 一个很大的检测来讲一次只能检测很小的一部分。当然如果使用传感器陈列的话上 述情况也能得以改善。在通用的检测方法中，只有射线法和超声波法能可靠地检测内部 损伤，在一些较为特殊的例子中，还可以用高灵敏度的霍尔元件来检测铁磁材料的泄漏 磁束，以及用微波来测非导体材料，其它方法局限于表面和浅层表面的检测，元疑超声 波法也能胜任。 涡流探伤：这是一项仅能用于导体的电磁技术。其应用范围很广，从划伤的检测，到 依据不同的损伤、不同的尺寸、不同的材料来对小的试样进行分类。当励磁线圈移到 金属物的表面，涡流则导入了试样。这种电流所建立起来的磁场与原磁场的方向相反。 由于损伤的存在以及材料的不同，涡流的将发生畸变，线圈的阻抗也将因此而发生变 化。下一步，测出这一变化，从而进一步进行显示。 涡流法与其它方法相比有其独特的优点，与超声法和射线法相比，它不需要耦合剂 可以非接触性测量：与磁粉法相比。对磁性和非磁性材料均有效，而且不污染环境操作 简单，省工省力：与渗透法相比，它不需要清洗试件，可以实现检测自动化：因此，涡流无 西安理工大学硕士学住论文 损检测是无损检测技术中具有重要意义的一种方法，涡流无损检测基于电磁感应原理， 当把通有交变电流的线圈( 激磁线圈) 靠近导电物体时，线圈产生的交变磁场会在导 电体中感应出涡电流，该涡电流的分布及大小除了与激磁条件有关外，还与导电体本 身的电导率、磁导率、导电体的形状与尺寸、导电体与激磁线圈间的距离、导电体表 面或近表面缺陷的存在或组织变化等都有密切关系。涡电流本身也要产生交变磁场， 通过检测其交变磁场的变化，可以达到对导电体检测的目的。因此，利用涡流探伤技 术，可以检测导电物体上的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度、热处理质量( 如淬火透 入深度、硬化层厚度、硬度等) 以及材料牌号分选等等。 涡流检测技术己广泛用于航天、航空领域中金属构件的检测。为了确保飞机的飞 行安全，必须对相关部件进行定期在役检测。涡流技术通常用于检测航空发动机叶片 裂纹、螺栓、螺孔内裂纹、飞机的多层结构、起落架、轮毂和铝蒙皮下等表面和亚表 面缺陷，同时用于检测机翼连接焊缝的缺陷等。检测中能有效抑制探头晃动、材质不 匀等引起的干扰信号。 在冶金、机械领域中，涡流检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线、离 线探伤。在探伤过程中，能同时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷( 如通孔) ； 能够有效抑制管道在线、离线检测时的某些干扰信号( 如材质不均、晃动等) ，对金属 管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵敏度；还可用于机械零部件混料分选，渗碳深度 和热处理状态评价，硬度测量等。 在电力、石化领域中，涡流技术用于电站( 火电厂、核电站) 、石油化工( 油田、 输油管道、抽油竿、钻探竿、炼油厂、化工厂) 等领域的有色及黑色金属管道( 如铜 管、钛管、不锈钢管、锅炉四管等) 的在役和役前检测。对管道晶间腐蚀、壁厚减薄 和外壁磨损等均能可靠检出，在检测中能有效地去除支撑板和管板的干扰信号。 二课题背景 目前在多种采油方式中，机械采油最为重要，尤其是有杆泵。我国有杆泵占机械采 油井9 0 以上。例如大庆油田目前约有抽油机井1 6 6 0 0 口以上，按泵挂1 0 0 0 m 计算，使用 抽油杆约1 6 6 0 0 m 。由于其中相当一部分抽油杆工作五年以上，因此其井下工作的可靠性 越来越低。 抽油杆是有杆深并泵抽油系统中的重要部件，在作业过程中承受循环拉应力，在安 装和向井下输送过程中受到冲击、挤压等载荷，很容易形成周向裂纹。另外，抽油杆是 由轧制的低合金结构钢制成，在加工过程中只在杆端头进行机加工，其余部分为锻造自 绪论 由表面，所以未使用的抽油杆就难免存在锻造缺陷( 如凹痕、飞刺等) 。 统计资料表明，国内一些油田平均月断杆达数十井次，此项作业费用一年投入达几 千万元，而且引起关井影响原油产量，油田每年更新大批抽油杆。即使这样抽油杆的可 靠性也没能得到科学的保证。由于依靠肉眼观察和经验判断，造成一方面大量淘汰旧杆 另一方面却无法有效淘汰真正危险的抽油杆。而为避免断杆所使用的高强度储备杆柱 设计又造成每口抽油机井悬点载荷增加0 6 m g ，不计抽油杆金属材料浪费以及抽油机系 统的磨损等损耗，仅耗电一项费用也是惊人的。 在有杆泵采油井中，抽油杆断裂故障是影响免修期的最主要因素之一。矿场实践证 明，抽油杆疲劳裂纹、制造缺陷等是造成断裂的主要原因。由于抽油杆多次重复使用、 更换，新旧程序、级别不一，部分杆已存在缺陷，在修井作业过程中，依靠人工挑选难以 发现，使得断杆事故频繁发生。为了防止有缺陷的抽油杆下井，减少断裂事故，必须对抽 油杆进行有效的检测。 三涡流检测的优越性 涡流检测的基本原理涡流检测是以电磁感应原理为基础，当导电金属工件( 如抽油 杆) 位于高频激励磁场中时，导电工作中便会产生涡流，涡流有大小、相应、路径，并与 其材料特性和形状等有关，而涡流产生的反磁场则引起激励线圈感应电流的变化。涡流 检测正是通过分析变化着的电流来判断工件表面的缺陷状况。 与其他探伤方法相比，涡流检测其优点是 ( 1 ) 精度高，可检出很小的人工伤槽。 ( 2 ) 速度快。 ( 3 ) 可实现非接触测量，对表面状况要求不高。 ( 4 ) 测量信号为模拟信号，易于分类处理，实现自动检测。 ( 5 ) 结构简单，经济实用。 ( 6 ) 无污染、无粉尘、无放射性，无强电场及强磁场等。 由上所述，在本课题中采用涡流检测。 抽油杆裂纹的电涡流检测原理 第二章抽油杆裂纹的电涡流检测原理 电涡流传感器是一种能将机械位移，振幅和转速等参量转换成电信号输出的非电 量电测装置它由探头，变换器，连接电缆及被测导体组成是实现非接触测量的理想工 具 电涡流传感器是建立在电磁场的理论基础上而工作的，由电磁场理论可知，在受到 磁变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流成块的金属置于变化的磁场中，或者在 固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流向在金属内是闭合的， 所以称为涡流 根据电磁场的理论，涡流的大小与导体的电导率，导磁率，导体厚度，以及线圈与导 体之间的距离，线圈的激励频率等参数有关固定集中若广个参数不变，就能按涡流大小 测量另外某一个参数，电涡流传感器就是按此原理构成的 一抽油杆裂纹检测基本原理 如图2 一l 所示，本文研究的抽油杆是导电的非磁性材料如果在杆侧放置一个通有 一定频率交变电流的线圈，线圈周围空间就产生了正弦交变磁场，处于此交变磁场中 的抽油杆中将感生电涡流，感生电涡 流也将产生交变磁场，线圈与电涡流 两者产生的交变磁场方向相反由于 感生电涡流产生交变磁场的反作用， 使通电线圈的电感l 发生变化显然， 如果杆上出现裂纹，电涡流场的分布 和强度将改变，引起线圈电感l 发生 变化，使回路的有效阻抗变化，从而使 通电线圈中电流相应变化，从而使 、， il ， 图2 _ l 抽油扦涡流检测原理 回路输出电压变化，只要测出的变化量就能确定杆上裂纹的存在，这就是抽油杆的涡流 检测原理。 二抽油杆中涡流场分布及探头阻抗的计算 裂纹是涡流检测中最为重要的一类缺陷，它的宽度, i e 4 、，同深度与长度相比可以 忽略。使用有限元方法研究这类缺陷与涡流场的相互作用时，由于需要非常精细的剖分 西安理工大学硕士学位论文 计算量庞大，通常难以取得满意的结果。j r b o w l e r 等提出了理想缺陷模型，如图所示 图2 - 2 理想缺陷横型 典型的涡流检测模型可以描述为一个沿导体表面移动的交流线圈，研究导体内缺 陷对涡流场的影响，这个问题可以分解为求艇导体内无缺陷时的涡流场( 完好场) 和移 去激励线圈求缺陷等效电源产生的涡流场( 扰动场) 两部分。在很多场合，线圈直径远小 于导体尺寸，如果导体是各向同性的均匀材质，那么完好场就可以认为是一个轴对称场 这种情况下通常可以求得解析解。 对三维问题进行涡流场的计算，涉及到的变量较多，而且方程复杂，限制很大，所以 对其简化成二维平面问题，并引入如下假设： ( 1 ) 线圈激励电流在其窗口内均匀分布； ( 2 ) 实际测试时导体相对探头运动速度较慢，经计算发现运动速度对探头阻抗影 响很小。本文为方便起见忽略其相对运动： ( 3 ) 线圈导体中的涡流忽略不计： ( 4 ) 电流密度及场量均随时间按正弦规律变化，并不考虑谐波分量： ( 5 ) 模型中各种材料的电导率、磁导率均为常数。 由麦克斯韦电磁场理论得到实变场场控制方程 ( 1 ) 场方程 ab 。e 百t( 2 - 1 ) vxh 一，+ 等 ( 2 _ 2 ) vxb 二o ( 2 3 ) vx d ；p ( 2 _ 4 ) ( 2 ) 媒质状态方程 d 一娃 b = 口h r 二口e 式中：p 为电荷体密度： d 为电位移向量： 6 ( 2 _ 5 ) ( 2 _ 6 ) ( 2 - 7 ) 抽油杆裂纹的电涡流检测原理 e 为电场强度： b 为磁感应强度； h 为磁场强度： j 为电流密度； o 为材料电导率； u 为材料磁导率； e 为材料介电常数 引入矢量磁位a ：b = v x a ，代入麦克斯韦方程组，得到 叮e ；一vx 而oa ( 2 8 ) ，= 一。百0 , 4 + 五 ( 2 9 ) 式中 l = 一。口妒 ( 2 1 0 ) 所以有 专( v xvxj 4 ) = - 。警“ ( 2 - 1 1 ) 由矢量运算可知 可xvx = 一 一 + 可( 口固( 2 - 1 2 ) 考虑到a 的任意性，取v a = o ，于是式( 2 _ 1 1 ) 变为 七n = a 警一 ( 2 1 3 ) 对于角频率为u 的正弦恒稳场上式简化为 专矿 ；一l + j ” ( 2 1 4 ) 由麦克斯韦电磁场理论得n - - 维情况下分量形式的控制方程 七( 雾+ 哿) i _ 一 ( 2 _ 1 5 ) 取伽辽金变分，得到能量泛函为 1 1 7 1 一, 1 - 盯。 妇( 等) 2 + ( 誉) 2 j 一 ， + i h 膏) dx 6 v ( 2 - 1 6 ) 对整个求解区域离散化，采用三角形单元剖分，位移函数取线性插值。结合边界条 件求解，即可褥到该问题的数值解。求出导体、探头线圈及空间的电涡流场分布以后，可 直接利用各点的磁位向量求解探头的复阻抗 ，止丛 ； 互 ( 2 1 7 ) 西安理工大学硕士学位论文 式中为线圈中电流的有效值对整个线圈而言，如要求得整个截面上的总阻抗 即对各点进行叠加 z 一z ( t 1 8 ) 圈这 i ： 一仉l o 、 h o o 2ii ，h m 图2 _ 4 探头阻抗随裂纹深度变化规律 ( 4 ) 工作频率越高，趋肤效应越严重，探头所能检测出的最大裂纹深度越小，故工作 频率不能太高：但工作频率越高，涡流场变化越大，灵敏度越高。这里存在矛盾，需均衡 考虑。 ( 5 ) 工作间隙越小探头对裂纹的灵敏度越高反之越低。由于工作间隙变化引起 的灵敏度改变称为提离效应。 抽油杆裂纹的电涡流检测原理 三电涡流裂纹检测影响因素 由麦克斯韦等式可解得： v 2 1 4 62 4 = 0 ( 21 9 ) 式中k 2 = j 。( o + ju ) 。如果只考虑平面电磁波入射到无限大导体这一情况， 则有： 警叫肛。 ( 2 2 。) 式中h ：为被测金属深层的磁场强度。微分方程( 2 0 ) 的解为 h 2 = c i e 一“+ c 2 e 6 ( 2 2 1 ) 因为导体在x 方向的延伸不受限制，即x 可趋于+ 。o ，故常数c ：必为o ，则 凰= c p “( 22 2 ) 式中 = ，甭两i 再丽，对于金属，。e 。，则 女俑2 岩而 ( 22 3 ) 当x = 0 时c ，= h 。其中h 。：为被测导体表面的磁场强度( a m ) 。那么，被测导体深 层的磁场强度为： ；：，p 、一睾向 ( 22 4 ) 由式( 1 ) 及式( 8 ) 的假设条件可得： 警= 一 于是： 以= 一击 。， 亭筇 = f l + ，) ( 等) 舅i 式中j v 为导体深层的电流密度。当x = o 时，导体表层的电流密度为： 9 ( 22 5 ) 鱼盎堡三查堂壁圭童堡垒苎 ，0 r = ( 1 十j ) ( 等) * ( 22 6 ) 于是 = 妇1 ”等 f 1 ( 2 2 7 ) 由式( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ，并综合线圈的本身因素可知，线圈与金属导体构成的系统的物理 性质通常可以由电导率盯与导磁率卢，线圈尺寸因子( 半径) 、f ( 厚度) 及x ( 线圈与金属导 体之间距离) ，激励电流，和频率等参数来描述，线圈的阻抗可用函数z = f ( 盯，r ，t ，x ，脚) 表示。如果控制其中的某些参数不变，显然，通过测出不周激励情况下线圈阻抗z 的变化 情况，则可求出另外的参数。 本课题中，线圈的阻抗函数可表示为z = f ( a ，肛r ，f ，x ，u o ，d o ) ，其中卢，盯， 。， u 。，舐为已知量，因此，只要施加不同频率的激励信号。通过测得不同激励情况下u 。的 值确定裂纹的大小，来判断抽油杆是否合格，也即是根据测得的【么的值的大小来进行判 断。 四多频检测原理及其在裂纹检测中的应用 抽油杆检测过程中存在很大的干扰信号，本文主要解决杆件粗细不均匀与机械抖 动的影响。杆件粗细不均匀和机械抖动，本质上都使传感器和抽油杆的距离发生改变。 由于提离效应，传感器和抽油杆的距离的改变将引起传感器灵敏度的变化，从而干扰传 感器的正常输出。因抽油杆粗细变化比较平缓，可认为在较小区域内粗细是均匀的：另 外可认为相邻区域的抖动位移相等。 在测量抽油杆裂纹大小的过程中，必须考虑到有上述因素带来的提离效应，避免给 裂纹检测带来一定的测量误差，一种方法是进行补偿，但这样监视检测设备被变得复杂， 并增加设各成本用多频检测技术能成功抑制干扰信号，把缺陷信号与干扰信号( 抖动) 相分离，提取所需信号因为缺陷信号与干扰信号对探头的反应是相互独立的，利用这一 点，可以改变检测频率，来改变涡流在被检材料中的大小啦同一缺陷或干扰在不同频率 下对涡流产生不同的反应，通过信号处理，消除干扰的影响，仅仅保留缺陷信号，同时， 由于裂纹信号包括了裂纹的深度和宽度，仅仅用一个频率无法充分描述裂纹信号，所 以在本系统中，实际上是对测量线圈施加三个不同频率的激励信号，用以分离出提离信 号，裂纹深度和裂纹宽度信号，并对信号处理以判断抽由港是否合格。以下为对多频 检测原理的介绍和证明。 抽油杆裂纹的电涡流检测原理 在信息传输理论中香农定理指出：一个信号说传输的信息连同信号的频带宽度以 及信噪比的对数比成正比，用公式表现为： c = w * l o g z ( i + s n ) ( 22 8 ) 式中c 一信息的传输率。 w 一一频带的宽度 s n一信噪比 上式表明，在信息的传输过程中，使用的频率的个数越多( 即频带) ，获取的信息量 越大因此，可根据所需的检测的作用参数( 如缺陷，镀层厚度等) 和所需要排除的干扰 信号( 如支撑板，蒙皮，提离等) ，适当的选取多个频率组合的电流去激励检测线圈，然后 对受作用参数调制的输出信号按多个检测通道加以放大，分别进行解调并把解调信号 的各个分量以指定的方式组合起来，综合分析处理 多频涡流法每一个检测通道都是所有影响参数作用的结果，对于n 个作用参数，严 格的说，要求有n 个或2 n 个独立的检测通道，一边能将所有的参数分离，使每一个通道 表示一个参数 实现上述理论的电路原理图结构( 以双频检测为例) ，如图所示 困 图2 _ 5 多频检测原理图 由图可知，多频信号发生器给探头装置提供激励信号r l ( t ) ，受工件参数的影响，探头 的响应信号r 2 ( t ) 中包括了受工件参数影响的调制信号r 2 ( t ) 信号按各自频谱送入滤波 检波单元与此同时，多频信号发生器也提供了一组基准信号r 3 ( t ) 给正交检测电路检波 西安理工大学硕士学位论文 后的低频信号主要反映了工件参数信息，这一组信号按一定方式进行预处理，给出信号 集y i0 = 1 ，2 ，3 ，n ) y i 的系数取决于对信号的要求，单所给工件参数不随时间而变化时， 这些系数信号也同样固定，但由于工作状态的改变，系数信号也将随信号的调制而改变 多频检测的目的是为了实现多参数的检测，为将各个参数信号分离提取出来，需要 一系列的数学计算，调整( 如高斯消元法，多维空间矢量转换法，神经网络计算法) ，实现从 信号集到与工件参数相对应的信号集的转换。 现假设用两频率进行测量，设频率为f 1 ，f 2 则有如下关系式： u l - f i ( h ，d ) ； ( 2 - 2 9 ) 1 1 7 = f 2 ( h ，d ) ( 2 _ 3 0 ) 其中h i 频率f l 时传感器输出电压； 1 1 2 频率f 2 时传感器输出电压： h 待测信号： d 传感头到被测金属板距离： 即是说：当其他参数不变时，传感器的输出电压是裂纹和位移的函数：若上面两个 方程组线性无关， 则联立求解，就可直接求出被测体的裂纹和位移 下面证明以上两式相互独立 根据前面所述可知，对放在金属体上方的电涡流传感器的线圈的阻抗大小与下面几 个因素有关 ( 1 ) 磁场的穿透深度k ， ( 2 ) 激励信号的频率c ( 3 ) 被测体的电导率6 及导磁系数u ， ( 4 ) 被测物体温度t 及其与传感器距离d ； ( 5 ) 待测信号h ( 在本课题中) ： 所以线圈阻抗可以表示为 z = f ( f 6 ，k , t ，u ，h ，d ) ( 2 31 ) 由于对被测体而言，6 。u 的变化归根到底是由温度t 的变化引起的，温度t 可以看 作不变，所以也可以用下式表示： z = f ( f , h ，d ) ( 23 2 ) 由式2 - 3 2 可见，传感器线圈的阻抗是f , d ，h 的函数，其给传感器施加不同频率的激励 信号f l ，f 2 ，则传感器的等效阻抗也可分别表示为 z 1 = t 1 ( h ，d )f 23 3 ) 抽油杆裂纹的电涡流捡测原理 z 2 2 f j ( h ，d ) ( 2 3 4 ) 由于z ，f 之间成非线性关系，因此，z l 。z 2 线性无关所以可从方程式2 3 3 ，2 3 4 中解出 因为u l 与z i ；u 2 与z 2 是一致的，所以h ，d 可表示如下： h 2 f 3 ( u l ，u 2 )( 2 3 5 ) d = f i ( u , m )( 2 _ 3 6 ) 因此，只要铡出不同频率下，传感器的输出电压，就可以解出待测信号h 及传感头与 杆之间的距离d 多频涡流法是同时用几个频率信号激励探头，较单频激励法可获取更多的信号。对 拾取的涡流信号综合分析，同时有效地抑制多种干扰和提高缺陷信号的信噪比，达到去 伪存真，提高现场检测的灵敏性、可靠性和准确性的目的。多频法检测具有下列优点： ( 1 ) 兼顾检测灵敏度与有效检测深度。设置高频可提高对表面缺陷的检出灵敏度， 但有效检测深度较小：反之，设置低频则有助于加大有效检测深度，但表面缺陷信号较 低。采用两个或多个频率信号同时进行检测，再辅以不同的参数配置( 场强、增益、相 位) ，即可满足不同层深、不同形状缺陷的可靠检出。 ( 2 ) 可抑制实际检测应用中许多因素的干扰，如热交换管管道中的支撵板、管板、 凹痕、沉积物、表面锈斑和管子冷j n _ t _ 产生的干扰噪声，汽轮机大轴中心孔、叶片表面 腐蚀坑、氧化层等引起的电磁噪声，以及探头晃动提离噪声等。 理论与实践表明，被测工件的缺陷和上述干扰因素对不同频率的激励信号各有不 同的反应，可反映出不同的涡流阻抗平面。利用这一原理，将两个( 或多个) 不同频率的 正弦波同时激励探头，然后由两个( 或多个) 通道分别进行检波、放大和旋转等处理，此 后，通过多个混合单元的综合运算，就可有效地去除信号干扰，准确地获取缺陷信号。 硬件设计 本系 第三章硬件设计 隔市 且 单片机 系统 ( 信号离通 d处理) 放选 女桶 图3 _ 1 测量电路简削 一激励源 在本测量系统中，采用了多频多参数法，对激励源的要求较高，需保证信号频率 在测量过程中保持不变，传统检测电路往往采用正弦波，但要得到波形良好，频率、幅 值十分稳定的正弦波往往比较困难，在这里，我们采用的是方波，因为稳频稳幅的方 波信号较易获得，由傅立叶级数我们知道方波信号具有无穷多阶奇次谐波。同时我 们也知道，从方波发生器中出来的方波信号比较稳定，具有较高的信噪比，因此，若 把方波信号作为测量电路的激励源信号，可以很大程度上降低测量电路的噪声。 本测量系统采用的是锁相环电路c d 4 0 4 6 ，它内部包含相位比较器、压控振荡器 ( v c o ) 及其它辅助电路。可用于频率合成器、鉴频器、f m 或f s k 调制与解调器、数据 传输位同步恢复与载波提取及电压一频率变换等设备。是一种通用性较强的集成电路。 本测量系统只使用锁相环中的压控振荡器就可构成电压频率转换器，其电路图如 图4 所示。电路的特点是将1 2 脚悬空，使r 2 趋向无穷大，取改变电位器r p l 的位置，使 v c o 的控制电压从0 v 连续升到v d d ，从第4 脚就可以得到连续可调的的方波输出信号。 引脚功能说明： v c o ，、v c 0 0 _ 压控振荡器的输入与输出信号。在锁相环电 路中，通常v c o 来自相位差低通滤波输出以平均电压控制 v c o 的振荡频率。其输出直接( 或经分频) 作为参考信号加 到相位比较器。 s r 一源极跟随器输出。 i n h 一控制信号输入，若i n h = l ，允许v c o 工作和源极跟随 器输出：若i n h - - h ，则相反，电路处于降功耗状态。 i 冉b 2 冉k 3 件乜 4 峨 5 哺 c ， 7 ： l 屹 r l 、r 2 一外接电阻至地，分别控制v c o 的最高和最低振荡频率。 i 厶 皤 2i i p i l 自h n ki ) r l 1 2 詹l 1 i d 舒l l o v d o 。9 西安理工大学硕士学位论文 c 1 一接于6 7 端的电容，控制v c o 的振荡频率。 p d 、p d 一两上位比较器输入信号。通常p d 为来自v c o 的参考信号； 0 i v 左右的小信号或该波内部放大整形电路，送至相位比较器。 p d 。一相平比较器1 输出的相位差信号，它采用异或门结构， p d o i = p d l l + p d l2 。 p d 输入允许将 即鉴相特性为 p d 。广相位比较器2 输出的三态相位差信号，它采用p d 、p d 上升沿控制逻辑。 p d 。广个相位比较器2 输出的相位差信号。也为上升沿控制逻辑。 v ：一内部独立的齐纳稳态二极管负极，其稳态值v t 5 8 v ，若与t t l 电路匹配时， 可作辅助电源。 v d d 一正电源，通常选+ 5 或+ i o v 、+ 1 5 v 。 在本课题中，由于采用的是三频检测，需要三个 频率的激励信号，由傅立叶级数我们知道，任何周期 性号都可以看作是无数次正弦波的叠加。在这里可以 采用一个4 0 4 6 芯片，利用其产生一定频率的方波，方 波信号具有无穷多阶奇次谐波( 偶次谐波幅值为零) ， 根据课题的需要。我们只需利用它的低次谐波( 如一，三， 图3 - 2 波形产生电路 五次谐波) 。这种方法的优点是从方波发生器中出来的方波信号比较稳定具有较高的 信噪比，若把方波信号作为测量电路的激励源信号，可以很大程度上降低测量电路的 噪声。但这种方法也有几个缺点，如高次谐波的幅值较小，信号微弱，同时频率高时 容易导致“集肤效应“，不利于检测；因此，我们在这里采用的是利用4 0 4 6 ，产生矩 形波信号因为矩形波信号不但具有方波稳定，信噪比高的优点，同时，它的偶次谐 波幅值不为零，也就是说，我们可以利用它的一，二，三次谐波，不但提高了谐波的 幅值，也可以更好的兼顾检测的有效深度和宽度。 由于上图只能产生方波，要想产生所需的矩形波还需另加电路实现，在这里我们 采用7 4 l s l 2 3 ，2 端每输入一个脉冲，7 4 l s l 2 3 就输出一脉宽一定的脉冲，该脉冲的宽 度由w ，c 的值决定，调节w 可实现对脉冲宽度的调节，7 4 l s l 2 3 的1 3 端为电路的输出。 如图 硬件设计 图33 脉宽调整电路 经过对各种脉宽矩形波的傅立叶级数加以计算，一方面考虑应使矩形波的一，二， 三次谐波的幅值尽量大，另一方面让波形比较简单，最后，采用占空比为四分之一的 矩形波，如下图： 厂 厂 厂 图3 - 4 矩形波波形 送入涡流传感器检测电路。 二电涡流检测电路 1 弼庸瑟眦 图35 等效图形 图中c 为探头谐振回路电容，r 。为电容c 的损耗电阻，由于电容c 的q 。值很高。故 r 。可忽略不计，l 。为谐振回路电感，r ，为l 的损耗电阻，l 2 为涡流的等效电感，r 。为涡流等 西安理工大学硕士学位论文 效损耗电阻l 。与b 的耦合系数为k ，互感为m 。 k = m 扛五 且有探头在自由空间时，线圈的阻抗为 z l = r l + 一厶 这时线圈的等效品质因数q 。，为 吼= w 厶r l ( 3 _ 1 ) ( 3 _ 2 ) ( 3 - 3 ) 当探头贴近钢板表面时由涡流引起的等效电感和电阻被反射到探头的谐振回路中 即反射阻抗 式中，一般( j - 2 ) r 。同时有 则 肘2 = 七2 厶三2 乞；譬也一一也；“ l 。 。 因此。总的回路损耗电阻约为 + 堕r ， r 1 + 彳r 总的回路电感为 ( i 一七2 ) ， ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 在图3 5 ( a ) 的等效电路中将次级对初级的影响折合到初级，其等效电路如图3 5 ( b ) 所示。 当探头在自由空间时，探头回路c 和l 。组成的并联谐振回路的谐振频率 ，一 i t o 一2 石雨 ( 3 9 ) 图3 6 为并联谐振回路谐振曲线，见曲线l 图3 _ 5 并联谐振回路谐振曲线 硬件设计 当探头贴近钢板表面时，其等效谐振回路的谐振频率变为 1 肛司赢 p 一1 0 其中k 值随探头与钢板接近程度不同而发生变化，且越接近k 值越大。但总是小于 1 的数，因而其谐振频率提高，在贴紧无裂纹的钢板，幅频特性曲线见曲线2 。表面无裂 纹时频率最高。探头贴近钢板移动遇到裂纹时，由于涡流路径变长，等效的l 2 与l 1 耦 台变弱，k 值减小，则频率f 降低为f 2 。幅频特性见图3 6 曲线3 ，降低的程度与裂纹的 深浅和宽度有一定关系，利用曲线2 和曲线3 之间的差别可得到在一个频率下裂纹信号 的测试结果。 采用谐振电路的优点是利用谐振曲线陡峭的性质，即当电感变化量很小时，也可以 得到较大的电压变化量，它的这种特点采用单频检测时比较适用，但由于本课题采用 的是三频检测，要想使谐振曲线陡峭。必须附加控制电路调节电容的大小，使谐振频 率不断变化，以满足要求，这样做增加了电路的复杂性和不稳定性 2 。我们在这里采用了第二种方案： 为提高测量的抗干扰能力。在测量技术t l - 用 得比较多的一项技术就是电路补偿。本测量系统 的补偿电路如图3 7 ，图中【，。为检测电路输出量， 厶为检测线圈，满足关系式：l = 厶，胄= r ：。 这样，在电路处于非检测状态时，u 。= 0 ，当电 路处于工作状态时，l 乜路输出电压u 。随着被测量 的变而变化，( ，。的变化幅度体现的就是被测参数 i _ | i37i u 涡流传感器补偿l n 路 物理量的变化量。一方面，减小了后边的电路的功耗，有助于信号的放大；另一方面 减小了噪声，有助丁数据的采集和处理。 但是，小采用谐振电路的缺点也是想而易见的，那就是虽然电感量发牛了变化， 但由此造成的电压变化量变化并不显著，由上节可知，激励源采用的是矩形波发生器， 其输出波形为标准的t t l 电平，低电平不超过0 7 伏高电平不超过j 伏如果直接 用它作电涡流检测电路的激励源，电压变化比较小，虽可经放大器加以放大当也容 易引入噪声，为了改善这种情况我们采用的是用强激励源加以激励。 要想产生强激励源必须对现有的激励源加以放大但在这罩，我们并没有采用 一般的运算放大器，因为运算放大器接有内补偿电路时，通频带