（机械设计及理论专业论文）汽车纵梁冲压裂纹在线检测系统.pdf

长春1 = 业大学硕士学位论文 摘要 纵梁是载重汽车底盘上重要的部件，纵梁的可靠性直接决定着运输过程中的稳定 安全，纵梁通常用1 6 v i n 高强度热轧钢板经冲压弯曲成形和冲孔两道工序制成。在冲 压折弯过程中，由于材质、应力等问题会使板材折弯处出现裂痕。研制一种智能检测 系统来提高裂纹检测的生产效率和准确度。对于推动我国汽车工业的发展和实际生产 都有重大的意义。 本文首先介绍了五大常规无损检测方法，依据纵梁冲压裂纹在线检测的实际工况， 通过比较得出了电涡流检测方法的可行性。然后根据电涡流检测的基本原理，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 多参数检测技术在纵梁冲压裂纹检测中的可行性。 在检测时由于传输过程中产生振动等干扰因素，从而产生幅度较大的提离干扰信 号，这些干扰信号严重地影响了裂纹等缺陷信号的识别，致使缺陷漏检或误检。因此 设法区分、抑制干扰信号，提离出裂纹缺陷信号是涡流检测纵梁裂纹的技术关键。通 过选择合适的激励电源和传感器设计了涡流检测的硬件电路，课题选用了p c i 1 7 1 1 数 据采集卡，并设计了反向放大电路和滤波电路来提高传输信号强度并滤出干扰信号。 通过传统仪器与虚拟仪器技术的比较。课题采用l a b v i e w 软件开发平台设计了测 控系统，整个检测软件的控制程序采用虚拟仪器的图形化编程软件，用l a b v i e w 软件 编程实现的检测系统，分析了数据与数据的处理系统，并设计了数据流的程序、程序 设计流程图，给出了涡流信号采集的l a b v i e w 程序面板和程序框图。 在数据处理方面，采用改进的b - p 神经网络对数据进行拟合，同常规b - p 神经网 络数掘拟合相比，不但减小了计算量，节省了检测系统在检测过程中的计算时间，同 时提高了数据拟合的精度。 关键词：汽车纵梁、电涡流传感器、提离效应、虚拟仪器、数据采集卡、b - p 神经 网络、数据拟合 长春工业大学硕 学位论文 a b s t r a c t t h es t r i n gp i e c ei st h a tt h ea u t o m o b i l ec h a s s i sf i x e st h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t ，t w ow o r k i n gp r o c e d u r ei sm a d ei n t ot h es t r i n gp i e c er e l i a b i l i t y t h eh i g hs t r e n g t hh o tr o l l e ds t e e lp l a t es t a b i l i z i n gs a f e t y ，t h es t r i n gp i e c e u s i n g1 6m ng e n e r a l l yi nb e i n gd e c i d i n gt ot r a n s p o r tp r o c e s sd i r e c t l ya sa r e s u l t o fs t a m p i n gt h ec u r v e df o r m i n ga n dp u n c h e dh o l e s i n c ep r o b l e ms u c ha sm a t e r i a l q u a lit y ，s t r a i nm a ym a k es h e e tm a t e r i a lb r e a kt u r nu pc r a c ka p p e a ro np l a c e i nb r e a k i n gc u r v e dp r o c e s su pi ns t a m p i n g d e v e l o po n ek i n do fe f f i c a c ya n d a c c u r a t ed e g r e e c o m i n gt oi m p r o v eac r a c kd e t e c t i o ni n t e l l i g e n c ed e t e c t i n g s y s t e m h a v es i g n i f i c a n tm e a n i n gt od r i v i n gd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ya u t o i n d u s t r ya n dp r o d u c t i o n f i v em a i nb o d yo fab o o kh a sb e e ni n t r o d u c e df i r s th a sn om e a nd e t e c t i n g m e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h es t r i n gp i e c es t a m p sc r a c ka c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n c h e c k i n gi ng l e a m ，b yt h ef e a s i b i l i t yh a v i n gr e a c h e de l e c t r i c i t ye d d yd e t e c t i n g m e t h o dc o m p a r a t i v e l y s e to f ff r o mw h e a te 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 d t h e o r y ，b et i e di nw e d l o c ki d e a lc r a c km o d e la n dt h e na c c o r d i n gt ot h eb a s a l p r i n c i p l et h a tt h ee l e c t r i c i t ye d d yc h e c k s ，f r o mh a v i n gt e s t i f i e dm u l t i p l e p a r a m e t e rd e t e c t i n go fm u c he l e c t r i c i t ye d d yf r e q u e n c yt e c h n o l o g yf e a s i b i l i t y i ns t a m p i n gac r a c kd e t e c t i o ni nt h es t r i n gp i e c et h e o r e t i c a l l y w a i tt od i s t u r baf a c t o rw h e nc h e c k i n gs i n c ep r o d u c i n gv i b r a t i o ni n t r a n s f e r r i n gp r o c e s s ，p r o d u c eb i g g e rm e n t i o n i n go fe x t e n tt h e r e b yb e i n ga w a y f r o mt h ed i s t u r b a n c es i g n a l ，t h ec r a c kt h e s ed i s t u r b a n c e ss i g n a lh a v e b e e n a f f e c t e dg r a v ew a i t sf o rt h ed e f e c ts i g n a l sd i s t i n g u i s h ，c a u s ead e f e c tn o t t om i s sa n dc h e c ku po rc h e c ku pb ya c c i d e n t t h e r e f o r et r yd i s t i n g u i s h ，r e s t r a i n t h ed i s t u r b a n c es i g n a l ，m e n t i o nb ea w a yf r o mp r o d u c i n gt h ec r a c kd e f e c ts i g n a l i st h a tt h ee d d yc h e c k ss t r i n gp i e c ec r a c kt e c h n o l o g yk e y s t i m u l a t ep o w e r s o u r c ea n dt h es e n s o rt oh a v ed e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i tt h a tt h ee d d yc h e c k s b yc h o o s i n gr i g h t l y ，t h ep r o b l e mh a ss e l e c t e da n du s e dt h ep c i 一1 7 11d a t ac o l l e c t c a r d ，a n dh a sd e s i g n e dt h a to p p o s i t ed i r e c t i o na m p l i f i c a t i o nf i l t e r so u tt h e d i s t u r b a n c es i g n a lt o g e t h e rc o m i n gt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o ns i g n a li n t e n s i t y c i r c u i ta n dw a v ef i i t e r i n gc i r c u i t p a s st h et r a d i t i o ni n s t r u m e n ta n dt h ec o m p a r i s o ns u p p o s i n gt h ei n s t r u m e n t t e c h n o l o g y a n dt h ep r o b l e ma d o p tt h el a b v i e ws o f t w a r et od e v e l o pp l a t f o r m t oh a v ed e s i g n e dm a c s y m ，e n t i r ed e t e c t i n gs o f t w a r eu n d e rt h ec o n t r o lo f 堡童王些盔兰堡! ：兰些丝奎 p r o c e d u r ea d o p t st os u p p o s e t h ea r t w o r k r i z a t i o ni n s t r u m e n tp r o g r a m m n g s o f t w a r e ，u s et h ed e t e c t i n gs y s t e m sa n a l y s i s ，t h ed a t aa n dt h ed a t at h a tt h e l a b v l e ws o f t w a r ep r o g r a m m i n gr e a l i z e st r e a t m e n ts y s t e m ，h a sd e s i g n e dt h ed a t a s t r e a mp r o c e d u r e ，p r o g r a m m i n gf l o wc h a r t ，h a sg i v e ne d d ys i g n a lc o l l e c tl a b v i e w o u tt h ep r o c e d u r ef a c ep l ya n dt h ep r o c e d u r eb l o c kd i a g r a m 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 v eb pn e u r a ln e t w o r kt o f i t t i n gd a t a ，t h er e f o r m a t i v en e u r a ln e t w o r ki s m o r ee f f e c t i v et h a n n o r m a l n e u r a ln e t w o r k k e yw o r d s ：a u t o m o b i l es t r i n gp i e c e 、e d d y c u r r e n ts e n s o r ，m e n t i o ne f f e c t 、 v i r t u a ld e v i c e 、d a t ac o l l e c t i o nc a r d 、b - pn n 、d a t af i t t i n g 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名 绛佛刚 e t 期：仞7 年弓月矽日 长春t 业大学硕 学位论文 第一章绪论 随着经济的发展和社会的进步，检测系统、信号处理系统和计算机三大领域的协 调均衡发展始终是自动化水平飞速提高的必要条件。但是在过去的几十年里，检测系 统的发展却滞后于其它两大领域的发展，严重阻碍了自动化的进程。因此，大力发展 检测技术已成为全球的共识。 所谓无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g 简称n d t ) 是指在不损伤材料或成品构件 的前提下，根据材料内部因有缺陷或组织结构上的差异存在而引起的对超声、光、射 线、电磁信号等的变化来发现反映材料物理特性的特性参数变化的一种技术手段。目 前，无损检测技术中有五大常规方法，分别是超声法、射线法、磁粉法、渗透法、涡 流法。涡流法与其他方法相比有其独特的优点，与超声法和射线法相比，它不需要祸 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，涡流无损检测技术是无损检测技术中具有重要意义的一种方法。 1 1 电涡流检测技术的发展概况及发展方向 近年来，涡流检测技术有较快的发展，它不仅可以检测金属材料的腐蚀、裂纹和其 他缺陷，还可以测量金属表层硬度，镀层厚度等参数。目前，电涡流检测中主要涉及 到以下几种技术： ( 一) 阻抗平面分析法涡流检测时，采用正弦电流源激励。当探头在试件表面移 动时，随着材料特性的变化，探头的阻抗也发生变化，对应的涡流阻抗图上的轨迹就 表明了材料的特性。因此若在荧光屏上显示出阻抗曲线图，就可以给出被测试件信号 的幅值信息和相位信息，从而鉴别出干扰及有用信号。也有通过对试件及其周围空间 区域的电磁场列出麦克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈阻抗特 征的变化与被测工件各种影响因素之间的关系从而直接通过线圈阻抗的分析来评价工 件的某个待测量，这种方法避开了对磁场的具体影响去研究一个等效阻抗值，其中掩 盖了许多有用信息。 ( 二) 多频涡流检测技术多频涡流检测技术是l i b b y ( 美国) 于1 9 7 0 年首先提出的。 多频涡流检测技术的基本原理是几个不同频率的正弦电流源同时激励探头线圈时，检 测线圈对应于不同频率的输出响应信号随被测试件特性参数变化而变化，通过对输出 信号分析处理，就可以有效抑制多个干扰因素，实现多参数测量，提取有用信号。我 国多频涡流检测技术的研究与应用已基本达到国际同类水平。 ( 三) 涡流检测脉冲技术传统的涡流检测技术采用固定频率的正弦信号作为激励 线圈的激励源信号，脉冲技术则是采用一个阶跃脉冲作为祸流探头的激励源。显然这 长春工业人学硕士学位论文 个阶跃信号中包含了一系列连续的频率，因此对于几个不同频率的响应可以仅用一个 单一阶跃响应测量出来。涡流穿透深度与激励源频率有关，则采用一个阶跃函数就可 以得到某一范围深度的信息。脉冲涡流测量技术是在时域中进行的，首先在检测线圈 得到试件上无缺陷区域部分的脉冲响应信号，将其数字化后可根据测量值描绘出其曲 线相减，比较二者不同就可以分析出包含了缺陷特点在内的信息。 如图1 - 1 ，( a ) 图表示脉冲图，储存后作为标准参考曲线。然后将随后所测得的各样 本的脉冲响应曲线与该标准参考曲输入信号，( b ) 图中，实线波形表示无缺陷样本在脉 冲输入信号下的电流值变化曲线，虚线波形表示有缺陷样本在脉冲输入信号下的电流 值变化曲线，二者之间的差值包含了缺陷信息，通过对该部分信息进行分析可实现对 被测导体缺陷信息测量。 5 2v o ，m a 图卜1 涡流检测脉冲技术原理图 ( 四) 远场涡流无损检测技术远场涡流r f e c ( r e m o t e f i e l de d d yc u r r e n t ) 是一种 能穿过金属管壁的低频涡流检测技术，其探头是内通过式探头。它是由两个与管轴同 轴的螺线管线圈组成，其中一个是通以低频交流电的激励线圈，另一个是检测线圈。 与常规涡流检测探头不同的是，检测线圈是在远离激励线圈2 3 倍管内径处，能有效 的接收穿过管壁后返回管内的磁场，从而检测管子内壁缺陷与腐蚀。另外，检测量不 是线圈的阻抗变化，而通常是测量检测线圈的感应电压与激励电流之间的相位差。r f e c 技术克服了常规涡流检测由于集肤效应带来的局限性，适于检测铁磁性和非铁磁性管 子表面及内部缺陷，可以同样灵敏度检测管壁内外表面的凹坑、裂缝和总的壁厚收缩。 ( 五) 涡流成像技术目前，涡流成像技术主要有阻抗c 扫描图像和层析涡流成像。 阻抗c 扫描图像最常用的是伪三维图象显示。8 0 年代中期这种伪三维图像己被美国的 z e l e c 公司用于工业涡流探伤。1 9 9 2 年，t r e k 等人采用另一种方法获得同样类型图像， 所不同的是他们利用一个阵列探头在探测面仅仅扫描几次就可获得探测面的全部结 果。利用层析x 射线照相法原理建立起的涡流层析图像可以获得三维图像。法国的 p p r e m e 和m h a n n a d d j a f a r i 等人在理论和实际应用方面都做了许多工作。他们首先 2 长春工业人学硕士学位论文 建立一种能重现传感器响应的模式，然后测量数据，接着在测量数据和模式之间进行 相当好的折衷，最后根据数据进行反演成像。 目前，涡流检测技术的发展主要有如下几个方面：1 、涡流阻抗的变化，2 、远场 涡流技术，3 、涡流传感器的设计理论研究，4 、涡流检测技术对缺陷大小形状的三维 评价，5 、现代化涡流检测虚拟仪器。 1 2 涡流检测理论的研究状况 涡流检测是以电磁感应原理为基础，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。由于电 磁现象的复杂性，一般很难得到电磁问题的解析解，目前主要采用的是数值计算方法。 计算三维涡流场一直是电磁数值分析的重要内容。常用的方法有有限元法、边界 元法以及二者的结合法、棱边有限元法、积分方程法。积分方程把缺陷看成是等效电 流偶极子，通过计算等效偶极子产生的场，来得知缺陷对场的影响大小。因此，应用 此方法只需要对缺陷部分进行剖分计算，一般只需较少的内存和计算时间，且对缺陷 形状的适应性较好。但这种方法需要知道并矢格林函数。各类数值方法遇到的共同困 难是剖分复杂，计算量大，人们在努力寻求新的经济可行的计算方法，比如矢量渐进 边界条件、边界压缩技术等缩小有限元的求解区域；将小波分析技术、人工神经网络 技术等引入电磁场数值分析；将等效源法与数解相结合等。 对已知场源分布求解电磁场分布属于电磁场的正问题，大多数正问题的解存在且 唯一，如果选择合适的数值计算方法，一般情况下解是数值稳定的，即正问题多数是 适定的。目前己有许多成熟有效的数值方法进行求解，如有限元法和矢量法等。 缺陷识别又称缺陷重构，就是对涡流检测信号进行分析判别，给出导体中是否存 在缺陷以及缺陷的位置、大小、和形状等参数。缺陷识别属于电磁场逆问题，其目标 是根据有限的部分场信息推断源分布或根据源分布及部分场信息推断特定区域内媒质 的形状的分布。由于逆问题存在固有的非唯一性和非线性，因此，逆问题的求解远比 正问题复杂、困难，目前还没有普遍有效的算法。 逆问题的求解方法有标定法、优化法、神经网络法及信号处理法等。标定法比较 简单，目前的检测仪器都采用这种方法，但检测精度有待提高。优化法需建立一个目 标函数，然后根据各种方法求出其最小值。采用目前的一般优化法，往往得到的是局 部极值解而不是全局极值解，如选用全局优化法，虽然能获得全局极值解但需要过多 的时问。如果将一般优化法和全局优化法相结合，则可以收到较好的效果。神经网络 法可以用来进行分类识别和定量计算等，另外，近年来小波变换方法也用于电磁场数 值分析，这些都在逆问题的求解中起到了关键性的作用。 长春t 业人学硕十学位论文 1 3 虚拟仪器的发展及特点 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正逐 渐加深。新的测试理论，新的测试方法，新的测试领域以及新的仪器结构不断出现， 在许多方面已经突破了仪器的概念。在这种背景下，八十年代末美国成功研制了虚拟 仪器。所谓虚拟仪器就是利用现有计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形 成既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价新型仪器。它利 用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对 仪器的控制，数据分析和显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器 的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的 功能。它代表着仪器发展的最新方向和潮流。虚拟仪器中，计算机处于一个核心的地 位，传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。利用图形软件建立虚 拟仪器来完成仪器控制，数据采集，数据分析，数据管理和数据生成的任务，是现代 自动测试系统的一个显著特点，从这个意义上来说，软件就是仪器。 虚拟仪器的主要开发环境有b a s i c ，c ( 包括c + + ) ，v b ，l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 等等。其中b a s i c 和c ( 包括c + + ) 都是基于文本的传统编程语言。目前流行的开发环境 是具有良好用户界面图形的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s ；c y i 。 1 4 课题来源、背景及意义 在我国的现代化、城市化的建设中，载重汽车一直起着不容忽视的重要作用。汽 车底盘是汽车重要部件，上面承载着发动机、变速箱及车身等部件，下面连着悬架及 行走系统。汽车纵梁又是汽车底盘最重要的部件。载重汽车纵梁的安全可靠性直接决 定着运输过程中的安全，一旦汽车纵梁出现故障，其危害性是极大的。汽车纵梁是汽 车重要的承载部件，纵梁通常用1 6 1 v l n 高强度热轧钢板经冲压弯曲成形和冲孔两道工 序制成。在冲压折弯过程中，由于材质、应力等问题会使板材折弯处出现裂痕，纵梁 有裂缝将被视为不合格产品，不能安装使用。 本课题来源于长春一汽集团车身厂的生产实际需求，以往对汽车纵梁的检测都是 用人工进行肉眼识别，既浪费人力，又可能由于疲劳出现漏检等现象。因此长春一汽 集团车身厂要求能够有一种智能检测系统对汽车纵梁进行在线检测以提高生产效率、 增强检测准确度。好的质量才会塑造好的产品，而质量缺陷检测是保障质量的关键。 汽车纵梁的质量好坏直接决定着承载运输过程中的安全性，一旦汽车纵梁出现故障， 后果是非常严重的。只有保障汽车零部件的质量才能保障汽车的质量，而汽车零部件 的质量缺陷检测是问题关键。所以，研制出一套有效的汽车纵梁智能在线检测系统对 于推动我国汽车工业的发展和社会生产都有重大的意义。 4 长春工业大学硕士学位论文 1 5 本论文的研究内容 本论文主要做了如下几个方面的研究工作： 第一章首先介绍当前涡流检测技术的发展概况及今后的发展方向。同时简要介绍 了涡流检测理论的研究状况、虚拟仪器的发展及特点。阐述了课题来源、背景及意义， 并对论文的主要研究内容加以说明。 第二章从多个角度分析了电涡流检测工作原理及特性。首先介绍了电涡流检测的 基本原理，从而分析汽车纵梁检测时的涡流场的分布及传感器的阻抗计算。分析麦克 斯韦方程得到电涡流裂纹检测影响因素。其次介绍了提离效应的原理和对实验的影响， 提出克服方法。在汽车纵梁检测过程中存在很大的干扰信号，本文主要解决传输过程 中传送带机械振动的影响。传感器和纵梁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。在测量汽车纵梁裂纹大小的过程中，避免提离效应给裂 纹检测带来一定的测量误差，消除提离效应，达到去伪存真，提高检测的灵敏性、可 靠性和准确性的目的，并对多频检测的可行性进行了证明。 第三章介绍了汽车纵梁裂纹在线检测系统的硬件设计。首先描述了系统总体组成， 并采用了信号稳定、信噪比高的矩形波信号作为三频检测的激励源，通过谐振电路和 电路补偿两种方法的对比选用了电路补偿的方法设计了电涡流检测电路，并采用强激 励源的方法提升了激励电压。然后设计了涡流检测电路，介绍了传感器的选择与安装， 综合多种因素选择了性价比高的研华p c i 1 7 1 1 数据采集卡，并设计了反向放大电路和 滤波电路。 第四章对虚拟仪器技术进行了简介，说明了虚拟仪器的发展概况及种类、组成、 开发环境，并与传统仪器相比较说明虚拟仪器技术对在线检测系统的应用价值。重点 说明n i 公司的l a b v i e w 软件开发平台，简介了l a b v i e w 软件的概念、优缺点、组成部 分。在课题中基于l a b v i e w 软件的虚拟仪器的应用，分析了数据与数据的处理系统， 并设计了数据流的程序、程序设计流程图，给出了涡流信号采集的l a b v i e w 程序面板 和程序框图。 第五章简介了神经元网络，b p 神经网络具有思路清晰，结构严谨，工作状态稳 定，可操作性强等特点，可以以任意精度逼近任何连续函数，从而在模式识别、非线 性映射、复杂系统仿真等许多领域得到广泛应用。利用b - p 神经网络对所得到的数据 进行拟合，并给出了数据拟合结果。 第六章从实验数据的变化趋势来讨论系统的误差分析。首先对误差分析分类，误 差产生的具体原因，减小误差的改进方式做以阐述，随后根据实验选取一些数据，采 用改进后的b p 神经网络进行实验数据拟合，从数据拟合的结果看，其拟合精度能够 满足本课题的要求，虽然也出现了随着对样本数据的偏离增大，误差也相应有所增大 的情况，但这一点可以通过增加训练样本数目加以改善。 长春工业大学硕士学位论文 第二章涡流检测工作原理及特性 电涡流传感器检测作为无损检测的一种重要技术，具有非接触测量，结构尺寸小， 灵敏度高，环境适应性强，安装简单，操作方便等很多优点，被广泛应用在位移，振 动，镀膜厚度，尺寸，金属表面温度，硬度等参数以及探测金属材料表面的裂纹和缺 陷的测量领域。涡流检测原理主要是从电磁场理论，等效电路角度分析。前者一般是 通过对检测线圈形成电磁场中的试件及其周围空间区域列出麦克斯韦、磁场方程组及 定解条件，然后进行求解得到检测线圈阻抗特性( 或感应电压) 的变化与被检测工件各 影响因素之间的关系；后者是将电涡流传感器产生涡流后将其等效为涡流环，通过等 效电路分析，简化了涡流检测的定性分析。 本章首先简述电涡流检测的基本理论分析，然后在对涡流检测等效电路分析的基 础上，利用控制论中传递函数，频率响应等概念将涡流检测系统简化为一个二阶系统， 并对其进行了系统频率响应分析。利用涡流检测等效电路分析及系统频率响应分析的 结论，进而启发作者提出了采用方波作为激励源信号对涡流传感器系统的方波响应输 出信号进行频谱分析的方法来解决多参数测量的方案。最后针对几种分析方法的特点， 探讨了它们之间的相互关系。 2 1 涡流检测基本原理 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， 在受到交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。固定集中若干个参数不变，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。 7 长春t 业人学硕士学位论文 图2 一l 纵梁涡流检测原理 如图2 1 所示，在工件外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工件中将感生电祸流，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，如果工件处出现裂纹，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，从而使回路输出电压变化，只要测出了变化量就能确 定工件处裂纹存在，这就是汽车纵梁的涡流检测的基本原理。 2 2 裂纹检测的涡流场分布及阻抗计算 裂纹是涡流检测中最为重要的一类缺陷。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割分，计算量庞大，通常难以取得满意的结果。 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解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。图2 2 是纵梁在传感器探测时产生的涡流场。 图2 2 纵梁在传感器探测时产生的涡流场 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 1 线圈激励电流均匀分布； ( 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； 8 长春工业大学硕士学位论文 ( 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 v e ：一塑( 2 一1 ) a v x h ：j + 塑( 2 2 ) a v b = 0( 2 3 ) v d = p ( 2 - 4 ) ( 2 ) 媒质状态方程 d = 虎 b = “h j = o e 式中：p - 为电荷体密度； ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) d 为电位移向量； e 一为电场强度； b 为磁感应强度； h 为磁场强度； j 为电流密度； 仃为材料电导率； 为材料磁导率； s 一为材料介电常数 引入矢量磁位b = v x a ，代入麦克斯韦方程组，得到 v x e ：一v 娑 ( 2 8 ) a l j ：可娑+ j ( 2 9 ) a f 式中 所以有 j 。= - - o v p( 2 - 1 0 ) l ( v v a ) ：可拿+ j l ( 2 - 1 1 ) “d t 长春工业人学硕士学位论文 由矢量运算可知 v x v a = 一v 2 a + v ( v a ) ( 2 - 1 2 ) 考虑到a 的任意性，取驴a = 0 ，于是式( 2 1 1 ) 变为 三v 2 a ：仃丝一j 。( 2 1 3 ) 夙 对于角频率为( - 0 的正弦恒稳场，上式简化为 二v 2 a = 一j 1 + j a a ( 2 - 1 4 ) 由麦克斯韦电磁场理论得到二维情况下分量形式的控制方程 吉c 等+ 雾，= - j 1 + ，e a a a 防 取伽辽金积分，得到能量泛函为 f ( ) = f 【岛 ( 2 + 长) 2 】一j a + 争a a d x d y ( 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，即可得到该问题的数值解。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 z ：j c o a( 2 1 7 ) ，i 式中z 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 = 三z ， ( 2 1 8 ) 通过计算得到以下结论 ( 1 ) 纵梁内部涡流分布不均匀。随着深度的增加，涡流场强度近似呈指数衰减，相 位近似呈线性滞后，这就是涡流的趋肤效应和相位滞后效应。一般把导体内部场强为 表面强度的1 e 的深度定义为渗透深度。靠近线圈的涡流密度最大，可产生集肤效应， 以相对涡流密度为纵坐标，以深度距离为横坐标构成平面坐标图如图2 3 。 l o 长春t 业人学硕十学位论文 恒 镑i 娆 哽 制 型 燧 叫 韶 基 镑i 蟋 嚼 刹 阿 懈 耋匣置要壅 标准透八撅度 ab 图2 - 3 涡流密度与渗透深度关系 ( 2 ) 裂纹的出现将显著改变涡流场的分布，裂纹处的涡流场会发生突变。 ( 3 ) 裂纹的出现将改变探头阻抗。随着裂纹深度h 的增加，探头阻抗的幅值分量lz | 呈非线性变化，相位分量中近似呈线性变化。 ，、 ￥ 一 n 一 0 - 3 0 ，、- 2 0 一3 0 蔷一4 0 一5 0 6 0 。7 0 0 h ，n 吼 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。 2 3 麦克斯韦方程 由麦克斯韦等式可得： v 2 h 一七2 h ；0( 2 - 1 9 ) 式中k 2 = _ ，n w p + j e a e ) 。如果只考虑平面电磁波入射到无限大导体这一情况，则 有： 长春丁业人学硕上学位论文 _ a 2 h 广r 一七2 h ：o ( 2 - 2 0 ) 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 ：= c l e “+ c 2 e “ ( 2 2 1 ) 因为导体在x 方向的延伸不受限制，即x 可趋于+ * ，故常数c 2 必为0 ，则： h ：= c , e 七 ( 2 2 2 ) 式中k = 4 j e - o g ( a + j m e ) ，对于金属，雠 仃，则： | i * 扛面：_ l + j 知万 ( 2 2 3 ) 当x = 0 时，c 1 = h o ：，其中风：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： 胃：即一等厢( 2 - 2 4 ) 由式( 1 ) 及式( 8 ) 的假设条件可得： d h z ：- j 。 于是： ， j ，：一要。号厮】= ( 1 + 似半声风z e - ( 1 + j x 半# 川( 2 _ 2 5 ) 班z 式中j 。为导体深层的电流密度。当x = o 时，导体表层的电流密度为： j o y = ( 1 + 趴竺譬) j 日。： ( 2 2 6 ) 于是 j ：卅圳争川 ( 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磁导率p ，线圈尺寸因子“半径) 、t ( 厚度) 及x ( 线圈与 金属导体之问距离) ，激励电流i 和频率c o 等参数来描述，线圈的阻抗可用函数 z = f ( a ，tx ) ，表示。如果控制其中的某些参数不变，显然，通过测出不同激励情 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 ( c r ，p ，txo j ，u o ，d o ) ，其中 仃，p ，r ，工，c o ，d o 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，来判断纵梁是否合格，也即是根据测得的【，。的值的大 1 2 长春工业大学硕i ：学位论文 小来进行判断。 2 4 检测系统的提离效应的原理及克服 涡流检测是以电磁感应为基础的无损检测技术，它能对代表试件性能的各种参考 因素做出反映。因此在检测时必须采用有效措施来消除干扰因素的影响，以保证检测 的可靠进行。 在纵梁水平传输过程中，不可避免会受到颠簸抖动，试件和检测线圈之间的间距 发生变化，从而使检测线圈阻抗产生影响，称为提离效应。 提离效应是涡流检测中普遍存在的一种干扰因数。在多数情况下，提离效应引起 线圈阻抗的变化往往大于待测参数的影响，因此对提离效应一定要加以抑制。 从目前国内外较普遍采用的技术看，消除和抑制提离效应的办法无外乎以下几种 方法：不平衡电桥法、坐标旋转法、多参数测量法。 ( 1 ) 不平衡电桥法 不平衡电桥法是假定试件抖动的频率很低，可认为相邻区域的抖动位移相等。根 据这一情况，在每一探头的下部装置一个补偿探头，补偿探头与检测探头的结构、参 数、特性完全相同。在检测过程中，可认为两探头距试件的距离始终相等。在检测精 度要求不高的场合普遍使用。 ( 2 ) 坐标旋转法 旋转坐标法是根据提离效应对检测线圈阻抗的影响主要集中电感部分，并且提离 值是有一定限度的，借助微处理器技术来抑制提离效应的一种方法。图2 5 中r 是预 检测时，提离值为某一确定值时标准件上的复阻抗，将r 分成水平和垂直的两个分量h 和v ，h 和检测线圈的电阻部分的变化有关。将x y 坐标系旋转e 角至x o y o 坐标系。 在x 0 - y 0 坐标系中，v 和h 在y o 轴上( 即电感方向上) 投影值为= v e o s e h s i n e ， 调整e 值，使圪，趋近于零，这样，在y 0 轴上的提离效应便得到消除。 x 图2 - 5 旋转坐标法原理 在预检测的过程中，首先采用标准件，提离值是根据范围而折中选出的一个。用 长春t 业人学硕十学位论文 上述方法做几组提离值时的e 角，然后将这些e 值存储在微处理器的内存中。在正式 检测中利用微处理器存取速度快的优点，比较计算各个e 值时的0 的大小，然后将， 最小的值输出，这样就达到了最大限度地动态抑制提离效应的结果。 ( 3 ) 多参数测量法 信息传输理论中，香农一哈特莱( s h a n n o n h a r t l e y ) 定理指出：一个信号所传输的 信息量同信号的频带宽度以及信噪比的对数成正比，用公式表示为： c = 形- 鸭( - + 刳 式中，c 信息的传输率；w _ 频带宽度；s n 信噪比； 上式表明，在信息的传输过程中，使用频率个数越多( 即频带越宽) ，获取的信息 量越大。如果适当选取k 个频率组合的激励源信号加在传感器线圈，就可以得到关于k 个不同载波频率的调幅信号的叠加，通过带通滤波可以将k 个不同载频的调幅信号分 离开。即相当于通过n 个独立的方程求解n 个未知参数。而每一个调幅信号都有两个 互不相关的幅值和相位信号，则k 个调幅信号就得到2 k 个互不相关的信号，理论上， 从这2 k 个含有待测参数信息的信号就可以实现被测导体2 k 个参数的测量。如果任意 组合其中n 个信号就可以实现n 个参数的测量。原理框图如图2 - 6 个值拟合 图2 - 6 多频多参数测量原理 对同一裂纹长度、深度、宽度的裂纹样本，在0 - 4 m m 的不同提离值测得表2 1 数 据。绘制线圈阻抗与提离关系图2 7 。 表2 - 1 线圈幅值分量和相位筹分量与提离的关系 激励源频率5 0 0 k h z ；裂纹长度5 0 m m ；裂纹深度0 0 5 m m ；裂纹宽度近似为0 m m 提离( m m ) d123 4 幅值分量( v ) 3 1 53 5 83 8 94 2 14 5 3 相位差分量( 。) 5 15 15 25 35 5 1 4 长存工业大学硕士学位论文 4 7 4 s 3 4 。l 3 9 3 7 3 s 3 3 3 i 幅值( v ) o l2 相位差( 。) 6 0 5 8 5 6 s t 5 2 5 0 ) 4 8 4 6 al23l 图2 7 提离与线圈阻抗关系图 从图2 - 4 中发现提离干扰对阻抗幅值分量的影响较大，随着提离值的增加，幅值 分量近似呈线性增加，而对相位分量的影响却很小，一般当导体表面涡流密度由于提 离增加而降低一半时，相位的变化量不足1 。既采用相位变化识别裂纹深度具有高的 抗干扰能力。加之鉴于上面得到的试验结论，利用阻抗的相位变化，相对于阻抗的幅 值变化，来识别裂纹更为准确、便利。 2 5 多频检测原理及其在课题中的应用 汽车纵梁检测过程中存在很大的干扰信号，本文主要解决传输过程中传送带机械 振动的影响。传送带的机械振动，使传感器和纵梁的距离发生改变。由于提离效应， 传感器和纵梁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。 应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