（机械设计及理论专业论文）轴承钢球表面裂纹无损检测方法的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 1 2 2 p 7 加 摘要 随着科技的发展，在很多使用钢球的场合，对钢球质量要求“零缺陷”。由于 钢球是机械传动中的基础件，用量巨大，因此对钢球的检测必须快捷、高速。而 目前对于钢球表面裂纹的在线高速检测，在国内刚刚起步，实际应用中还没有很 大的突破；从国外进口检测设备价格又过高，钏球生产j 。家难以承受。针对卜述 状况，本文通过对钢球表面裂纹无损检测方法研究，提出了基于虚拟仪器的电涡 流无损检测方法，并据此来研制钢球表面裂纹检测系统。主要工作和取得成果如 下： ( 1 ) 对无损检测方法进行研究与分析，在儿种方法中优选了电涡流检测方 法，用于钢球表面裂纹检测，并且在此基础上完成了涡流检测的理论分析与计算。 ( 2 )将虚拟仪器技术引入到本课题，完成了检测系统的软件设计，实现了 钢球表面裂纹在线检测的数字化，便于信号的快速处理，为钢球的快速检测提供 了可行的方案。 ( 3 )完成的检测系统有两种工作方式，种方式是在线检测，即按照传统 的涡流仪器设备工作流程，对大部分的硬件电路功能利用软件代替，实现了检测 的数字化；另外一种方式是离线检测，即使用谱分析的方法，结合目前使用广泛 的阻抗平面显示技术，达到检测的定量分析。 ( 4 )对现代信号处理技术进行了研究与借鉴，将小波分析用于钢球表面裂 纹检测的去噪与特征值提取。为本系统信号处理方法的发展提出了一个新的方向。 通过上述的工作，设计完成了一套钢球表面裂纹检测系统。 关键词：无损检测；电涡流检测：谱分析；小波分析 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i nm a n yw a y s ，t h ez e r o - d e f e c t i v e i sd e m a n d e do nt h eq u a l i t yo fs t e e lb a l l s t h c s t e e lb a l l sa r et h eb a s i cp a r si n m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n da r eu s e dl a r g e l y ，s ot h es p e e do fd e t e c t i o nt o t h es t e e lb a l l si sr e q u ir e d h o w e v e r ，t h eo n l i n eh i g h - s p e e dd e t e c t i n go nt h es u r f a c e f l a wh a sj u s tb e e nu n d e r w a y ，w h i c hi s n tg r e a tb r e a k t h r o u g hi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ； a n dt h ep r i c eo fi m p o r td e t e c t i n gd e v i c e s i st o o h i g h t o a c c e p t f o rt h es t e e l - b a l l s m a n u f a c t o r y a i m i n g a tt h ea b o v et h i n g s ，b ym e a n s0 1 、t h er e s e a r c ho f t h en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g f o rt h es t e e l b a l l s s u r f a c ef l a w , t h ew a yo ft h ee d d yc u l t e n tn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e np u tf o r w a r da n d t h es y s t e md e t e c t i n g s u r f a c ef l a wo fs t e e lb a l l sh a sb e e nd e v e l o p e dw i t ht h ew a y t h ef o l l o w sa r et h em a i n w o r ka n da c h i e v e m e n t ： ( 1 )b ym e a n so ft h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，t h e e d d yc u r r e n tt e s t i n gm e t h o da m o n g s e v e r a ld e t e c t i n gm e t h o d sh a sb e e nc h o s e na n d u s e dt od e t e c tt h es u r f a c ef l a wo fs t e e lb a l l s o nb a s i co fi t ，t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no f t h ee d d yc u r r e n tt e s t i n gh a v ef i n i s h e d ( 2 ) d e p e n d i n g o nt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h ed e t e c t i o ns y s t e m h a sb e e nd e s i g n e da n dt h ed i g i t i z a t i o no f t h eo n l i n ed e t e c t i n gs u r f a c ef l a wo fs t e e lb a l l s h a sb e e na c h i e v e d ，w h i c hi si nf a v o ro ft h es i g n a l sf a s tp r o c e s s i n ga n da l s op r o v i d e s t h ef e a s i b l es c h e m eo ff a s tt e s t i n gf o rt h es t e e lb a l l s ( 3 ) t w od i f f e r e n tm o d e sa r ea d o p t e dt od e s i g nt h es y s t e m o n ei st h eo n l i n e p r o c e s s i n gw h i c hr e p l a c e s a m a j o r i t yo f h a r d w a r ec i r c u i tw i t hs o f t w a r e ，a n dr e a l i z e dt h e d i g i t i s a t i o no f t h ed e t e c t i o n t h eo t h e ri st h eo f l l i n ep r o c e s s i n gw h i c ha d o p t ss p e c t r u m a n a l y s i s ，w h i c hc o m b i n e st h ep o p u l a ri m p e d a n c ep l a n ed i s p l a yt e c h n o l o g yt o a c h i e i , c t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ed e t e c t i o n ( 4 ) b ys t u d y i n ga n dr e f e r e n c i n gt h em o d e r ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ； t h i sp a p e rus e st h ew a v e l e ta n a l y s i sm e t h o dt od e n o i s ea n dp i c ku pt h ee i g e n v a l u e d u r i n gd e t e c t i n gt h es u r f a c ef l a wo f s t e e lb a l l s ，w h i c hp u t sf o r w a r dan e wd i r e c t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to f t h es i g n a lp r o c e s s i n g b vt h ea b o v ew o r k ，as u i to fs y s t e md e t e c t i n gt h es u r f a c ef l a wo f s t e e lb a l l sh a s b e e nn o r k e do u t k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；e d d yc u r r e n tt e s t i n g ； s p e c t r u ma n a l y s i s ； w a v e l e t a n a l y s i s 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 课题的题目及课题来源 课题题目：轴承钢球表面裂纹无损检测方法的研究 课题方向：机电一体化，无损检测 课题来源： 湖北省科技厅科技攻关项目：数字化智能轴承钢球在线检测系统的研制 ( 2 0 0 2 a a l 0 4 8 0 4 ) 1 1 2 课题研究的目的和意义 钢球表面质量无损检测方法可广泛运用于轴承中钢球、丝杆螺母中的螺母等 异形表面质量的检测。我国的风云1 号卫星就是由于钢球损坏而导致使用寿命未 到而失去作用。由于球轴承已被广泛用于汽车、家电、航空等领域，这些产品愈 来愈高的可靠性要求对钢球的质量要求已不仅仅是杜绝裂纹、黑点、划伤、空洞 和啃伤等明显伤痕，对钢球的表面擦伤、小碰伤等过去让步接受的缺陷都视为不 合格，“零缺陷”已从过去优质品的要求变为对钢球产品的正常要求。钢球属于批 量加工产品，擦伤和轻微碰伤难以避免，在生产中完全杜绝不现实，只能通过成 品检验中对每粒钢球进行全球面扫描检测来遴选出不符合要求的产品。这需要大 批价格适中，灵敏度和准确度都较高的钢球检测设备。此类设备我国目前全部依 赖进口，但高昂的价格使此类设备没有在国内普遍使用。由于缺乏此类设备，目 前国内钢球厂对缺陷还是人工按比例抽检，检测方法也是传统的灯检，是将钢球 置于显微镜下放大1 0 0 倍，再与标准照片1 7 1 视对照，这种人工检验方法无疑需要 大量人力，生产效率难以提高，从而降低了钢球可靠性。 钢球企业通过多年的摸索与研究。掌握了一套适合国内设备的生产工艺，产 湖北工业大学硕士学位论文 品的技术参数与进口钢球指标相比差距不大，但由于国内钢球企业没有对钢球进 行全检，国产钢球在汽车、航空设备、精密仪器这些可靠性要求极高的领域内没 有竞争优势。据国家轴承学会统计，国家每年进口价值近1 4 亿元人民币的轴承用 于上述领域，其中钢球价值近5 亿元人民币。国产钢球的竞争劣势也影响了国产 球轴承的质量形象，长期以来，国产球轴承在低附加值轴承市场进行着低水平竞 争。入世之后，关税的降低与非关税壁垒的减少，会降低进口轴承、钢球与国内 同类产品价格的差距，国外产品的价格和技术的双优进一步增强进口产品的竞争 力。目前，汽车等行业已将钢球全检作为基本的使用条件，国外钢球的全检高品 质产品的冲击，也促使钢球生产企业必须配置该检测设备。检测能力的缺乏成为 我国钢球发展的“瓶颈”。 1 2 目前钢球检测水平和存在的问题 钢球表面的裂纹检测是一个实用性很强的攻关项目，需要与钢球企业进行充 分合作。由于国内科研机构缺乏与钢球企业的接触，不了解钢球的技术特性，钢 球智能检测的重要性还未引起我国科研人员的足够重视，国内钢球生产企业自身 的研发能力不强，无法独立开发钢球智能检测系统，使钢球智能检测系统成为我 国钢球研究的一个空白。国外研究机构对钢球类精密配件的检测研究起步较早， 已经研发出对钢球进行精确检测的检测仪器，并在钢球企业内得到了广泛地推广 运用。国际上最先进的公司有英国的泰勒公司、捷克的j o i n ts t o c k 公司等专门 研制、开发生产此类钢球检测设备，并形成了技术垄断优势。但国外检测仪器每 台售价高达7 0 万人民币，一般的企业很难有能力购买，特别是大量购买。 针对国内没有性价比很高的检测钢球表面质量检测设备，国外对钢球检测设 备的技术垄断的现状，本课题提出了基于虚拟仪器的电涡流无损检测方法，研制 电涡流无损检测仪，满足钢球企业对钢球表面质量检测的需要。 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 常规无损检测方法归纳及比较 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 ) ，就是在不破坏或损伤受检 对象的前提下、测定和评价物质内部或外表物理和机械性能和其他技术参数的一 种技术手段。包括探测材料或构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、 取向、分布和内含物等情况进行判断，还能提供组织分布、应力状态以及某些机 械和物理量等信息“i 1 2 1 1 3 1 。 从工业的常规检验出发，可以把无损检测方法分类为超声法、射线法、磁粉 法、渗透法、电磁涡流法等五种。从国外前些年出版的文献资料中可以看到无损 检测技术的资料发表，五类常规无损检测方法的文献约占全部文献数的7 1 到7 3 ，涡流检测占全部文献数1 3 1 4 1 , 并且近年来呈上升的趋势。 射线检测是五种常规无损检测技术之一。当射线( 即电磁辐射或粒子辐射1 透过 被捡物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线吸收能力不同( 以金属物体为例，缺 陷部位所含空气或非金属夹杂物对射线的吸收能力大大低于金属对射线的吸收能 力) ，透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，选用合适的检测器 ( 主要是射线胶片1 拾取射线照射被检试件所形成的透射射线强度分布图像，依据所 得到的图像判断试件中是否存在缺陷。其缺点是：只适宜检验体积型缺陷，即具 有一定空问分布的缺陷，特别是具有一定厚度的缺陷；检验成本高：射线照相检 测对裂纹类缺陷有方向性限制：需考虑安全防护问题。 超声检测是一种利用超声波在介质中传播的性质来对试件进行宏观缺陷检 测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征。其缺点是：使声源 在试件中传播需要耦合剂：试件的形状不能太复杂；只能对试件的缺陷定性的表 征。 磁粉检测是用于检测铁磁性材料( 包括铁、镍、钴等) 表面或近表面的裂纹以 及其它缺陷。当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷( 或组织状态的变化) 从而导致该处的磁阻有足够的变大时，在材料表面空间可形成漏磁场，将微细的 铁磁性粉末( 磁粉) 施加在此表面上，漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示出缺陷的存在 及形状。其缺点是：只能用于铁磁性材料；对表面缺陷最灵敏，随深度的增加检 湖北工业大学硕士学位论文 测灵敏度迅速下降；只能作定性的分析；对试件表面光洁度要求严格，不能有油 污或者粘附物；磁粉也可能对环境造成污染。 液体渗透检测法是检验非疏孔性金属和非金属试件表面上开口缺陷的一种无 损检测方法。将溶有荧光染料或着色染料的渗透力比较强的液体施加在试件表面， 利用液体对微细孔隙的渗透作用，将液体渗透到各种类型开口于表面的细小缺陷 中。然后用水和清洗液清洗材料或试件表面的剩余渗透液，将显示材料喷涂在被 检试件表面，在黑光或白光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈 现红色，用目视检验就能发现。其缺点是：只能定性的检出试件开口于表面的缺 陷：工序比较多：检测效果多凭检验人员经验，易受人为因素的影响；渗透液可 能对环境有污染。 涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。 当裁有交变电流的检测线圈靠近导电材料时，由于线圈磁场的作用，材料中会感 生出涡流。当材料出现裂纹时，会使涡流场发生畸变，最终结果会使检测线圈的 阻抗发生变化，通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得到被检材料有无缺陷的结 论。 与其它无损检测方法相比，涡流检测有其独特性，其的主要优点如下： 1 ) 对导电材料的表面或近表面检测有良好的灵敏度； 2 1 对磁性和非磁性导电材料均有效，能对导电材料的缺陷和其它因素的影响提 供检测的可能性； 3 ) 与标准的裂纹深度数据库比较，可对裂纹深度定量检测； 4 ) 不需要耦合剂，可以非接触性测量： 5 ) 不需要清洗试件，对于对称试件便于实现高速、高效率的自动化检测。 6 ) 不污染环境，适合工厂检测们。 本课题要求的是在线检测钢球的表面裂纹，检测速度要求较高，达到每小时 检测2 0 0 0 颗。通过对国内钢球生产厂家进行调查，发现目前国内钢球生产厂家选 用的钢球表面裂纹检测设备大部分采用了电涡流检测技术，并且通过对五种常规 无损检测方法分析与比较后，发现在本课题中选用电涡流技术来检测钢球表面裂 纹是很合适的。 湖北工业大学硕士学位论文 l 4 本课题研究的主要内容 目前电涡流检测已经广泛应用，并且已有很多成功之例。在利用电涡流进行 试件表面裂纹检测已经取得了许多经验。但是用电涡流技术进行钢球的表面裂纹 检测在国内刚刚起步，还没有取得实际应用。本课题有许多项目值得研究，主要 的关键问题有： 1 钢球中电涡流信号的分析与计算 球中的电涡流信号不同于平板中的电涡流信号，其信号有其独特性。要测量 出钢球的电涡流信号，首先要分析研究其信号的性质，得出其信号的模式。通过 实验对其分析进行验证，并建立各种表面质量的电涡流信号数据库。 2 涡流信号的提取 在测量钢球表面质量的电涡流无损检测中，影响电涡流的影响因素很多，而 且钢球的表面质量中存在裂纹，裂纹的大小不同、深度不样；钢球表面的斑点， 斑点的大小和多少；传感器的激励频率和强度等都会影响传感器的输出信号系统。 3 信号的调理 正因为影响传感器输出信号的影响因素很多，干扰较多，输出信号相对较弱， 因此要对输出的信号进行调理，选择有用信号，去掉无用信号，以便适合于计算 机进行处理。 4 数据采集 采用合适的数据采集卡，选择合适的采样方式和采样频率，将数据采集到计 算机，以便于计算机进行分析和处理。 5 基于虚拟仪器的数据分析和处理软件 对采集到的信号必须进一步分析和处理，才能得到我们所需要的信号，消除 掉我们不需要的信号。根据数据处理和分析的结果，根据需要进行数据的可视化， 或者产生控制信号，实现钢球的自动检测和分类。数据的分析和处理是本课题的 一个重要方面。 湖北工业大学硕士学位论文 _ - - _ - l _ _ _ _ _ _ i _ 一ii - _ _ - _ l l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - _ - - i _ _ _ _ _ _ l _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ 第2 章电涡流检测原理 2 1 钢球表面裂纹电涡流检测的基本原理 涡流无损检测就是采用交变电磁场作为探测媒介来检测受检材料的性能，缺 陷和受检材料在几何尺寸上的差异。交变电磁场通常由探头线圈中的交变或脉冲 电流产生。该方法主要依靠被检材料的磁感应原理。 本文研究的是导电的铁磁性材料，在检测前先让钢球达到磁饱和，然后在钢 球侧面放置一个通有一定频率交变电流的半球形线圈，线圈周围空间产生了正弦交 变磁场，处于磁场中的钢球中将感生电涡流，感生电涡流也将产生交变磁场，线 圈与感生电涡流产生的磁场方向相反，两者相互作用后，使线圈的阻抗z 发生变 化，如图2 1 。很显然，当钢球表面出现裂纹时，感生电涡流在钢球的分布会发 生变化，最终会导致线圈的阻抗z 变化，从而使线圈的电流以及电压相应变化。 只要测量出相应的变化量，就能确定裂纹的存在1 1 i 1 2 11 3 11 4 1 6 1 o h o e 图2 - 1钢球检测原理图 2 2 电涡流检测的阻抗分析与计算 在涡流检测中，被检试件自身各种因素( 如电导率，磁导率，形状，尺寸和 缺陷等) 的变化，会导致感应电流的变化，最后反映在检测线圈的阻抗或次级线 圈感应电压的变化。而且各因素对阻抗或电压的影响程度各不相同，因此为了了 解涡流检测中被检对象的某些性质与检测线圈的电气参数间的联系，就需要对检 6 湖北工业大学硕士学位论文 i i i i 测线圈进行阻抗分析1 4 1 。 2 2 1 涡流检测的阻抗分析 阻抗分析法是以分析涡流效应引起的线圈阻抗的变化及其相位变化之间的密 切关系为基础，从而鉴别各影响因素的一种分析方法。从电磁波传播的角度来看， 这种方法实质上根据信号有不同相位延迟的原理来区别试件中的不连续性。因为 在电磁波的传播过程中，相位延迟是与电磁信号进入金属中的不同深度和折返回 来所需的时间联系在一起的。阻抗分析法直到目前仍是涡流检测中应用最广泛的 一种方法。在阻抗分析法的发展过程中，由于傅斯特的开拓性工作和实用化资料 的积累，在一般的实际应用中，以傅斯特建立的阻抗分析法表述较为著称1 4 i i s l 。 1 线圈得阻抗 在涡流检测过程中，检测线圈与被检对象之间的电磁联系可以用两个线圈的 耦合来类比。如图2 - - 2 ，设通以交变电流的初级线圈( 检测线圈) 的自身阻抗为z n ， 当初级线圈与次级线圈( 被检对象) 相互耦合时，由于互感的作用，闭合的次级 线圈内会产生感应电流；反过来，这个感应电流又会影响到初级线圈中的电流和 电压的关系，这种影响可以用次级线圈中的阻抗通过互感折合到初级线圈电路的 折合阻抗来体现。 i lj 2 卜 抗： 厶 图2 - 2 耦合线圈电路 用交流电路的分析方法，可以求得耦合线圈中互感电路中初级线圈的视在阻 z = r 。+ 夏i 毛；三丢r ：+ ，( m 厶一i i 毛： ：；虿m z ：) = r + j x c ：一， 湖北工业大学硕士学位论文 式中珊为交变电流的角频率； 篇( r ：一- ，础：) 为次级线圈通过互感m 折合到初级线圈上的等效阻抗。 引入了视在阻抗的概念，就可以认为初级线圈中电流或电压的变化是由于 电路中的视在阻抗的变化引起的，这样只要根据这种阻抗变化就可以知道次级线 圈对初级线圈的效应。从而确定被检试件的某些性质“i 1 3 11 7 j1 8 j 。 2 阻抗平面图 如果把次级线圈开路，即r ：一0 0 ，则由式( 2 1 ) 可以得到初级线圈的空载阻 抗： z = z o = 蜀+ ，越l ( 2 - 2 ) 若r 2 叶o ，则由式( 2 - 1 ) 可得 z = 矗，+ - ，m ( 1 一k 2 ) k 2 = ( 2 - 3 在r ，从m 逐渐变为0 的过程中，可以得到一系列相对应于视在阻抗的两个分量( 即 视在电阻胄。和视在电抗z 。= 础) 的值，将其描绘在以b 为横轴，x s 为纵轴的 坐标平面内，就可以得到如图2 - - 3 所示的一条圆曲线，这就是所谓的阻抗平面图a x 。 m 。 越。( 1 一k 2 ) o 图2 - 3阻抗平面图 湖北工业大学硕士学位论文 虽然阻抗平面直观的反映了被检对象阻抗的变化对初级线圈视在5 且抗的影 响，但是半圆形的位置与初级线圈本身的电参数、两个线圈之间的耦合系数以及 电流的频率有关。为了消除初级线圈自身阻抗的变化对圆曲线轨迹位置的影响， 需要对图2 3 进行归一化处理。如果把坐标纵轴的位詈向右移动只的距离，随 后将新的曲线坐标除以c 0 1 ，这样得到的轨迹半圆的直径重合于纵轴，半圆上端啦 标为( o ，1 ) ，下端坐标为( o ，1 一k2 ) ，半径为k 。于是这个圆的存在仅仅取决十耦 合系数k ，曲线上点的位置依然取决于参变量月，( 或，) 。图2 4 即为经过归一 化处理的线圈阻抗轨迹。经过归一化后，电抗和电阻都是无量纲的量，而且都恒 小于l ，由该方法得到的阻抗平面图消除了初级线圈自身阻抗的变化对z 的影响， 在涡流检测中具有通用性2 】1 3 1 1 4 1 i s l 1 6 11 7 1 。 x ； 以 1 i k 2 o r 。一r i c o l 图2 - 4 归化阻抗平面幽 2 , 2 2 球体的有效磁导率及特征频率 因为引起检测线圈阻抗发生变化的直接原因是线圈中磁场的变化，所以，在 对检测线圈阻抗进行分析时，首先需要分析和计算试件放入检测线圈后磁场的变 湖北工业大学硕士学位论文 化情况，然后得到检测线圈阻抗的变化( 或称线圈感应电压的变化) ，才能对试件的 各种影响因素进行分析。在长期进行涡流检测理论的研究和实验分析中，福斯特 提出了有关有效磁导率的概念，使阻抗分析的问题大大简化。因此，得到广泛的 应用1 3 11 4 1 。 有效磁导率的概念可以用通以交变电流的无限长圆筒形线圈内放置一外径充 满该线圈的导电圆柱体的例子来说明。f o r s t e r 假定该圆柱体横截面的磁感应强度 不变，磁导率沿截面直径变化，磁通量则等于圆柱体内实际通过的磁通量，从而 用假定不变的磁场和变化的磁导率来代替变化的磁场和不变的磁导率，并且把这 一变化磁导率定义为有效磁导率。同时推导出有效磁导率： ：j,4厂-y切。一(2-4)eft 弘。r | 雨j o 厅i k = 2 咖 式中，u 。为有效磁导率：a 为圆柱体半径( m ) ；j 0 为零阶贝塞尔函数：为一 阶贝塞尔函数。 引入有效磁导率后，把对应于贝塞尔函数虚宗量( 一，蛔) 的模为l 的频率，称 为特征频率，用矗表示。 可以推导出： ，：上 。2 x o n 2 ( 2 5 ) 由式( 2 。4 ) ( 2 5 ) 可以看出，的数值实际上随妇= 、f ， 的不同而改变。因此， y ，p 在分析检测线圈的阻抗时，常取杉作为参数【甜1 4 1 1 6 1 。 ，jg 由于本课题研究的被检试件为钢球，因此在计算检测线圈交流电磁场内钢球 球体的效应时，应将麦克斯韦方程组转换成球面坐标系，这些微分方程的解包含 下列边界条件i l l ： 1 ) 电场强度和磁场强度其切线分量的连续性； 2 1 磁感应强度法向分量的连续性。 使用上面的边界条件求解，并且与试验相结合，可以通过下式计算： 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 似= 罴 协s ， 式中盯球体材料的电导率，q m m 2 ： 皿- 球体的直径，c m ； 肼球体材料的相对磁导率； 对于非磁性材料而言，“= 1 。 2 , 3 磁饱和技术与退磁处理 本课题中被检试件钢球为铁磁性材料，其相对磁导率，远大于1 ，对阻抗影 响显著，其磁导率在检测时会发生变化，即使是相对微小的变化也会引起很大的 本底噪声。一般来讲，磁噪声对线圈阻抗的影响往往大于缺陷的影响，在识别缺 陷时很困难。另外铁磁性材料在带有磁性后，其趋肤效应很强，因而渗透深度很 浅，大约是非铁磁性材料的1 1 0 0 到1 1 0 0 0 。这样就妨碍了检测的高灵敏度，使检 测很困难i “。 克服钢球磁导率对裂纹检测的影响的方法是对钢球进行饱和磁化。当外加稳 恒磁场h 达到定值后，钢球的磁感应强度b 不再增加，趋于饱和状态，而磁导 率降到最小值。可以说其相对磁导率以为1 。磁导率的微小变化将不影响涡流线圈 的响应，这就降低了背景噪声及提高了信噪比，可以识别出不连续性信号。可用 可变的直流电磁铁或者用永久磁铁使钢球磁饱和1 1 i | 5 l 1 1 2 1 。 经过饱和磁化的钢球，在检测完毕除去磁化场后，会保留有剩磁，需要进行 退磁处理。通常采用的退磁方法多用通有交流电的退磁线圈进行消磁。是让带有 剩磁的钢球通过退磁线圈，在钢球逐渐远离线圈的过程中，其各部位都受到一个 幅值逐渐减小，方向在正负之间变化的磁场的作用。在这个磁场的作用下，钢球 的磁化状态将沿着一次比一次小的磁滞回线，最后回到未磁化状态0 点【5 i 1 1 3 1 1 1 4 1 ， 如图2 5 。 湖北工业大学硕士学位论文 b 矿。 ff 0 ， 矽 2 4 球体的裂纹检测 图2 5 退磁过程 h 在钢球的检测中，因为复杂的边界条件而不可能进行精确的数学求解，所以 球体中的裂纹效应是由实验确定的。取决于裂纹在检测线圈交流磁场中的取向， 球体中的表厩裂纹可以有三种基本位置”，见图2 - 6 。 长尺寸延伸方向 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 长尺寸延伸方向 图2 6 钢球表面裂纹长尺寸延伸方向图 1 ) 裂纹的长尺寸延伸方向平行于磁化场的方向，产生最大的检测信号。 2 ) 裂纹的长尺寸延伸方向与磁化场的方向有一定的夹角，夹角在0 。9 0 。之 间，产生中等的检测信号指示。 3 1 裂纹长尺寸延伸方向垂直于磁化场的方向、产生最小的检测信号指示。 对于产生大检测信号指示的最佳裂纹位置，裂纹的主横截面垂直于具有最大 涡流密度的平面；在中等的位置上，裂纹的横截面切断中等数量的涡流：当裂纹 处于最小可检测的位置时，裂纹面平行于涡流流动的方向，这时它基本上对涡流 没有影响，而且也并不产生涡流场的削弱。 2 5 电涡流检测的影响因素 通过对导电圆柱体线圈复阻抗平面的分析，可以得到公式： z ：二：1 一”+ “ ( 2 7 ) 一z o 2 云2 一目+ 一p a r 。 式中z 。为空载阻抗； & 为空载电压： 玎为填充因子。 由以上公式可以看出，在涡流检测中，线圈阻抗或电压与试件的电导率。、磁 导率u 、几何尺寸、缺陷情况、线圈至试件的距离以及检测频率f 等因素有关。分 析比较各因素对线圈阻抗幅值和相角的影响，对于分离混杂在一起的有用信息是 十分有益的。 湖北工业大学硕士学位论文 1 电导翠仃的影响 试件电导率对线圈阻抗的影响有如下规律。由特性函数1 一叩+ 私，。可以知 道。试件的电导率口只出现在靛峋的皴量b 等卜际群磁 性材料和试件直径不变时，电导率只影响阻抗值在7 乃曲线上的位置。就是说只 ，jp 影响阻抗值在曲线上的位置。 2 磁导率“的影响 对于非磁性材料，由于以* 1 ，磁导率看作不变化。磁导率不会影响线圈阻抗 的变化。对于磁性材料由于卢， i ，而且是变化的，其相对很小的变化，都会对 线圈阻抗有很大的影响。磁性材料的磁导率既影响了盯，即改变了夕幺，又使 特性函数中的琨“盯的值增大了纬倍。那各它的影响也有双重的效应a 如果当所增 犬时，一方面它使特性函数中的记p 毋增大，即阻抗值要落到新的以增大了的曲线 上；另一方面，它又改交了7 力的值，使其增大，因此阻抗值沿着同一条曲线移 ，jr 动到新的位置上。 3 试件几何尺寸 试件尺寸的变化通常是以直径或者半径来描述a 试件尺寸的变化具有双重影 响。不仅影响参量形，而且影响填充系数，7 ，彤使线圈阻抗沿曲线方向变化， ，jg，| g 刀使阻抗沿交线方向变化。两者共同作用结果使阻抗沿弦向曲线方向变化。 4 缺陷 缺陷对线圈阻抗的影响可以看作是电导率、几何尺寸两个参数影响的综合结 果。它的效应介于电导率效应和直径效应之间。由于试件中的裂纹位置、深度和 形状的综合影响结果，使缺陷效应的大小很难进行理论计算，所以，通常都是借 助模型进行试验，取得各种材料的不同形状、尺寸和位置的缺陷，在不同频率下 湖北工业大学硕士学位论文 的实验结果，制成参考图表，以便为实用试验提供依据a 5 试验频率 由于线圈电压或阻抗是频率比形的函数，因此试验频率对线圈阻抗有直接 og 的影响。随着试验频率的不同，形不同，由此引起阻抗沿曲线方向变化。在涡 og 流检测中，为了有效分离各种影响因素，提高检测灵敏度，应尽量选择最佳试验 频率。如果形过小，电导率变化方向与直径变化方向夹角小，采用相位法分离 ? jg 困难形过大，趋肤效应显著，也不理想。因此在检测过程中通常选择最佳的试 ，jg 验频率。但是试验频率并不等同于特征频率，试验频率通常是试件的特征频率的 很多倍叶- 1 1 4 。 本章小结：本章阐述了电涡流检测原理，将涡流检测用于钢球的表面及浅表 面的裂纹检测，并且完成了对球状物检测的理论分析与计算。最后对钢球检测的 影响因素作了归纳，在检测过程中，需要抑制其他影响因素，使检测信号只和裂 纹相关。 湖北工业大学硕士学位论文 i i 第3 章涡流检测信号的分析与处理 3 1 涡流检测线圈的信号检出电路 当涡流传感器线圈用高频信号激励时，在被测导体中感应涡流，涡流的变化 与被测导体的特性参数如电导率，磁导率，线圈与导体之间间距等参数的变化有 关，最终引起传感器线圈的等效电阻，等效电感变化，迸而线圈品质因数也发生 变化，因此可把被测量转换成三种不同参数的变量，即传感器线圈的阻抗值z ， 等效电感值三和品质因素g 。而测量电路的作用是把上述三种参数的变量之一变换 为电压值或频率值1 2 l f 5 l 吼 目前，电涡流传感器测量电路从形式上大致分为恒频调幅式和调频式两大类。 本课题选用的是交流电桥电路。交流电桥电路也是实现调幅电路的一种电路，如 图3 1 所示： 图3 - 1 交流电桥电路 设电桥的四臂阻抗分别为z i ，z ：，z 3 ，z 4 其中 u d = e i 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 叫间输出电酰吣巨( 袅= - 一击 ， 若电桥平衡，则= 0 这时，如果被检工件的性能发生变化，检测线圈的阻抗会发生变化，有z 3 变为 z 3 + a z 3 ，那么，输出电压变为： 喝( 击一焘 那么两者问的电压差即为输出的电压： u 。= e ( i 云1 _ 云j ；等 _ ；碉 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 由于z ，远大于乙则输出电压最后可以简化为： u d = 韶3 k 置 ( 3 - 4 ) 其中昆，为线圈阻抗变化率： j = 丢为b 立：l 为桥臂系数 ( + 二 2 这样，随被检工件性能而变化的u 0 通过仪器得到就可以判断工件的优劣了 1 1 6 1 。 3 2 电涡流信号的数字处理 在目前市场上的电涡流检测仪器大部分是使用模拟电路对所得到的信号进行 模拟信号处理，存在以下不足： ( 1 ) 分辨率低： ( 2 ) 灵活性差； ( 3 ) 可靠性差； 湖北工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 系统设计繁琐复杂。 数字信号处理与模拟信号处理的不同在于：模拟信号处理主要依靠模拟电路 的网络特性来选取所需要信号，数字信号处理是将得到的信号序列通过特定的数 学运算得到所需要信号的参数。该试验装置的核心功能是将离散后的信号从时域 变换到频域，然后进行卷积、能量谱等运算，从而提取所需的特征信号。其中， 傅里叶变换是从时域到频域的重要变换，是其他数字信号处理运算的基础1 1 7 i 。 鉴于如上的原因，在试验装置的设计过程中尽晟大可能地降低了模拟系统的 功能、减小模拟系统在整个系统中占的比重，用数字信号处理系统完成了原来模 拟系统的大部分功能，从而提高系统的可靠性、精确度和灵活性，降低系统的设 计难度。 3 2 1 离散时间信号的傅立叶变换( d f t ) 对数字信号处理首先就要对模拟信号x ( f ) 进行采样，使之成为时域离散信号 x s ( n t ) ，或称之为采样信号t o ) 。采样时，根据采样定理，采样率q 必须足够大， 才能避免发生频谱混叠，或使频谱混叠尽可能的小。必要的时候，还应该在采样 之前对信号进行防混叠的模拟预滤波处理，将信号的频谱限制在一定的范围内， 以满足采样定理的要求 要从采样的离散信号无失真地恢复原始连续信号，必须满足两个条件：( 1 ) 原 始连续信号的频带是受限的，其频谱范围为( 一敛致) ：( 2 ) 采样频率0 9 ，至少必须 是2 m 。，即c o 。2 c a 。其中国，为带限信号的最高截止角频率，国，为采样角频率。 这就是所谓的采样定理。 设连续时间信号x ( ，) 的频谱函数为x 驴) ，对信号按时间间隔t 采样，得如下 采样信号： x ( o ：宝x 0 7 龇一玎r ) 对模拟信雩采样后得到的离散序列 ( 3 - 5 ) 可以使用离散傅立叶变换( d f t ) 完成频 谱分析和其他方面的工作。傅立叶变换是数字信号处理中的重要变换之一，其意 湖北工业大学硕士学位论文 义在于将时域信号与频域信号联系起来，使一些在时域中难以分析的信号，在频 域中它的特征可以很容易的分析与处理。 对于一个模拟信号工( ，) ，采样后得到离散序列x 0 ) 。由于实际信号可能是无 限长，也有可能为有限长的，导致离散序列也有可能为无限长或者有限长。对于x 仁) 为有限长，则定义其长度为n ；若了( 甩) 为无限长，可以用矩形窗将其截断成n 点， 然后将这n 点视为序列的一个周期，那么j 竹) 可以用下面的公式定义： 荆= 豁肛1 那么其离散傅立叶变换对可以定义为： 删却啪) 】= 伊孵慧肛1 1 n 剞蜊俐= 桀徘肘嚣肛1 ( 3 - 6 ) 其中：e 1 可“是周期为n 的复指数序列。由上式可以看出长度为n 的有限长 序列x o ) 的离散傅里叶变换x ) 仍然是一个长的频域有限长序列，工0 ) 与x ( 女) 有惟一确定的对应关系1 1 9 】| 2 0 l 1 2 l l 1 2 2 l 。 3 2 2 窗函数 本课题所研究的是在线对钢球表面裂纹进行检测，因此得到得数据在时间上 是不停顿的，这就是说信号应该是无限长的。但是在检测钢球时，可以将对每一 个钢球检测所得到的电压值作为一个信号处理，即将无限长的信号分解成无数段。 由于对每个钢球所检测得到的信号处理方式应该相同，所以这无数段的信号处理 的方式完全一致。这样对钢球的信号分析就变得很容易。 在每段信号序列数的选取上，可以根据预定的钢球检测速度来确定。本课题 预设的钢球检测速度为2 0 0 0 颗每小时，因此每颗钢球的信号获取到完成为1 8 秒， 也就是说，在1 8 秒的时间内必须完成信号的获取与处理，并且将不合格的钢球剔 湖北工业大学硕士学位论文 除。 v 图3 - 2 钢球检测运动不慈图 由图3 2 所示，钢球在探头下的检测时闾不超过0 9 秒，实际上，钢球在探 头下面时间为o 3 秒左右，这样就可以对系统时间有如下的分配，系统的检测时间， 即信号的获取时间为o 8 秒左右，分析处理时间为1 秒。但是有用信号的获取时间 实际只有o 3 秒左右，其余的o 5 秒得到的为噪声和干扰信号( 其实在理论上应该 为o ) 。实际上，这o 5 秒是为钢球初始位置的放置不同而预留的。 在本课题中，由于所选探头的自身特性及渗透深度的考虑，所采用的激励电 源的最大频率为1 0 0 k h z ，根据采样定理，f 2 正，( 正为采样频率，工为最大 信号频率) ，可以选择正= 7 五，这样，采样周期 就可以确定为f ，= 等，由此，在o 8 秒的时间里采样点数为o ，f ，可以根据所选 择的激励电源的频率来确定。另外，根据快速傅立叶变换的要求，采样点数应该 为2 的幂函数，从而可以对采样点数修正。 经过上述的人为处理后，从本质上来说，所获得的信号经过了截断和补零。 那么在信号截断与补零后，处理的结果与实际信号是否一致呢? 有必要对其进一 步分析。 长度为的有限长序列可通过补零增长成为长度为n 。的有限长序列一( ) ， 即 荆= 豁肛1 2 0 湖北工业大学硕士学位论文 ，、眇) o 一1 而j = 0 n s n n 1 1 1 0其他n 从上两式可以看出，实际上气0 ) 就是序列x 0 ) 补零增长序列长度并没有改变序 列的本身特征。通过傅立叶变换的定义，可以得到薯( 珂) 的离散傅立叶变换 - in - i x ) = d 刀k ，白) 】= _ 0 渺瓷= z 0 咖霄 ( 3 7 ) n = 0n = 0 是一个点的有限长序列。可以看出，在长度上和原序列不等，但是在结果上新 序列与原序列是一样的。 这表明，信号序列经过补零后，并没有改变信号本身的特性，因此能够表示 其频域特性的离散傅立叶变换应该没有变化，在结果上和原信号序列是一致的。 这样钢球的离散信号经过人为的补零处理后并没有本质上的变化，其频谱分析结 果与原信号是相同的1 1 引1 1 9 11 2 1 。 信号经过补零处理后没有本质变化，但是在截断后的频谱分析就和原信号有 不同。采样信号只是所测的连续信号的截断，截断过程相当于对信号进行加窗， 即信号乘以窗函数。根据傅里叶变换的卷积定理，信号加窗后的频谱相当于原信 号频谱与窗信号的频谱在频域作卷积。显然，这将不可避免的引起谱泄漏，造成 计算的频谱与实际信号的频谱不一样，即这种卷积过程将造成信号频谱的失真。 而且，如果信号所乘的是矩形窗函数( 通常，简单的截取信号就相当于乘的是矩 形窗) ，失真频谱将产生”拖尾”( 频谱延伸扩展) 现象，即原有受限的频谱图形” 扩展”开来，这就称之为频谱泄漏。但是，泄漏并不能与混叠完全分开。这是因为， fi 频率泄漏会导致频谱扩展，从而使信号的最高频率有可能超过折叠频率o ，造 成混叠失真1 2 0 1 1 2 1 11 2 2 1 。 由于实际应用的需要，对信号进行截断是必须的，所以由此引起的频谱泄漏 也显然是无法避免的。不过，通过改善窗函数的形状，可以达到减少泄漏的目的。 通常的矩形窗在时域有突变，使得频域拖尾严重，收敛很慢。为了解决这个矛盾， 各种形式的窗函数应运而生。 由此可见，窗函数一般应该有以下的作用： 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 截断信号； ( 2 )减少谱泄