（机械电子工程专业论文）轴承钢球质量在线检测与分选控制.pdf

p r o f a ic h a n g s h e n g l i n , - | y s t e m n es y s t e ml 。o r at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，br c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 0 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 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：孑趟翌登 日 期： z ! 止：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：士i i 虱猛导师签名：鼍丕丝益日期：型! ：石夕 2 3 2 阻抗的归一化1 2 2 3 3 导体磁导率和特征频率的分析。1 4 2 4 涡流趋肤效应：1 4 2 5 本章小结1 6 第三章信号采集与正交化分解。1 7 3 1 传感器的选择1 7 3 1 1 涡流传感器的分类1 7 3 1 2 涡流传感器的结构18 3 2 信号的正交化分解1 9 3 2 1 相敏检波的原理1 9 3 2 2 缺陷信号的正交化分解2 0 3 3 本章小结2 2 第四章钢球检测系统硬件设计 4 1 激励信号源的设计。2 3 4 1 1 信号源的要求2 3 4 1 2m a x 0 3 8 的性能与特点2 3 i 轴承钢球质量神：线检测l j 分选控制 4 1 3m a x 0 3 8 内部电路特点及引脚介绍。2 4 4 2 激励信号功率放大2 7 4 2 1 信号电压放大模块2 7 4 2 2 信号功率放大模块2 8 4 3 信号零电势补偿2 9 4 4 正交参考源的设计3 1 4 4 1 正交参考源的种类3 l 4 4 2 可编程逻辑器件的概述31 4 4 3c p l d 器件的结构3 2 4 4 4 正交源模块设计3 3 4 5 相敏检波电路设计3 5 4 6 本章小结3 8 第五章系统软件设计3 9 5 1 系统的软件设计3 9 5 1 1 系统的主程序设计。3 9 5 1 2 系统上位机界面设计4 0 5 2 本章小结4 2 第六章缺陷信号的实验分析 6 1 提离效应对信号的影响4 3 6 2 缺陷与阻抗值之间的关系4 5 6 3 本章小结4 9 第七章结论与展望。 7 1 结论5 l 7 2 仓0 新点5 l 7 3 展望5 1 致谢 参考文献 附录攻读硕士学位期间发表论文及科研情况一 5 5 5 9 济南大学硕f ：学位论文 i i i 济南人学硕二卜学伉论文 摘要 钢球是球轴承的重要组成部分，钢球在球轴承中作为滚动体是承受载荷并与轴承 的动态性能直接相关的零件，其质量的优劣直接影响着轴承的使用寿命和可靠性。随 着机械高性能化与高速度化的发展，对轴承钢球的表面质量要求更加苛刻。 轴承钢球缺陷一般是指钢球表面及亚表面的裂纹，划痕等，这些缺陷是制约钢球 品质提高的关键因素。目前，大部分钢球厂家采用人工目测法检查这些缺陷，随着人 眼的疲劳，误检率提高，并且对亚表面的缺陷无能为力；少数钢球厂家进口国外检测 设备，但是价格极高，一般只用于抽检，不能满足全部检测需要。 论文针对钢球质量缺陷的特征，经过公式论证了采用阻抗分析法进行钢球缺陷检 测的合理性，以及各个外部因素对涡流检测的影响程度；采用涡流方法检测钢球表面 裂纹的方法是正确可行的，提出采用涡电流方法检测钢球表面及亚表面裂纹、划痕等 质量缺陷特征信息。 论文在分析钢球涡流检测系统目标、功能的基础上，对轴承钢球的涡流检测系统 进行了功能模块的分析与设计。选择了合适的涡流传感器，设计了激励信号源、放大 电路、传感器电势补偿电路、正交参考源、相敏检波器、滤波以及隔离等外围电路， 最后制作了p c b 电路板。 利用h m i 组态软件设计了钢球质量检测与分选系统的上位机显示界面，并且编 写了传输协议与下位机f 0 2 0 高速单片机进行数据通讯，经过调试，下位机采集到得 数据能够准确快速的传到上位机显示，并且上位机发送的指令也能够传送给下位机进 行正确的响应。 通过实验数据分析了提离效应对缺陷信号的影响，确定了传感器到钢球的合适距 离，根据提取的缺陷特征信息进行分析，证实了设计的涡流信号采集板能够正确的采 集信号表征钢球裂纹与等效阻抗平面图之间的关系。 关键词：钢球；涡流；相敏检波；c p l d ；组态； 轴承钢球质最拒线柃测与分选控制 a bs t r a c t s t e e lb a l li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fb a l lb e a r i n g s ，a sar o l l i n gb o d y b e a rl o a d a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb e a r i n gd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eb e a r i t sq u a l i t yw i l l h a v ead i r e c ti m p a c to nb e a r i n gs e r v i c el i f ea n dr e l i a b i l i t y w i t ht h eh i g hp e r f o r m a n c ea n d l l i g h s p e e dm a c h i n e o r i e n t e dd e v e l o p m e n t ，t h e r ei sa m o r es t r i n g e n tq u a l i t yr e q u i r e m e n t s o nt h es u r f a c eo fs t e e lb a l lb e a r i n g s t h ed e f e c t so fs t e e lb a l ln e a rt h es u r f a c eo rn e a rt h e s u b - s u r f a c eg e n e r a l l yr e f e r st ot h e c r a c k s ，p o c k m a r k ，c r o wb a l l t h e s ed e f e c t sa r ek e y f a c t o r sw h i c hr e s t r i c tt h ei m p r o v i n g q u a l i t yo f s t e e lb a l l n o w ，m o s to ft h es t e e lb a l lf a c t o r ya d o p tt h ea r t i f i c i a l a p p e a r a n c e m e t h o dt of i n dt h e s ed e f e c t s w i mt h et i m eg r o w i n g ，p e o p l ee y e sb e c o m ef a t i g u el e a d i n g t oh i g hf a l s ed e t e c t i n gr a t e ，a n dt h em e t h o dc a n tf i n dt h ed e f e c t sn e a rt h es u b 。s u r f a c e ；a s m a l ln u m b e ro ff a c t o r yb u yt h ei m p o r t e dt e s t i n ge q u i p m e n t ，i tc a n ts a t i s f yt h en e e d st o t e s t i n ga st h eh i g hp r i c e t l l i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e so nt h ep r i n c i p l eo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s f o rc h a r a c t e r i s t i c so fq u a l i t yd e f e c t so ft h eb a l l ，d i s c u s s s i n gt h ee d d yc u r r e n tt e s t i n gi ns t e e l b a l lh a sas u r f a c ec r a c kd e t e c t i o nt e s tr e l i a b i l i t y , h i g he f f i c i e n c y , n o n - c o n t a c t , e a s yt o a u t o m a t et h ed e t e c t i o ns u p e r i o r i t y i tp r o v e st h ee d d yc u r r e n tm e t h o do f t e s t i n gt h ec r a c ko f s t e e lb a l ls u r f a c ef e a s i b i l i t y , u s i n go fe d d yc u r r e n tt od e t e c tb a l ls u r f a c ea n ds u b s u r f a c e c r a c k s ，s c r a t c h e sa n do t h e rd e f e c t si nt h eq u a l i t yo f f e a t u r ei n f o r m a t i o n u n d e rt h ea n a l y s i so fs t e e lb a l ls u r f a e 宅e d d yc u r r e n ti n s p e c t i o ns y s t e mo b j e c t i v e s ， f u n c t i o n s ，w ed ot h ew o r ko ft h ef u n c t i o n a lm o d u l ea n a l y s i sa n dd e s i g nf o rt h ee d d y c u r r e n tt e s t i n gs y s t e m w es e l e c tt h ea p p r o p r i a t ee d d yc u r r e n ts e n s o r s ，a n dd e s i g n e dt h e s i g n a ls o u r c e ，a m p l i f i e r , s e n s o rv o l t a g ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，o r t h o g o n a lr e f e r e n c es o u r c e ， p h a s e s e n s i t i v ed e t e c t o r , f i l t e r i n g a n di s o l a t i o np e r i p h e r a lc i r c u i t s a n t i - i n t e r f e r e n c e m e a s u r e so nt h es y s t e mh a r d w a r ea n di t si m p r o v e m e n tm e t h o d sa r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h eh o s tc o m p u t e rd i s p l a yi n t e r f a c ei sd e s i g n e dt ou s eh m ic o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e f o rs t e e lb a l lq u a l i t yi n s p e c t i o na n ds o r t i n g ，a n dp r e p a r e dat r a n s p o r tp r o t o c o lw i t ht h en e x t c r e wf 0 2 0m i c r o c o n t r o l l e r 硒rh i g h s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n ，a f t e rd e b u g g i n g t h en e x t c r e wc a l lg e tt h ed a t ac o l l e c ta n dc a l lb et r a n s m i t t e dq u i c k l ya n da c c u r a t e l yt ot h eu p p e r 玎 i i i 济南人学硕j j 学位论文 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 课题研究的背景及意义 在现代化生产过程中，随着科技的不断发展，球轴承的重要性变的日益重要，球 轴承随着经济的发展已经应用到各行各业中，几乎所有的机械产品都会用到轴承。钢 球是球轴承的关键组成部分，轴承的运动性能、精度、寿命等和钢球的表面质量有着 重要的关系【l 】。国内轴承行业统计显示，因为钢球损坏致使轴承不能使用的比例占7 7 。而在国外仅占到3 5 。根据轴承网的统计：钢球质量占影响轴承寿命全部因素 的8 0 以上。这充分显示了钢球质量在轴承的质量中占有很大的影响因素【2 1 。 随着轴承在各个行业的广泛使用，在汽车行业、航天制造业、钟表业、精密仪器 加工业等可靠性要求高的行业，一般会要求轴承的质量达到“零缺陷 。另外特别在 高速度、高载荷的客观条件下、以及安全系数要求较高的场合，对球轴承的质量要求 更加苛刻。根据相关资料统计表明，轴承外圈和内圈对振动和噪音的影响程度比例为 1 0 ：l ，因此钢球表面质量缺陷是影响轴承寿命和使用性能的一个重要因素【3 4 】。一般 球轴承中钢球表面缺陷如图1 1 所示。目前因为钢球企业提高了生产钢球的工艺水平， 有效的控制了缺陷钢球的种类和数量，但还是不能将全部钢球的质量通过提高加工工 艺水平来保证，因此钢球表面缺陷的研究仍然是当前钢球行业的一个重要研究方向。 幽1 - l 轴承失效幽 轴承钢球缺陷一般是指钢球表面及亚表面的裂纹，划痕等，这些缺陷是制约钢球 品质提高的关键因素【5 】。钢球的一般表面质量缺陷是在金相显微镜下，放大1 0 0 倍， 然后和国家标准z q 8 u 1 8 5 和z q 一8 3 标准进行对照比较的。目前的加工工艺、工装水 平、以及其他技术因素都是影响钢球质量提高的重要因素。在当前的技术条件下，会 产生一些不同程度的缺陷是不可避免的。 我国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 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 轴承钢球质量在线枪测j 分选控制 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【6 】。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【7 1 。检测能力的缺乏成为我国钢球发展的“瓶颈”。 1 2 钢球表面缺陷介绍 本文所研究的钢球表面质量缺陷主要是指在正常生产和加工工艺水平下可能产 生的缺陷。主要是指在制造加工钢球的过程中，因为钢球制造材料的质量、工装调整 以及设备的加工精度等方面原因而产生的钢球表面和亚表面的质量缺陷，如裂纹、擦 伤、划痕( 也称划条) 等【s 】。裂纹是由于脱碳和热处理导致的外部或内部开裂；擦伤是 指在正常加工过程中，由于钢球相互间的摩擦或硬物而造成的钢球表面损伤，其外部 形状由较细而相互平行的划痕组成；划条是指钢球表面与硬物产生较重的摩擦而造成 的钢球表面损伤，其外形呈不定方向的长条形。 图l - 2 钢球常见缺陷 钢球表面缺陷的种类较多，但我们讨论的是在正常工艺条件下所产生的缺陷，并 且钢球的材料为轴承钢，直径大约为3 1 0 m m 之间的钢球。根据国家机械工业部轴承 工业局制定的企业统一标准，钢球表面质量标准照片图册中给出了几种常见缺陷 的定义和相关图片，如图1 2 所示。 1 3 目前钢球检测水平和存在的问题 当前轴承行业对轴承钢球质量的检测手段主要有以下几种： ( 1 ) 人工目测法 2 济南人学硕j 二学位论文 目前这种检测方法是钢球生产厂家常用的缺陷检测方式。许多钢球厂家到现在仍 还在使用目测法来检测钢球表面质量，工厂常年都要从社会上招收大量的检测工人。 人工目测方法是使用高倍显微镜下将检测钢球放大1 0 0 倍，然后和标准的钢球照片进 行对照比较【9 】。它的优点是：目测法投资少、它不需要专门的检测仪器，但是目测法 只能检测明显的污点、裂纹缺陷等，但是对于亚表面的缺陷无能为力，况且它需要大 量的劳动力、检测效率很低、检测成本很高；检验人员都是长时间地不停地观察显微 镜，这样容易造成眼睛的视力疲劳，很容易产生漏检，造成可靠性低，如图1 3 所示。 因此，人工目测法无法满足大批鼍、高精度、高可靠性的自动柃测的目标。 图1 3 人工目测法 ( 2 ) 图像处理法检测钢球缺陷 利用图像处理法检测钢球缺陷的步骤是：第一步要利用高分辨率摄像头采集钢球 表面的图像信息，接着采用先进的图像数字处理技术和处理方法将缺陷图像进行处 理，提取出表征缺陷信号的特征值，然后通过特征值，选用合适的模式识别方式，对 钢球的质量进行判定。如图1 _ 4 所示。国内很多学者对图像法检测进行了很多研究， 哈工大的潘洪平等人利用计算机图像处理与模式识别理论研究裂纹识别方法，推导出 钢球表面缺陷评价方法，他的方法是：利用高分辨率的摄像头，采集钢球表面的图像， 然后对采集的图像进行处理，目的是提取出图像特征和纹理特征来表征钢球缺陷的性 质，然后根据模式识别的理论用来对钢球进行缺陷检测【1 0 】。南京工程学院的李春颖教 授将利用摄像头采集到的钢球表面图像，采用比较的方法对钢球的图像信号进行识别 与分析【】。虽然有些国内专家和钢球厂家已经开发出了钢球检测的图像识别仪器，但 是由于钢球表面的油污，脏物等，容易造成图像识别的错误，使拾取的图像信号不正 3 轴承钢球质量n ! 线枪测j 分选拧制 确，导致模式的匹配不准确，从而导致了钢球检测的误检率特别的高。因此，利用图 像检测法进行检测，误检率较高，并且因为图像处理要占用一定的时间，利用这种方 法检测钢球表面缺陷，检测速度会很慢，很难满足快速自动检测的需要。 幽l 一4 幽像识别法 ( 3 ) 超声波检测法 也有些专家研究利用超声波检测钢球表面质量缺陷，超声波检测是五大无损检测 之一。山东大学的徐淑琼教授专门研究超声探伤方面的应用，她利用纵波斜入射的理 论作为研究探伤的基础，表面波和横向波分别检测表面和亚表面的缺陷，利用这种方 法可以检测钢球的表面缺陷和亚表面缺附1 2 1 ，如图1 5 所示。 利用超声波的原理来检测钢球缺陷，首先超声波发生器产生超声波，然后超声波 在液层传播一段距离后，到达液体和钢球的接触面，于是就会有界面波产生。如果钢 球的表面存在缺陷，超声的大部分声能都能够传入钢球里面，在钢球缺陷处形成反射， 还有一部分的超声波传至底面形成反射。也就是说，波形中包含了发射波，界面波、 缺陷波和底波这四种波形。根据分析发射的波形，可以间接地判断钢球表面的质量信 息。它的缺点是钢球很容易在水中生锈，这也是这种方法至今没有推广使用的主要原 因。 图1 5 超声波探伤原理 4 ( 4 ) 涡电流检测法 采用涡流无损探伤的原理可以用来检测钢球质量缺陷，国外已经有了这方面的实 用仪器；而在国内，也有很多的教授专家和钢球厂做了很多的基础研究【1 3 郴】。9 0 年 代重庆大学的马松轩教授，主要研究利用涡电流探伤原理来检测钢球质量缺斛1 8 】。上 海钢球厂在参考和研究国外相同类别的检测仪器的基础上，利用涡流原理对钢球检测 进行了研究。但是国内厂家仍没有研发成功和国外一样性能的高效的钢球检测仪器。 在国外，对钢球表面缺陷的研究要比国内早很多，他们已经开发出相应的产品应用到 实际生产中，并且取得了较好的结果，比如日本、捷克的一些厂家开发出了采用涡流 检测钢球表面裂纹，已经取得了良好的结果，并且出口国外，技术上实行对外垄断， 致使每台仪器的出口价格为4 0 万元人民币，价格昂贵，并且这种设备后续需要大量 的维修费，国内一般的钢球企业没有资金来大批购买这种设备，一般只买几台用于抽 检，具体原理如图1 - 6 所示。 图1 - 6 捷克钢球自动检测仪 综合观察国内外钢球检测仪器的发展，应用最多的是涡流检测法和光学探伤法 1 9 - 2 0 。由于光学探伤法具有一定的局限性，近年来，结合钢球检测的要求世界各国将 钢球检测技术研究的重点都不断的转向涡流检测技术，例如捷克、英国、瑞典、日本 等国家的科学家就相继研究采用涡流原理检测钢球。其中捷克s o m e t 公司生产的 a v i k o 型钢球表面质量检测仪在国际上具有较高的知名度，它具有操作简单，结构 设计合理，误检率低。因此国内一些资金充足的钢球厂家都一般进口这种设备进行检 测；再就是日本大旺钢球株式会社制造的钢球自动检测仪器，他们生产的检测仪器性 能稍逊与a v i k o 检测仪器，但是它具有价格的优势。在中国，也有一些高校的学者 专家对这方面有了研究，由于工艺水平和技术条件等各种不利因素的限制，对于利用 5 轴承钢球质量在线枪测弓分选控制 涡流原理来检测钢球质量的这些研究工作还主要是集中在理论方面的研究，在实际中 还没有研制出具有高稳定性能的钢球表面质量检测设备。 1 4 本章小结 本章主要介绍了论文的研究背景和意义，着重介绍了轴承钢球在国民经济中的重 要性、轴承钢球质量对轴承的重要影响以及严格检测钢球的必要性。介绍了钢球表面 质量检测技术、国内外钢球检测的现状和研究进展以及涡流技术在表面缺陷检测中的 应用，针对钢球的缺陷的存在形式，提出了采用涡流原理来检测钢球表面的缺陷。 6 济南人学硕上学位论文 第二章涡电流原理检测分析 本章针对钢球质量缺陷的特征，分析了电涡流检测方法的原理，讨论了采用电涡 流检测法检测钢球表面缺陷的优点：简单快速、检测效率高、非接触测量、容易在线 自动识别缺陷等；从理论上的分析推导出利用涡流探伤原理检测钢球表面缺陷的可行 性，提出采用涡电流方法检测钢球表面及亚表面裂纹等质量缺陷特征信息。 2 1 涡流检测的基本原理 轴承钢球是导电的非磁性材料，如果在钢球上方放有一个通有交变电流的线圈， 那么就会产生交变磁场，钢球中也将会产生感应电流，并且感应的涡流也将产生次级 交变磁场，线圈产生的磁场与电涡流自己产生的交变磁场方向是相反，也就是说涡流 产生的交变磁场与原磁场是相反的。显然，如果钢球中出现裂纹，划痕等质量缺陷， 电涡流产生的磁场的分布和强度将改变，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，只要测出变化量就能确定钢球缺陷的存在， 这就是钢球的涡流检测原理，如图2 1 所示。 国顾 图2 。1 钢球涡流检测原理 一般传感器线圈两端的电压变化可用公式( 2 1 ) 所示的函数式来描述： 式中： u 一传感器线圈输出电压 一所测工件的磁导率 盯一所测工件的电导率 u = f ( j u ，o r ，x , i ，刀， ，) 7 ( 2 1 ) 轴承钢球质最在线枪测弓分选控制 x 一传感器线圈到工件的距离 f 一传感器线圈的电流大小 拧一和传感器线圈形状、扎数、尺寸有关的影响系数 ，一传感器线圈的交变频率 r 一和工件的几何形状、尺寸、缺陷情况有关的影响系数。 由公式( 2 一1 ) 的表述可以看出，传感器线圈的电压输出和线圈以及工件本身的 一些属性参数有关，让以上几个参数中的某一个发生改变，另外几个不变，那么输出 的电压就和这个参数构成单一函数映射关系【2 。同一批出厂的钢球在电导率、磁导率、 直径大小等参数方面相差无异，当钢球表面出现裂纹的时候，裂纹就会影响了涡流的 流动形式；从而影响了传感器线圈阻抗输出的大小。线圈的频率和线圈到检测工件之 间的距离是影响涡流检测效果的另外的两个重要因素。当我们选取了合适的距离和检 测频率后，当钢球表面有裂纹等缺陷的时候，就会影响了钢球表面涡流的分布特征， 进而就间接反映了钢球表面的缺陷情况。因而，可以利用钢球表面的裂纹对电涡流输 出的影响来检测钢球的裂纹。 2 2 影响涡流分布的因素 涡流无损探伤理论推导过程中，通过对导电球面复阻抗平面的分析，我们可以得 到以下公式： ze ；一2i 2l 一，7 + r , u ，玎 z o鼠 。 “钮 ( 2 2 ) 式中：z 。为空载阻抗； 瓦为空载电压； 1 为填充因子。 根据公式( 2 2 ) 分析，线圈阻抗或电压与被测导体的磁导率、电导率、缺陷情 况、几何尺寸、线圈到被测导体的距离以及频率等因素有关。他们都影响着阻抗的幅 值和相位角，研究它们的影响机理，对于提取有效的特征值具有指导意剧2 2 - 2 3 。 ( 1 ) 电导率仃的影响 电导率对传感器线圈的作用大小可以由下面的公式推导来分析，由特性函数 1 一r + r p ，如可以看出，导体的电导率仃只在决定吻的参量大小的公式 圻= f p 。d 2 5 0 6 6 ) d o , - p , 1 3 f l 。，因次，当非磁性材料和工件的直径不变时，电导率只 影响阻抗值在六曲线上的位置。 8 济南大学硕十学位论文 ( 2 ) 磁导率，的影响 由于，1 ，所以对非磁性材料而言，磁导率可以视为基本不变，也就是说非磁 性材料的磁导率对线圈阻抗的变化影响很小。由于磁性材料的“， 1 ，并且磁导率 是变化的，而且即使有一个很小的变化，都会对线圈阻抗产生很大的影响。也就是说 磁性材料的磁导率不仅影响了“万，即改变了s 以的值，还使特性函数中的私够的 值增大了以倍，因此它对阻抗的影响是有双倍作用的。具体就是当以开始变大的时 候，一方面它会使特性函数中的私变大，即阻抗值要落在新的甜谚增大了的曲线上； 另一方面，它还使厂正的值得到改变，使其变大，最后导致阻抗值的运动轨迹沿着 相同的曲线运动到另外一个位置。 ( 3 ) 形状大小的影响 导体的外部形状对涡流的分布也有影响，尤其是在局部的边缘或者形状的突变 处。这种边缘效应不但影响厂t ，而且还影响填充系数7 7 。线圈阻抗的大小沿曲线 方向变化是由s 六引起，刁使阻抗沿交线方向变化，相互作用后使阻抗值沿弦向曲 线方向发生了变化。 ( 4 ) 缺陷的影响 缺陷出现后，在缺陷的地方空气中的磁导率和导体中的磁导率不同，势必影响到 涡流的分布。当出现裂纹的时候，它会影响到涡流的流动形式，使涡流的形状发生畸 变，它是由裂纹的位置，形状等综合影响的，很难对其进行理论的计算。所以，通常 都是用理想的试块进行试验，根据已知的各种材料的不同形状、尺寸和位置的缺陷， 在不同频率下的实验结果，制成参考图表，为以后的实验提供一个依据。 ( 5 ) 频率的影响 因为线圈的电压或阻抗与频率比厂成一定的函数关系，因此，磁场频率对线 圈阻抗有着很大的影响。频率的大小不一样，也就是不同的频率比厂丘会导致阻抗 图的变化。在工业应用中，为了提高检测灵敏度，使各种影响尽量减小到最小程度， 应选择最佳的试验频率。频率比厂疋过小，电导率变化的方向与直径变化方向夹角 会变小，导致灵敏度下降；频率比s 过大，集肤效应就会很明显，这也不是合理 的。因此，在工业检测中通过实验，通常根据具体情况选择一个合理的频率。 ( 6 ) 提离效应 提离效应是指传感器线圈距导体的垂直距离，阻抗的变化对这个距离的大小是很 敏感和显著的。另外提离效应的作用规律通过实验可以进行定量的研究和分析，在缺 9 轴承钢球质量在线检测勺分选控制 陷检测的时候，通过确定传感器到导体之间合理的距离，可以消除提离效应对探伤的 影响。提离效应的变化引起的阻抗图的变换是由固定方向的，该矢量方向与缺陷信号 的矢量方向具有一定的相位差，因此，采用相位调整法比较容易抑制提离效应的影响 2 4 - 2 s 0 2 3 涡电流的阻抗分析 利用涡电流进行检测，主要是分析来自传感器线圈阻抗的变化，或者是传感器线 圈电压的变化情况。因为导致阻抗变化的因素很多，影响信号输出变化的因素也很多， 并且它们对输出信号的影响程度也是不一样的，如果要准确的提取出能够表征缺陷信 息的信号，必须设计精确稳定的涡流信号采集系统，使系统能够准确的提取所需要的 信号，并且能够尽可能的抑制干扰。 随着对涡流检测技术的不断研究，针对涡流信号难提取的问题，提出了不少技术 手段来提取阻抗的变化，福斯特等人提出利用阻抗分析法进行信号的分解，这使涡流 检测技术得到了广泛的使用和巨大的突破。利用阻抗图分析信号的本质主要是通过将 涡流信号分解为电阻和感抗，根据阻抗的变化规律分析信号的性质，并以此来衡量各 个影响因素对幅值或者相位影响大小的一种分析方法。根据麦克斯韦电磁理论，将信 号分解为电阻和感抗，本质是通过鉴别信号有不同相位延迟的原理来区别检测工件中 的不连续性【2 6 1 。这种不连续性是由相位延迟所导致的，具体的来讲，电磁波在传播过 程中，虽然速度很快，但是还是有一定速度的，电磁波入射到不同深度和位置处的裂 纹后，来回折返的时间会有一个差，正是由于这个时间差，导致了信号相位的延迟。 在目前的涡流信号分析与应用中，采用阻抗分析法仍然是分析涡流输出信号的最 有效方式，接下来我们将利用阻抗分析法来对信号进行分析。 大多数传感器线圈内部的金属丝都是缠绕在磁芯上边的，传感器的下端面靠近导 体的表面时，线圈中通有的交变电流就会在线圈中产生交变磁场，这样在线圈的周围 就会有电势的产生，如果有导体存在，就会在导体中形成一圈一圈的，类似于水波的 涡流，所以导体中涡流形状像螺旋结构一样，而且螺旋管的径向涡流和轴向的涡流是 不同的【2 7 - 2 9 。由楞次定律可知，将会产生反向磁场，它会间接的反映了所测导体的物 理性质，比如电导率，磁导率及导体是否存在缺陷。涡流产生的反向磁场作用于传感 器线圈，如果导体表面存在缺陷，就会导致涡流发生畸变，导致反相磁场发生改变， 就会使线圈的阻抗发生变化，这个阻抗的变化是由于缺陷的存在导致了涡流的流动形 式发生了改变，通过检测线圈磁场的变化，就知道缺陷对涡流的影响程度，这就是利 1 0 济南人学硕上学位论文 用阻抗分析检测缺陷的主要原因。 2 3 1 线圈的阻抗分析 涡流传感器线圈的金属丝是缠绕在磁芯上。金属丝作为导体，存在一定的电阻值， 还有一部分电感，而线圈之间的分布电容则可以忽略不计，因此，传感器线圈的等效 电路可以简化为一个由电感、电阻串联组成的电路来表示，这样线圈本身的复阻抗可 用式( 2 - 3 ) 表示。 线圈本身的复阻抗可以表示为： z = r + j x ( 2 - 3 ) 在这里有：x l = c o l ，其中c o 为线圈激励角频率，三为线圈的电感。 m 图2 - 2 探头线圈等效原理图 。 当我们将检测导体放在电涡流传感器的附近时，那么就会在金属导体中产生涡 流，涡流又会反过来影响线圈磁场的变化。传感器线圈与检测导体之间的相互影响程 度可以利用它们之间的互感量m 来描述【3 0 1 。两者之间的电路等效图如图2 2 所示。 假设我们检测的导体可以视为一个短路线圈，其中蜀、厶、和厶分别为初级线圈的 电阻、电感和通过的电流，尺，、厶、和厶分别表示这个次级线圈的电阻、电感和通 过的电流。缈表示探头线圈中电流信号的角频率。因此根据电压定理可得： i r l ，l + j m l i ，l j m m l 2 = u i (2-4) 【一j m m i l + r 2j + j o l 21 2 = 0l 解该方程组可得： 2 磊焉v 1 一 e 巧 由式( 2 - 5 ) 可推导出传感器线圈的复阻抗z 为： 弘+ 嵩r 2 + j c o ( l , 一嵩厶， 仁6 ， 轴承钢球质量在线检测弓分选控制 根据公式( 2 6 ) 的推导，我们可以计算出传感器线圈靠近被测导体时的等效电 阻r 和等效感抗x l ： 根据公式( 2 7 ) 分析得出：当金属导体靠近传感器的时候，由于导体内涡流的作用， 将会改变线圈的阻抗，具体讲就是：导体和线圈的相互作用，致使线圈阻抗的实数部 分有效电阻增加，虚数部分有效感抗减小。因此，传感器线圈原阻抗的变化实质上是 由于受交变磁场作用的导体中产生的电涡流引起的，这就是涡流传感器的工作原理。 为了简化和理解，在此将引入视在阻抗的概念，由公式( 2 7 ) ) 可得出： r s = r z + r l ( 2 8 ) 以= x z + x l ( 2 - 9 ) 所以有： 耻舌如 ( 2 - ，o ) x z - 一番厶 ( 2 - 1 1 ) 因此定义视在阻抗( z s = r s + x s ) 为初级线圈本身的阻抗和折和阻抗两者之和。 通过我们定义视在阻抗，就方便了我们理解线圈中电压变化的原因，从而间接地认为 电路中视在阻抗的变化导致了原边电路中电压或电流的变化。因此，可以从分析原边 电路中的阻抗变化知道次级线圈对初级线圈的效应，也就知道副边电路中阻抗的变化 情况。 2 3 2 阻抗的归一化 当我们把含有次级线圈的电路断开，即尼一，则由式( 2 6 ) 可以得到初级线圈 的空载阻抗： z = z o 2 r + j a i l t ( 2 1 2 ) 若尼一0 ，则由式( 2 - 6 ) 可得： z = r l + j a i l l ( 1 - k 2 ) ( 2 - 1 3 ) k 2 ：丝( 2 1 4 ) 厶厶 在足从0 0 逐渐变为0 的过程中，通过公式( 2 8 ) 和公式( 2 9 ) 计算，就可以知 道视在阻抗分量的大小。然后建立坐标系，以r s 为横轴，x s 为纵轴，将阻抗分量的 尺 ：一1 每篇篇 一尺 乙 气 济南大学硕士学位论文 坐标描绘在这个坐标系内，就可以得到如图2 3 所示的图形，我们把它称为阻抗平面 图【3 n 。 x s | | ： 彳 w l l o l l ( 1 - k 2 ) 0 、 j f b 羔 w q 一 r 一置 w l l 图2 _ 4 归一化后的阻抗图 虽然由图2 3 所示阻抗图看出初级线圈阻抗的变化是由被测导体阻抗引起的。初 级线圈的匝数和直径、线圈之间的耦合系数以及交变频率都会影响阻抗图在坐标系中 的位置。接着将图2 3 归一化处理，就可以忽略初级线圈本身的阻抗对图2 3 所示阻 抗图位置的影响。具体做法是将坐标系的纵轴向右平移r 个单位，然后将新的曲线 坐标除以地，这样得到的轨迹半圆的直径就会与纵轴重合，那么半圆的上端坐标就 变为( o ，1 ) ，下端坐标变为( o ，1 一k 2 ) ，半径为k 2 2 ，从而阻抗图的变化就只会 和它们之间的耦合系数k 有关，半圆上点的坐标则和变量r ，( 或x ，) 有关。归一化 处理后线圈的阻抗图如图2 - 4 所示。从图中可以看出，归一化后，感抗和电阻两者变 1 3 成了没有量纲的参数了，大小都在0 到1 之间变化，通过以上变换，得到的归一化阻 抗平面图消除了初级线圈阻抗的变化对z 。的影响，在实际工业应用中，这种方法更 为常用。 2 3 3 导体磁导率和特征频率的分析 因为传感器线圈的阻抗变化是由于磁场的变化所导致的，因此，在研究传感器线 圈的阻抗时，第一步先讨论和分析导体靠近传感器线圈后磁场发生改变的情况，接着 根据传感器线圈阻抗的变化情况，再进行推导导体对阻抗的各种影响因素的分析。通 过定义有效磁导率的概念，在进行涡流理论的分析和计算中，可以简化阻抗分析的问 题【2 8 1 。 对有效磁导率的理解可以根据通以交变电流的无限长圆筒形线圈内放置- - # b 径 充满该线圈的导电圆柱体的例子来说明。首先假设该圆柱体横截面的磁感应强度是固 定不变的，磁导率沿截面直径变化，那么磁通量等于圆柱体内实际通过的磁通量，本 质上就是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，我们 把这个变化的磁导率称之为有效磁导率： 驴南糯 协 k = 2 砺嫩 ( 2 - 1 6 ) 式中，够为有效磁导率；口为圆柱半径( m ) ；j o 为零阶贝塞尔函数；以为一阶贝塞 尔函数。 通过定义有效磁导率，又可以引出特征频率，即贝塞尔函数虚量( 一歹勉) 的模 为1 的频率为特征频率，用疋表示。 可以推导出： 。丽1 ( 2 - 1 7 ) 由式( 2 一1 6 ) 、( 2 一1 7 ) 可以看出，吻的数值是和勉= 的变化一致的。因 此，常取f 作为参数来分析检测线圈的阻抗3 2 弼1 。 2 4 涡流趋肤效应 涡流检测的钢球为导电体，根据电磁波理论可知，在导电介质中，波阻抗为复数： z = ： 1 4 ( 2 - 1 8 ) 济南人学硕1 j 学位论文 其中盯为导体的电导率，为磁导率，占为介电常数，国为激励频率。由于良导 体中仃远大于0 ) 8 ，因此 z = = 再琶e = 难+ j 难= r 埔( 2 - 1 9 ) 由( 2 1 9 ) 可知r 和z 分别为波阻抗的电阻抗和感抗分量，值均为竺。 波的传播常数尼的复数表达形式为： 三= 国肛( 一歹三) 缈胸三= 压而巧= 半一半= 一歹口( 2 珈) 其中为相位常数，口为衰减常数，值均为丝竽。 由式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可知，电磁波在良好导体中传播过程中有一个显著的衰减。 导体的电导率越高，频率越高，那么电磁波在导体中传播过程中衰减就越快。因此， 高频磁场只能存在导体表面下的一个薄层区域内，高频电流也基本存在于导体表面下 的一个薄层内，这就是所谓的趋肤效应【3 4 1 。通常把趋肤深度万用来衡量电磁波在导体 内衰减的快慢程度或电磁波在导体内的穿透能力。定义渗透深度为电磁波场强衰减到 表面原值的1 尼时所穿透的距离。根据这一定义，有： 故得笳= 1 ， 由于 所以 一”：! e p 即万：1 口 口= 厚 万= 压= 焉 ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 由式( 2 2 4 ) 表明：涡流检测探头产生的交变磁场不能无限度地穿过被测导体， 一定的激励频率只能作用于一定的深度，交变频率越高，渗透深度也就越浅；激励频 率越低，渗透深度就越深。大多数工业涡流检测是在5 k h z 到1 m h z 的频率范围内进 行的。对