1、 本 科 毕 业 设 计 涡流检测电路的设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 电涡流传感器是工业生产和科学研究中使用广泛的一种无损、非接触检测仪器。对被测材料敏感一直是制约电涡流传感器更广泛应用的重要因素。为了消除 被测材料电磁特性对传感器输出特性的影响、提高传感器性能，需要设计出一种与材料无关的传感器测量电路。 本文为电涡流传感器设计了新型的测量电路，并对该测量电路进行了仿真、优化。具体内容如下： 1.电涡流传感器与被测材料的相关性研究 目前，电涡流传感器都是通过控制探头线圈的等效阻抗来获得输出电压和检测距离之间的关系。本论文尝
2、试采用对探头线圈的阻抗实部和虚部进行控制的方法，来研究在新的理论下电涡流传感器与被测材料的相关性。 2.电涡流传感器新型电路的仿真与优化 对所设计好的新型电路各模块，通过 Multisim 仿真软件 ，检查各模块电路所实现的功能。并在此基础上，对部分电路中的结构和参数进行了优化。最终达到了较为理想的效果。 3.仿真分析 通过仿真论证了在不同检测距离、不同被测材料下，探头线圈阻抗的实部和虚部之间呈线性关系，且各条直线相互平行，但各条直线之间的距离变化不满足线性关系。若能改善各直线之间距离变化的线性性，就可开发出一种与被测材料无关的电涡流传感器。 关键词 ：电涡流，传感器， Multisim 仿真
3、 II ABSTRACT Eddy Current Sensor(ECS) is an nondestructive testing component， which is applied extensively in engineering and science researches. However, the testing performances are sensitive to the material properties,which hampers eddy current sensor applied more conveniently and extensively. In
4、 order to eliminate the influence of the electromagnetic properties of measured targets on the output of sensor and improve the performance of sensor, the new eddy current measuring.circuit is needed. In this thesis, the new ECS measure circuit is designed, simulated and optimized.The research work
5、conducted is outlined as following.1. Study on the relativity of tested material and ECS At present, ECS obtains the relationship of the output voltage and the testing distance by controlling the equivalent impedance.In the thesis, the relativity of tested material and ECS is studied by controlling
6、the real part and the image part of the impedance of the coil.2. Simulation and optimizing of the designed circuit The functions of each module from the designed circuit are checked by the software named Multisim.Based on the results from the simulation, structures and parameters of some modules are
7、 optimized to be better.3. The simulation analysis Under the same testing distance and different tested material,the relationship of the real part and image part of coil impedance is linear,which is demonstrated by simulation,under the different testing distance,every line are parallel each other.Ho
8、wever,the distance changes of every line are not linear.So,if there is the method to make the distance changes of every line linear,a kind of ECS which is irrelative to tested material may be developed. Key words:eddy current， sensor， multisim simulation III 目录 第 1 章 引言 . 1 1.1 涡流检测技术的概述 . 1 1.1.1 涡
9、流检测的国内外现状 . 1 1.1.2 电涡流检测技术的发展方向 . 2 1.2 论文的研究意义 . 2 第 2 章 电涡流传感器的基本原理 . 4 2.1 电涡流传感器的组成结构 . 4 2.2 电涡流传感器原理 . 4 2.2.1 电涡流传感器工作原理 . 4 2.2.2 电涡流传感器等效电路分析 . 5 2.2.3 电涡流传感器测量电路原理 . 6 2.3 被测对象电磁特性的影响 . 7 第 3 章 电涡流传感器新型测量电路的设计 . 9 3.1 新型测量电路的原理 . 9 3.1.1 新型变换原理 . 9 3.1.2 电路实现方案 . 10 3.2 振荡电路的选择 . 11 3.3 移
10、相电路 . 12 3.4 滤波电路的选择 . 13 3.5 增益调节电路的选择 . 15 3.6 电压 -电流转换电路 . 16 第 4 章 各单元电路仿真结果及其分析 . 17 4.1 电路仿真软件介绍 . 17 4.2 电路各部分仿真 . 18 4.2.1 COMS 方波发生器的仿真 . 18 4.2.2 移相电路的仿真 . 18 4.2.3 滤波电路 的仿真 . 19 4.2.4 增益调节电路 . 20 4.2.5 电压 -电流转换电路仿真 . 21 总结与体会 . 23 IV 参考文献 . 24 附录 整体电路原理图 . 25 1 第 1 章 引言 1.1 涡流检测技术的概述 作为新兴
11、检测技术的一种，电涡流检测是以电磁感应原理为基础，其基本理论是通过对处于探头线圈形成的电磁场中的被测体（必须为金属导体）及其周围空间区域列出麦克 斯韦方程及边界条件，然后进行求解，以确定探头线圈的阻抗特性（或感应电压）的变化与被测体各影响因素之间的关系。电涡流检测是近年来发展快速的一项无损检测技术，它同磁粉检测、射线检测、超声波检测、渗透检测一起和称为五大无损检测技术。同其他无损检测技术相比，电涡流检测技术具有非接触、无污染、操作方便等特点，因此受到无损检测工作者的青睐。 1.1.1 涡流检测的国内外现状 早在 19 世纪初期，法国科学家傅科就在实验中发现了涡流现象。休斯，在 1879 年，首
12、先利用涡流检测对不同金属和合金进行了判断。但是由于各种试验参数对涡流 检测的影响，该技术发展缓慢。真正在理论和实践上完善涡流检测技术的是德国的福斯特博士，他提出的以阻抗分析法来抑制涡流检测仪中的干扰因素，为涡流检测机理的分析和设备提供了理论依据。在我国，涡流检测技术的应用与研究可追朔到 60 年代，但是涡流检测技术在国内得到推广应用的第一个高潮却是在 70 年代末和 80 年代初。同时许多有价值的研究论文，如“涡流检测的有限元模型和表面涡流探头的有限元分析”和“不锈钢管表面缺损涡流检测信号的仿真计算”等也被发表出来。目前，我国在该领域的研究已接近发达国家水平，推动了我国涡流检测理论的发展 。电
13、涡流检测的主要技术如下： 一、脉冲涡流检测技术 70 年代中后期，脉冲涡流检测技术 (Pulsed Eddy Current)在世界范围内得到广泛地研究。脉冲涡流检测技术最早是 20 世纪 50 年代由密苏里大学的 DonaldWaidelich 研究，脉冲涡流地激励电流为一个脉冲，通常为具有一定占空比地方波，施加在探头尚的激励方波会感应出脉冲涡流在被测体中的传播。根据电磁感应原理，此脉冲涡流又会感应出一股快速衰减的磁场，随着感生磁场的衰减，检测线圈上就会感应出随时间变化的电压。由于脉冲包含很宽的频谱，感应的电压信号 中就包含重要的深度信息。 二、多频涡流检测技术 多频涡流技术是 Libby（
14、美）于 l970 年首先提出的。该方法采用几个频率同时工作，能成功地抑制多个干扰因素，提取有用信号。 70 年代后期国外就已成功应用这项技术进行核电站蒸汽发生器管道的在役检查。 80 年代初，我国引进了多频涡流检测设备，并开展了自行设计研制工作。 MFE-1 型三频涡流仪是我国（上海材料所）研制的首台多频涡流设备，仪器采用三个不同的工作频率作差分测量，有三个混合单元作模拟运算，能有效地抑制蒸发汽管上支撑板的信号及凹痕信号，并用阻抗图显示多通道测量结 果。 90 年代以来，国内先后研制出多种类型的多频涡流仪。如EEC-36、 EEC-38、 EEC-39（爱德森公司）等。我国多频涡流检测技术的研
15、究与应用已基本达2 到国际同类水平。 三、远场涡流检测技术 远场涡流技术是一种能穿过金属管壁的低频涡流检测技术，当用一个激励探头线圈和一个距激励探头线圈约二倍管内径的较小的测量探头线圈同时放入被检管内时，测量探头线圈能有效地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。 我国对远场涡流检测技术的研究始于 80 年末，南京航空航天大学提出的用“扩散能量法”来阐述远场涡流 现象的概念已受到国内外的普遍重视和认同。并在有限元数值仿真、远场涡流探头性能指标分析及检测系统的研制等方面都取得了重要的研究成果，为推广这一先进技术起了先导作用。 90 年代初期，我国开始推出了商品化的远场涡流仪器，
16、其中 ET-556H 多频远场涡流仪（厦门电大工业检测所）和 EEC-39RFT 四频远场涡流仪（爱德森公司）已用于化工炼油设备的钢质热交换管和电厂高压加热器钢管的在役探伤。 1.1.2 电涡流检测技术的发展方向 随着现代工业和科学技术的发展，涡流检测技术也必将有很大发展，今后的发展方向为如下几方面： 1.传 感器的理论研究尚不充分。传感器能适应检测对象对磁场、涡流分布的要求，因此对传感器结构的性质研究，将是传感器从经验设计走向定量设计的关键。 2.大力研究和发展成像技术。涡流检测技术对缺陷状态的三维评价是产品质量不断提高的必然要求。因此涡流检测三维成像技术是今后要求的发展方向。 3.远场涡流
17、技术给人们提出了另一个新的理论问题，即间接耦合磁场和扩散波的波动特性统一问题及常规涡流与远场涡流理论统一的问题。 4.涡流检测对金属材料表面电磁性能非常敏感，通过对金属材料表面涡流效应与材料表面性能间关系的研究分析，可实现金 属材料表面质量的评价。因此，应用涡流检测技术进行金属材料疲劳裂纹扩展、开裂、金属加工中的磨削烧伤及残余应力的研究将更多地引起人们的关注，并可望得到突破性的进展。 5.高度智能化表现在具有良好的用户友好界面，它能开机后自检，用菜单选择仪器测试参数，可调用或可存储仪器设定参数以及与主计算机进行通讯和数据传输。 6.数据库及自动识别功能。未来的检测仪器的一个很重要的进步是具有对
18、被测对象缺陷进行自动识别以及对被检对象的状态进行自动评价的功能。这种仪器需要有比较完备的数据库和专家评价系统。 7. 涡流检测信号对金属材 料表面疲劳裂纹的扩展、开裂、机械加工磨削烧伤及残余应力非常敏感，因此可对加工过程及使用状态进行动态检测。预测材料质量、预报材料寿命以及实现过程控制的研究己引起了人们的兴趣，并可望得到突破性的进展。 1.2 论文的研究意义 目前电涡流传感器大都采用电桥法、正反馈法和谐振法等调制方式。这些调制方式简单，只是简单提取信号的幅值或相位，无法满足复杂检测的需要，同时测量电路对被测体电磁特性具有强烈的依赖性，严重限制了传感器的使用范围。 对如何消除涡流检测中被测体电磁
19、特性影响研究很少。涡流检测中被测体的电磁特性对3 传感器输 出产生很大影响，而且随着涡流检测技术在工程应用中的日益广泛，这一问题也日益突出。 据资料显示，对于不同的常见金属材料，其输出灵敏度的变化可达 45%；对于同种材料，由于生产商或批号的不同，也可达到 5%10%的输出灵敏度变化。涡流检测在工程实际中当被测对象的材料特性变化时，传感器就要重新标定；当被测对象的电磁特性在测试过程中随机变化时，传感器就无法正常使用。从需求的角度，需要一种采用普通材料进行调试和校准即可广泛使用的电涡流传感器问世。 4 第 2 章 电涡 流传感器的基本原理 本文在传统电涡流传感器的基础上，展开与被测体电磁特性无关
20、的电涡流传感器基础理论和技术实现的研究，因此有必要了解电涡流传感器的基础理论。本章对电涡流传感器基础理论进行简要介绍，为以后各章节的顺利展开奠定基础。 2.1 电涡流传感器的组成结构 电涡流传感器主要由三部分组成：探头线圈、延伸电缆、前置器，如图 2.1 示： 图 2.1 电涡流传感器的构成 当电涡流传感器进行检测时，必须配以被测导体才能进行。实际上传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线 绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小；延伸电缆是耐高温的射频电缆，其作用就是连接前段的传感器探头和
21、后端的前置器；前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。前置器的外壳上有三个端子，分别为电源，公共段和输出端，一个接头与电缆相连。另外传感器探头线圈不是裸露在外的，是装在传感器壳体内。它用于固定传感器的头部，并作为测试时的装夹结构，一般由不锈钢制成。 2.2 电涡流传感器原理 当金属导体处于交变磁场中时，导体表 面就会产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，像水中漩涡那样在导体内旋状，所以称之为电涡流或者涡流。电涡流的产生必然要消耗一部份能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象就称为涡流效应。根据此涡流效应而制成的传感器，我们就称之为
22、电涡流传感器。 2.2.1 电涡流传感器工作原理 电涡流传感器的工作原理，如图 2.2 所示： 5 图 2.2 电涡流工作原理 根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流 i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流， 即电涡流，如图 2.2 中所示。与此同时，电涡流 i2又产生新的交变磁场 H2； H2与 H1方向相反，并力图削弱 H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率，磁导率，线圈与金属导体的距离 x，以及线圈激励电流的频率 f 等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗 Z 就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。 2.2.2 电涡流传感器等效电路分析 为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图 2.3 所示的等效电路。 图 2.3 电涡流传感器等效电路 图中 R1， L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中 R2，L2 为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感 M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。 U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式 如下：
