高靈敏度遠(yuǎn)場渦流傳感器的研究

1、高靈敏度遠(yuǎn)場渦流傳感器的研究1998年12月山東工業(yè)大學(xué)第28卷第5期journalofshandonguniversityoftechnologyvoi_28n5dec.1”998p高靈敏度遠(yuǎn)場渦流傳感器的研究*一f劉德鎮(zhèn)劉瑛魏墾再(山東i業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與i程學(xué)院濟(jì)南250061)tf1,ul摘要針對傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流傳感器的信號(hào)幅值及信噪比太低難以檢測的實(shí)際困堆,提出在傳兢遠(yuǎn)場渦流傳感器中增加遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置及近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu),提高遠(yuǎn)場信號(hào)幅值與信噪比的設(shè)計(jì)方案.通過實(shí)驗(yàn)研究得到了高靈敏度傳感器的最佳組合結(jié)構(gòu).關(guān)鍵詞傳感器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)墨苧場_渦流僂磐器,中圍分類號(hào)tgll5.284.i,趨元損

2、徑涮0前言遠(yuǎn)場渦流(rfec)技術(shù)是一種最新的管道無損檢測技術(shù),它采用內(nèi)通過式傳感器一次通過管子,便可以相同的靈敏度同時(shí)檢出管道內(nèi)外表面的凹坑,裂紋,管壁內(nèi)部缺陷與腐蝕減薄,是一種高效實(shí)用且經(jīng)濟(jì)可靠的檢測方法,特別適用于地下管線及密排管道的檢測.遠(yuǎn)場渦流技術(shù)以其獨(dú)特的檢測方式和優(yōu)點(diǎn)顯示出了在管道檢測中的優(yōu)越性,成為管道無損檢測工程重要的研究課題.遠(yuǎn)場渦流的研究具有重要的理論學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義,國內(nèi)外的理論研究已證實(shí)了遠(yuǎn)場渦流的存在并逐漸闡明了其機(jī)理.然而實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用表明,遠(yuǎn)場渦流由于檢測信號(hào)十分微弱以及噪聲干擾給技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)帶來極大的困難,如何克服這種困難是目前工程應(yīng)用研究的核心和關(guān)鍵.1遠(yuǎn)場渦

3、流傳感器及遠(yuǎn)場渦流檢測信號(hào)遠(yuǎn)場渦流檢測傳感器是遠(yuǎn)場渦流系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵.過去的研究資料中,傳薔囂一直沿用傳統(tǒng)的一般遠(yuǎn)場渦流檢測探頭.這種結(jié)構(gòu)的探頭主要由兩個(gè)與管子同軸的空心螺管線圈組成.激勵(lì)線圈以低頻交流電激勵(lì).檢測線圈置于距激勵(lì)線圈23倍管內(nèi)徑id處的遠(yuǎn)場區(qū),如圖l所示.兩線圈之間的電磁耦合隨距離的變化分為三個(gè)區(qū)域即近場區(qū),過渡區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū).三個(gè)區(qū)域中檢測信號(hào)幅值與相位陡兩線圈間距離的變化規(guī)律,如圖2所示.遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)為出現(xiàn)于遠(yuǎn)場區(qū)的特殊現(xiàn)象,常規(guī)渦流的直接電磁耦合概念已無法解釋.理論的研究解釋了遠(yuǎn)場渦流的機(jī)理:遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)是一種電磁場的擴(kuò)散現(xiàn)象.在遠(yuǎn)收稿日期1998?o1?o4*本文獲山東省

4、教委科研計(jì)劃基金資助山東工業(yè)大學(xué)電子工程系第一怍者簡介劉德鎮(zhèn),男,副教授,國家高級(jí)無摜檢i剜人員.1942年生.1964年畢業(yè)于山東大學(xué)物理系.主要研究方向:材料的無損檢測.焊接檢驗(yàn)等.;山東工業(yè)大學(xué)1998正直援禍亡區(qū)垃漬匡遠(yuǎn)垣堡撤同】線圈接收線翻圖1遠(yuǎn)場渦流探頭示意圖窘翟lb9曠兩戰(zhàn)蜜距禹idi菁一璺崎蔫停號(hào)幅值bf內(nèi)簟崎搠值母鉬:童圖2檢測線圈的信號(hào)特征曲線場區(qū)檢測線圈檢出的電磁場能量,主要是電磁場擴(kuò)散,兩次穿透管壁的間接耦合能量.電磁場在兩次穿透管壁產(chǎn)生渦流的過程中,由于在空間的擴(kuò)散以及與管壁材料的相互作用,遠(yuǎn)場區(qū)電磁場場強(qiáng)已變得十分微弱,在檢測線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢信號(hào)即檢測信號(hào)幅值也

5、十分微弱,這給遠(yuǎn)場信號(hào)的檢出帶來極大的困難.2高靈敏度遠(yuǎn)場渦流傳感器的實(shí)驗(yàn)研究.2.1傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流傳感器的遠(yuǎn)場特性躉其缺點(diǎn)研究之初,我們?nèi)匝赜脗鹘y(tǒng)遠(yuǎn)場渦流探頭的結(jié)構(gòu)模式設(shè)計(jì)制作了激勖,檢測哉均為空心線圈的傳感器,并在108mmx4ram的無齄鋼管中測出了這種傳感囂的近場特性越境.實(shí)驗(yàn)條件:所用激勵(lì)信號(hào)為頻率,=40hz的低頻正弦渡,其激勵(lì)電壓約為6v,激髓電巍約為2a.為避免邊緣效應(yīng)的影響,實(shí)驗(yàn)中保持傳感器距管端80mm,所測得的激威和檢測援圈均為空心線圈傳感器的遠(yuǎn)場特性,如圖3所示.由實(shí)測曲線可以看出=過渡點(diǎn)約在距激勵(lì)線圈1.94id處,過渡區(qū)為1.8o2.24id,過渡區(qū)內(nèi)信號(hào)幅值較小且不

6、穩(wěn)定.從2.24id處進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū),遠(yuǎn)場區(qū)信號(hào)基本趨于穩(wěn)定且幅值逐漸減小.遠(yuǎn)場區(qū)最大信號(hào)幅值約為49v.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳統(tǒng)空心線圈結(jié)構(gòu)的傳感器存在兩大突出的缺點(diǎn).其一是檢測信號(hào)幅值太低,通常為幾微伏到幾十微伏的數(shù)量級(jí),在電子技術(shù)充分發(fā)展的今天,信號(hào)再境函距離|idi圖3激勵(lì)和檢測線圈均為空心線田的遠(yuǎn)場特性的分辨和處理仍很困難.其二是探頭長度太長,難以在曲率稍大的管線中通過.檢測信號(hào)第5期劉簿鎮(zhèn)等;高靈敏度遠(yuǎn)場渦流傳感器的研究的微弱給信號(hào)的檢出和測量電路的設(shè)計(jì)帶來了極大的困難.由于管壁材料化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)不均勻引起的導(dǎo)磁率和導(dǎo)電率的變化在傳感器中帶來不可避免的噪聲信號(hào),當(dāng)遠(yuǎn)場渦流信號(hào)微弱到微伏級(jí)

7、時(shí)幾乎與噪聲信號(hào)處在同一數(shù)量級(jí)上.在電子電路設(shè)計(jì)中對弱信號(hào)往往在傳感器中采用前置放大器,但對徽弱到幾乎與噪聲同數(shù)量級(jí)的遠(yuǎn)場渦流信號(hào)使用前置放大器已無意義.為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場渦流檢測并為設(shè)計(jì)放大測量電路創(chuàng)造條件,就必須改進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu),提高檢測信號(hào)幅值與噪聲比,研究新型高靈敏度遠(yuǎn)場渦流檢測傳感器.2.2新型高靈敏度傳感器的研究在分析遠(yuǎn)場渦流機(jī)理和信號(hào)傳輸路徑的基礎(chǔ)上,圍繞提高檢測信號(hào)幅值和信噪比及縮短傳感器長度的關(guān)鍵,提出了在傳統(tǒng)空心線圈傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),增加遠(yuǎn)場信號(hào)電磁耦合增強(qiáng)裝置及近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu)的方案.并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,以下為實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果:2.2.1激勵(lì)與檢測線圈增加遠(yuǎn)場信號(hào)電

8、磁耦合裝置在傳感器中遠(yuǎn)場信號(hào)傳輸路徑上,設(shè)計(jì)增加由高導(dǎo)磁材料制作成一定形狀的遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置,可導(dǎo)引遠(yuǎn)場能量的定向傳輸,減少傳輸損耗,從而達(dá)到控制能量流擴(kuò)散方向,增強(qiáng)間接耦合能量的目的.通過實(shí)驗(yàn)確定了遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置的參數(shù)并測出了增加遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置傳感器的遠(yuǎn)場特性曲線如圖4所示.由圖中曲線可看出,過渡點(diǎn)在距激勵(lì)線圈1.90id處,從2.04id再純暖螄距葛tidt圖4增加遠(yuǎn)場信號(hào)耦臺(tái)裝置傳感器的遠(yuǎn)場特性處進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū),遠(yuǎn)場區(qū)最大信號(hào)幅值為6.86mv.與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳感器相比遠(yuǎn)場區(qū)提前了0.20id,遠(yuǎn)場信號(hào)提高了6.86mv一0.049mv=6.81mv,遠(yuǎn)場信號(hào)得到了明顯的提高.2.2.2激

9、勵(lì)與檢測線圈問增加近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)空心線圈傳感器中設(shè)計(jì)增加利用高導(dǎo)電與高導(dǎo)磁材料的不同排列組合制作的一定形狀的近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu),從而達(dá)到抑制直接耦合能量,增強(qiáng)間接耦合能量,提前遠(yuǎn)場區(qū)的目的.經(jīng)實(shí)驗(yàn)篩選得到最佳排列組合磁電組合屏蔽阻尼結(jié)構(gòu).以下圖5給出了采用這種近場信號(hào)屏蔽阻尼裝置后,傳感器遠(yuǎn)場特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由曲線可看出過渡點(diǎn)在距激5i6線圈1.80id處,由1.90id處進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū),遠(yuǎn)場區(qū)最大信號(hào)幅值為51.4v,與傳統(tǒng)探頭相比,較遠(yuǎn)場區(qū)提前0.34id,遠(yuǎn)場信號(hào)幅值提高51.4v一49.0v一2.4v,可以看出增加屏蔽阻尼結(jié)構(gòu)后較大的提前了遠(yuǎn)場區(qū),但檢測信號(hào)幅值提高較少.2.

10、2.3既增加遠(yuǎn)場信號(hào)電磁耦合裝置又增加近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu)的傳感器為了獲得具有最佳性能的傳感器結(jié)構(gòu),將以上2.2.1與2.2.2的結(jié)果相結(jié)合.傳感器山東工業(yè)大學(xué)1998芷中同時(shí)加入遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置與近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu),并測出這種結(jié)構(gòu)傳感器的遠(yuǎn)場特性,如圖6所示.由圖6曲線可知,過渡點(diǎn)在距激勵(lì)線圈1.70id處,從1.80id處進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū),遠(yuǎn)場區(qū)最大信號(hào)幅值為7.85mv,與傳統(tǒng)空心線圈傳感器相比,遠(yuǎn)場區(qū)提前了0.24id一暑1.80id=0.44id,遠(yuǎn)場信號(hào)幅值提高了7?85mv一0?049mv7?80圈mv,遠(yuǎn)場區(qū)信號(hào)得到了明顯的提高.分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出這種既引入遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置又

11、增加近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu)的傳感器為最佳組合結(jié)構(gòu)的高靈敏度傳感器.高靈敏度傳感器有效地抑制了直接二耦合能量在管內(nèi)的傳播,控制集中了兩次穿透管壁的間接耦合能量的擴(kuò)散傳輸方向,并減少了在傳輸路徑上的損耗,從而大幅度地提高了3結(jié)論(1)在傳感器中增加遠(yuǎn)場信號(hào)電磁耦合裝置可以導(dǎo)i控制間接耦合能量的擴(kuò)傲方向,減少傳輸路徑上的損耗,較大幅度地提高遠(yuǎn)場信號(hào)幅值并可攝前遠(yuǎn)場區(qū).(2)在傳感器中引入近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu),可以屏蔽阻尼直接耦合能量的傳播,較大幅度提前遠(yuǎn)場區(qū),并可稍許提高遠(yuǎn)場信號(hào)幅值.(3)同時(shí)增加遠(yuǎn)場信號(hào)耦合裝置與近場信號(hào)屏蔽阻尼結(jié)構(gòu)的傳感器為最佳組合結(jié)構(gòu)的高靈敏度傳感器.高靈敏度傳感器不僅鳙短了探

12、頭長度而且大幅度地提膏了遠(yuǎn)場渦流檢測信號(hào)的幅值和信嗓比,為設(shè)計(jì)研制放大測量電路,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場渦流檢測剖造了良好的條件.第5期劉蔣鎮(zhèn)等高是敏度遠(yuǎn)場咼流傳感器的研究427參考文件1劉薄鎮(zhèn)+劉瑛,魏星等.遠(yuǎn)場咼流技術(shù)及國內(nèi)外進(jìn)展.山東工業(yè)大學(xué)+1998+28(2):1911942lordw.遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)的機(jī)理.南京航空學(xué)院,1990-10(增刊):1291343schmidttr.theremotefieldeddycurrentinspectiontechnique.materialsevaluation,1984-42(2)t2252304hoshikawah.characteristicsofre

13、motefieldeddycurrenttechnique.materialsevaluation,1989-47(1),9397studyonnewtyperfecsensorwithhighsensitivyliudezhenliuyingweixing(collegeofmater.sei.andeng.,shandonguniv.oftech.,jinan250061)abstractinordertoovercomethepracticaldifficultythatthesignalamplitudeandthesignalnoiseratioistoolowtobedetected,anewdesignhasbeenputforwardbyaddingremotefieldsignalcouplingdeviceandnearfieldsignalshielding-dampling8true-tureintraditio