金屬構(gòu)件脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

1、項(xiàng)目編號_ 1004080_大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題驗(yàn)收材料項(xiàng)目名稱 金屬構(gòu)件脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王地龍所學(xué)專業(yè)機(jī)械自動(dòng)化所在學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院電話(手機(jī)子信箱541634926項(xiàng)目起止年月2010 年 10 月 到 2011年 9 月第一指導(dǎo)教師張洪專業(yè)技術(shù)職務(wù)副教授電話(手機(jī)子信箱1105399774結(jié)題日期2011年 9 月江 南 大 學(xué) 教 務(wù) 處 制目 錄1大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收表。. .。.。12大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目成果精粹.。. 。.。.。43大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目成果佐證材料.。 。.。.20江南大學(xué)大學(xué)生

2、創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收表學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 填寫日期： 2011 年 8 月項(xiàng)目名稱金屬構(gòu)件脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目編號20101505項(xiàng)目組成員姓名學(xué)號承擔(dān)工作量（)本人簽字備注負(fù)責(zé)人王地龍040108041925成員1閻路偉040108031925成員2王夏萍040108020325成員3施勇040108041625指導(dǎo)教師姓名年齡職稱聯(lián)系電話（手機(jī)）指導(dǎo)教師1張洪44副教導(dǎo)教師2周德強(qiáng)30講、 研究成果簡介脈沖渦流無損檢測是一種最具發(fā)展前景的無損檢測新技術(shù)，由于脈沖含有很寬的頻譜，感應(yīng)的電壓信號含有豐富的材質(zhì)信息。本項(xiàng)目采用

3、有限元仿真軟件對脈沖渦流探頭進(jìn)行有限元仿真，提出一種新型的脈沖渦流傳感器;通過對金屬構(gòu)件缺陷的實(shí)際檢測，驗(yàn)證所提出的新式傳感器的有效性。二、 成果特色及創(chuàng)新點(diǎn)：（1）探索出一種新型的脈沖渦流差分結(jié)構(gòu)的探頭,以克服現(xiàn)有脈沖渦流探頭必須存儲(chǔ)參考樣本信號的不足。(2）提出一種新的信號特征提取技術(shù)，能夠檢測出金屬構(gòu)件內(nèi)部深層隱藏的缺陷；（3）采用傳感器陣列技術(shù)，達(dá)到對金屬構(gòu)件缺陷的可視化成像。三、成果形式及數(shù)量:文獻(xiàn)綜述 1 份； 專利 1 個(gè)；調(diào)研報(bào)告 份; 軟件 件;設(shè)計(jì)作品 份; 圖紙 套；實(shí)驗(yàn)記錄 1 份; 論文 1 篇；制作實(shí)物 1 件： 課件 件；心得體會(huì) 1 份； 其它 。四、指導(dǎo)教師意

4、見： 簽名: 年 月 日五、驗(yàn)收專家組意見:1、專家組意見：2、專家組建議： 推薦參加競賽; 推薦省級創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 推薦國家級創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目 希望進(jìn)一步產(chǎn)品化； 申請專利； 發(fā)表論文； 推薦參加成果展示專家組成員簽字：年 月 日六、學(xué)院意見：驗(yàn)收結(jié)論:通過 不通 負(fù)責(zé)人簽字： 學(xué)院蓋章 年 月 日七、學(xué)校意見： 負(fù)責(zé)人（簽名）: 蓋章： 年 月 日大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃金屬構(gòu)件脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)成 果 精 粹江 南 大 學(xué)二一一年八月（須有3000字左右，可另附頁）項(xiàng)目完成的主要內(nèi)容1 基于COMSOL仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)1.1 創(chuàng)建仿真模型從理論上說,建立三維渦流場的一般分析模型，并對其

5、進(jìn)行求解是完全可行的,但具體實(shí)現(xiàn)起來卻比較復(fù)雜而被測體與檢測線圈上電壓的對應(yīng)關(guān)系與被測體的表面形狀關(guān)系不大，所以可將模型簡化為線圈正對一足夠大的圓盤狀導(dǎo)體來進(jìn)行分析.通過改變模型的物理場參數(shù)，比如電導(dǎo)率、磁場強(qiáng)度等來實(shí)現(xiàn)對各個(gè)缺陷的仿真模擬。其仿真模型如下圖1。1所示。線圈試塊霍爾元件H圖1。1 仿真模型1。2 設(shè)定仿真參數(shù)根據(jù)脈沖渦流檢測技術(shù)的理論研究，脈沖渦流無損檢測的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)霍爾傳感器上檢測到的電壓信號來表達(dá)缺陷的信息,建立仿真模型的目的是為了得到出霍爾傳感器上檢測到的電壓與試件的缺陷尺寸之間的關(guān)系，從理論上就可以實(shí)現(xiàn)脈沖渦流無損檢測，從而在其他條件都不變的情況下，只改變試件缺陷的尺

6、寸.仿真中所用到的具體參數(shù)表1。1所示。表1。1 仿真模型參數(shù)參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值線圈內(nèi)徑/(mm）10線圈外徑/（mm)20傳感器長寬/（mm）33相對磁導(dǎo)率1金屬電導(dǎo)率（cond）17。5e7（1+c）缺陷尺寸/ mm081.3 創(chuàng)建基本模型、設(shè)定邊界條件打開COMSOL，根據(jù)表1。1設(shè)定的仿真參數(shù)繪制圖形,在這里以缺陷尺寸為2mm為例進(jìn)行仿真圖形的繪制,如圖1.2所示.圖1。2 仿真模型的尺寸示意圖對有限元計(jì)算,歸結(jié)為一句話就是解微分方程。而解方程要有定解，就一定要引入條件， 這些附加條件稱為定解條件。其中邊界條件就為定解條件的一種。所以說尤為重要。對于本模型的邊界條件,如圖2.3所示，

7、數(shù)字1、3、5表示軸對稱，2、7、15表示磁絕緣，4、6、8、9、14表示試塊，10、11、12、13表示探頭.圖1。3 邊界設(shè)定示意圖1.4 網(wǎng)格化與求解接下來就要對之前繪制的圖形進(jìn)行進(jìn)一步處理。首先要設(shè)置求解器參數(shù)如圖1。4所示。圖1.4 求解器參數(shù)設(shè)置時(shí)間設(shè)置中，網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)越多,則計(jì)算更準(zhǔn)確，鑒于計(jì)算機(jī)的性能原因，將網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)設(shè)置為30000點(diǎn)進(jìn)行求解.初始化網(wǎng)格，如圖1.5所示；圖1。6為細(xì)化網(wǎng)格。圖1。5初始化網(wǎng)格圖1.6 細(xì)化網(wǎng)格然后進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖1。7所示。圖1。7 求解結(jié)果后處理階段。求解剖面參數(shù),得到磁通密度與時(shí)間的關(guān)系如圖1.8所示。圖1。8 剖面圖參數(shù)（T/t曲線

8、）1.6 運(yùn)用Matlab分析處理仿真數(shù)據(jù)把有限元仿真數(shù)據(jù)在Matlab軟件中進(jìn)行處理，并通過最小二乘法對其進(jìn)行擬合，可分別得到試件缺陷尺寸、霍爾傳感器峰值電壓關(guān)系圖和相應(yīng)的擬合曲線,將之前通過COMSOL仿真得到的剖面圖參數(shù)所輸出的數(shù)據(jù)(缺陷尺寸為2mm、4mm、6mm時(shí)的數(shù)據(jù)）通過Matlab中的plot函數(shù)進(jìn)行分析，得到圖1.9所示關(guān)系圖。圖1.9 不同缺陷尺寸的磁通密度與時(shí)間的關(guān)系圖通過上圖可以看出，檢測線圈的磁通量隨著缺陷尺寸的增大而增大，因此可以對仿真數(shù)據(jù)做提取特征值處理（這里提取的是信號的最大值，即檢測探頭的峰值電壓）,采用指數(shù)擬合的方式得到檢測探頭的峰值電壓與仿真缺陷尺寸的關(guān)系

9、如圖1。10所示.圖1.10 仿真數(shù)據(jù)擬合曲線2 檢測探頭的設(shè)計(jì)探頭的設(shè)計(jì)主要是包括霍爾元件的選擇以及線圈的繞制。探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示?；趯W(xué)?？陀^條件以及對學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對于霍爾元件的選擇在滿足工作要求的同時(shí)更加注重了其成本，而線圈則是利用學(xué)校的儀器繞制的。圖21 探頭實(shí)物圖2.1 霍爾元件的選擇霍爾傳感器選擇的是SS495A型霍爾元件，這種霍爾元件有助于提供穩(wěn)定的輸出；其內(nèi)部含有激光修正的薄膜電阻，可以提供精確的靈敏度和溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢.其引腳屬性如圖2。3所示.圖2.3 SS495A型霍爾傳感器引腳示意圖2。2 線圈的繞制線圈骨架選擇的是直徑為16mm、內(nèi)徑為10mm、厚度為3

10、mm的軟磁鐵氧體磁環(huán).鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物，具有易磁化易退磁、抗干擾的特點(diǎn).激勵(lì)線圈是用直徑0.3mm的漆包線繞成的空心線圈，內(nèi)徑10mm、外徑16mm、高度方向繞25圈，徑向繞20圈，總匝數(shù)為500匝。線圈繞制完成之后，用黑色膠袋包裹，再將霍爾SS495A固定與線圈的內(nèi)環(huán)之內(nèi),探頭便制作成了。2.3差分探頭的設(shè)計(jì) 如上面探頭的設(shè)計(jì)，繞制兩個(gè)完全相同線圈，選用相同的霍爾傳感器制作兩個(gè)完全相同的探頭。再把這些探頭用黑色膠帶包裹在一起，就可以成為一組差分探頭，它的工作原理就是兩個(gè)探頭探測的位置不一樣，而導(dǎo)致得到兩個(gè)信號，然后對這兩個(gè)信號差分,可以消除一些多余的干擾，而且還克服目前探頭

11、檢測需要參考樣本的缺陷.3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1檢測功率放大電路在脈沖渦流的磁場中，激勵(lì)線圈所提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度不符合該實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度要求，因此需對激勵(lì)信號進(jìn)行功率放大,以此來增強(qiáng)渦流磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。在該實(shí)驗(yàn)中，功率放大電路如圖3.1所示。圖3.1 功率放大器3.2 檢測信號放大電路由于實(shí)驗(yàn)所得的檢測信號是比較微弱的電壓信號，這個(gè)微小的信號不適合數(shù)據(jù)采集卡的輸入范圍,所以需要對該信號進(jìn)行放大處理，以提高采樣信號的信噪比，然后進(jìn)行采集。該實(shí)驗(yàn)中信號放大器的核心芯片選用的是INA129儀用放大器。設(shè)計(jì)的信號放大電路如圖3.2所示。 圖3。2信號放大器此上模塊的設(shè)計(jì)完后，隨后焊接電路，再將電路元件和探頭

12、整合為一個(gè)整體，以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,如圖3.3所示。圖3.3 放大電路實(shí)物圖3.3試塊的設(shè)計(jì)金屬試件是一塊幾何尺寸為300mm´100mm´10mm(長´寬´厚)的鋁板，在其上設(shè)計(jì)缺陷,缺陷尺寸分別為2mm´2mm、2mm´4mm、2mm´6mm、2mm´8mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)依次移動(dòng)檢測探頭放置于缺陷處，從而可以得到感應(yīng)電動(dòng)勢與缺陷尺寸的關(guān)系曲線，圖3。4為試塊的示意圖。圖3。4 試塊示意圖圖 3。5 試塊實(shí)物圖4 數(shù)據(jù)采集與處理 根據(jù)項(xiàng)目要求，需要對電壓信號進(jìn)行采集。選擇NIPXI-6259信號采集卡比較適合。創(chuàng)建

13、新的任務(wù)（Create Task）并選擇電壓信號作為對象,即可實(shí)現(xiàn)對電壓信號的采集.4。1 Labview程序設(shè)計(jì)經(jīng)過初步的編程和窗口設(shè)計(jì)，得到如下圖圖4.41所示工作界面,為較為清晰的表達(dá)該界面，所用界面為缺陷為8mm時(shí)的窗口。圖4.41 Labview工作界面上圖中的兩個(gè)窗口分別顯示濾波前的信號和濾波后的信號.綠色的指示燈用來顯示一次采集的完成。Timeout為時(shí)間延遲.試驗(yàn)中設(shè)置為2s，樣本點(diǎn)為1000，采樣周期10個(gè)，采樣頻率為50000Hz。程序設(shè)計(jì)面板如圖4。2所示。圖4。2 Labview程序面板4。2 試驗(yàn)過程4。2。1 試驗(yàn)步驟1)將檢測探頭放在基準(zhǔn)面上（無缺陷處)，進(jìn)行數(shù)據(jù)

14、采集,所獲得的響應(yīng)信號作為基準(zhǔn)信號，采集的信號如圖4。3。圖4。3 無缺陷時(shí)的采集波形圖2）將測量裝置放在試塊上,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢測無缺陷狀態(tài)下線圈所獲得的響應(yīng)信號，并將其作為被測試件的基準(zhǔn)響應(yīng)信號；3）將探頭依次置于試件不同尺寸缺陷處，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得各個(gè)缺陷尺寸下的被測試件的響應(yīng)信號;4）對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行相應(yīng)的分析處理.4.3 數(shù)據(jù)處理4.3。1 濾波通過濾波之后，檢測信號得到明顯的改變，下圖4。5所示為濾波前后的對比示意圖。圖4。5 濾波前后波形示意圖4。3.2 檢測信號的平均處理由于渦流檢測的靈敏度很高，渦流信號對外界環(huán)境變化的反應(yīng)也就特別靈敏,為了消

15、除噪聲的影響，對輸出電壓信號進(jìn)行檢測時(shí)首先對信號求平均值.也就是求連續(xù)等時(shí)間間隔記錄的電壓信號的平均，再將該平均信號作為最終的輸出電壓信號記錄下來.如圖4。6所示,為脈沖渦流響應(yīng)信號的一部分，可以看出，經(jīng)過平均后,信號去噪效果有了較大的改變.圖4.6平均處理后的檢測信號4。3.3 特征值的提取通過特征值的提取,可以得到各個(gè)缺陷處的峰值電壓與缺陷尺寸的關(guān)系。圖4.7所示為峰值電壓與缺陷尺寸的關(guān)系的擬合曲線。圖4。7峰值電壓與缺陷尺寸的關(guān)系圖運(yùn)用cftool工具，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，其函數(shù)信息為：General model Exp2:f（x） = aexp(bx） + cexp(dx)Coef

16、ficients (with 95 confidence bounds）：a = 0。9259 (0。6477， 1。204）b = 0。05007 (0。005106， 0.09504）c = -0。9259 （-1。235， 0。6164）d = 1.302 （-3.16， 0.5564）Goodness of fit：SSE: 0.0001162R-square: 0。9999Adjusted R-square： 0。9996RMSE: 0。01078得擬合方程為： （4。4)4.3。4 誤差分析對擬合前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,得分析結(jié)果如表4。1。表4.1 曲線擬合誤差分析缺陷尺寸擬

17、合前數(shù)據(jù)擬合后數(shù)據(jù)相對誤差絕對誤差2mm1。11071。1193-0.00860.77%4mm1.17231.16490。00740.946mm1.21341。2316-0.01821.508mm1.24131。24770。00640。52從表中可知：絕對誤差大都小于1%，誤差基本在允許的范圍之內(nèi)，所以本次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)是比較理想的。4.3。5 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的誤差分析如表4。2所示。表4。2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的誤差分析缺陷尺寸仿真數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對誤差絕對誤差2mm1.07031.13930.06906.14mm1.10961。16490.05534。7%6mm1

18、.23271。13160.10118。9%8mm1。29841。2413-0.05714。6 由上述分析可以得出以下結(jié)論: 1）對于同一試塊，仿真與實(shí)驗(yàn)得出的峰值電壓數(shù)值均隨著缺陷尺寸的增加而變大. 2)有的數(shù)組誤差還比較大，說明脈沖渦流檢測系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的地方，比如可以采用峰值電壓補(bǔ)償技術(shù)。 3)對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真的絕對誤差基本上在正常范圍之內(nèi),說明仿真與實(shí)驗(yàn)的峰值與缺陷尺寸的對應(yīng)關(guān)系基本上是沒有變化的；這在另一方面也證實(shí)了脈沖渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的有限元仿真分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性,也說明了脈沖渦流在實(shí)際生產(chǎn)中可行性.項(xiàng)目未完成內(nèi)容傳感器陣列檢測實(shí)現(xiàn)缺陷的成像未完成原因1. 因?yàn)閭€(gè)人的

19、基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，對相關(guān)的研究無法深入進(jìn)行，要想完全理解并掌握這些知識(shí)，一年時(shí)間是不夠的，而且大三的課程占用了絕大部分時(shí)間。2. 由于項(xiàng)目需要投入大量時(shí)間和精力，我們組里有三個(gè)成員在忙于復(fù)習(xí)考研,無法抽出時(shí)間來繼續(xù)完成該項(xiàng)目.大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃金屬構(gòu)件脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目成果佐證材料一、探頭的設(shè)計(jì)二、硬件電路的設(shè)計(jì)三、信號采集及處理四、發(fā)明專利一份五、發(fā)表論文一篇江 南 大 學(xué)二一一 年 八 月一 探頭的設(shè)計(jì)差分探頭實(shí)物圖探頭實(shí)物圖 二 硬件電路設(shè)計(jì)在脈沖渦流的磁場中，激勵(lì)線圈所提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度不符合該實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度要求,因此需對激勵(lì)信號進(jìn)行功率放大,以此來增強(qiáng)渦流磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。在該實(shí)驗(yàn)

20、中，功率放大電路如圖所示。 功率放大器圖由于實(shí)驗(yàn)所得的檢測信號是比較微弱的電壓信號，這個(gè)微小的信號不適合數(shù)據(jù)采集卡的輸入范圍，所以需要對該信號進(jìn)行放大處理，以提高采樣信號的信噪比，然后進(jìn)行采集.該實(shí)驗(yàn)中信號放大器的核心芯片選用的是INA129儀用放大器。設(shè)計(jì)的信號放大電路如圖所示。 信號放大器圖將兩個(gè)放大電路圖焊接成一個(gè)整體，再將電路元件和探頭整合為一個(gè)整體，以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖所示。 放大電路實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖三 信號采集及處理無缺陷時(shí)的采集波形圖濾波前后波形示意圖平均處理后的檢測信號峰值電壓與缺陷尺寸的關(guān)系圖 四 發(fā)明專利 申請?zhí)枺?01110069252.6 發(fā)明專利名稱:脈沖漏磁缺陷與應(yīng)力的無損檢測系統(tǒng)及無損檢測方法。五 發(fā)表論文 發(fā)表在儀器儀表學(xué)報(bào)的基于頻譜分析的脈沖渦流缺陷檢測研究心得體會(huì) 通過一年左右的時(shí)間來完成的這項(xiàng)創(chuàng)新項(xiàng)目。對我們四個(gè)人來說,可謂意義非凡.當(dāng)初當(dāng)我們絞盡腦汁想不出一個(gè)好的項(xiàng)目時(shí)。周老師就毫無保留的把自己正在研究的課題拿給我們來做。當(dāng)我們自己看到這個(gè)題目金屬構(gòu)件脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，感覺一頭霧水.這跟我們學(xué)的知識(shí)相關(guān)嗎？做這個(gè)需要哪些知識(shí)呢？我們能夠順利完成嗎?一系列疑問經(jīng)常會(huì)在我們之間出現(xiàn)。可是當(dāng)我們一點(diǎn)點(diǎn)深入，一點(diǎn)點(diǎn)搞點(diǎn)以前