摘要本文提出了一種基于渦流效應的管道內(nèi)檢測器設計方案，旨在實現(xiàn)對管道內(nèi)部缺陷的高效、準確檢測。渦流效應作為一種電磁無損檢測技術，具有非接觸、高靈敏度、適用于多種材料等優(yōu)點，在管道檢測領域具有廣泛的應用前景。本文首先介紹了渦流效應的基本原理及其在管道檢測中的應用背景，然后詳細闡述了檢測器的設計思路、關鍵部件的選型與優(yōu)化、實驗驗證及性能評估等方面。在檢測器設計方面，本文采用了高性能的渦流傳感器作為核心部件，通過優(yōu)化線圈結構、提高信號處理能力等措施，實現(xiàn)了對管道內(nèi)部渦流信號的高精度采集與分析。同時，檢測器還集成了數(shù)據(jù)采集、處理與存儲等模塊，實現(xiàn)了檢測過程的自動化和智能化。此外，為了方便操作人員使用，本文還設計了友好的人機交互界面，提供了直觀、便捷的操作體驗。在實驗驗證方面，本文選取了多種不同類型的管道樣本進行實驗測試，包括不同材質、不同壁厚的管道以及模擬各種缺陷情況的實驗裝置。實驗結果表明，該檢測器能夠準確識別管道內(nèi)部的缺陷類型、位置和尺寸等信息，具有較高的檢測精度和可靠性。同時，本文還對檢測器的性能進行了全面的評估，包括靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性等指標，為后續(xù)的應用和推廣提供了有力的支持。本文的研究工作不僅為管道內(nèi)部缺陷檢測提供了一種新的有效手段，還為相關行業(yè)的發(fā)展和安全保障提供了有力的技術支持。未來，隨著渦流檢測技術的不斷發(fā)展和完善，相信該檢測器將會在管道檢測領域發(fā)揮更大的作用，為保障管道安全運輸做出更大的貢獻。同時，本文的研究成果也為類似檢測器的設計和開發(fā)提供了有益的參考和借鑒。關鍵詞：學位論文，渦流效應，渦流傳感器，管道內(nèi)檢測器AbstractThispaperproposesadesignschemeforanin-pipedetectorbasedontheeddycurrenteffect,aimingtoachieveefficientandaccuratedetectionofinternaldefectsinpipelines.Asanelectromagneticnon-destructivetestingtechnology,theeddycurrenteffecthasadvantagessuchasnon-contact,highsensitivity,andapplicabilitytovariousmaterials,makingitwidelyusedinpipelineinspection.Thepaperfirstintroducesthebasicprinciplesoftheeddycurrenteffectanditsapplicationbackgroundinpipelineinspection.Then,itelaboratesonthedesignideasofthedetector,theselectionandoptimizationofkeycomponents,experimentalverification,andperformanceevaluation.Intermsofdetectordesign,thispaperadoptshigh-performanceeddycurrentsensorsasthecorecomponent.Byoptimizingthecoilstructureandimprovingsignalprocessingcapabilities,high-precisionacquisitionandanalysisofeddycurrentsignalsinsidethepipelineareachieved.Meanwhile,thedetectorintegratesmodulesfordataacquisition,processing,andstorage,enablingautomationandintelligenceintheinspectionprocess.Additionally,tofacilitateoperatoruse,thispaperdesignsauser-friendlyhuman-machineinteractioninterface,providinganintuitiveandconvenientoperationalexperience.Regardingexperimentalverification,thispaperselectsvarioustypesofpipelinesamplesforexperimentaltesting,includingpipelinesofdifferentmaterialsandwallthicknesses,aswellasexperimentalsetupssimulatingvariousdefectconditions.Theexperimentalresultsdemonstratethatthedetectorcanaccuratelyidentifythetype,location,andsizeofinternaldefectsinpipelines,exhibitinghighdetectionaccuracyandreliability.Furthermore,thispapercomprehensivelyevaluatesthedetector'sperformance,includingsensitivity,resolution,stability,andotherindicators,providingstrongsupportforitssubsequentapplicationandpromotion.Theresearchworkpresentedinthispapernotonlyoffersaneweffectivemeansforinternaldefectdetectioninpipelinesbutalsoprovidesvaluabletechnicalsupportforthedevelopmentandsafetyofrelatedindustries.Inthefuture,withthecontinuousdevelopmentandimprovementofeddycurrentdetectiontechnology,itisbelievedthatthisdetectorwillplayagreaterroleinthefieldofpipelineinspection,makingasignificantcontributiontoensuringsafepipelinetransportation.Meanwhile,theresearchresultsofthispaperalsoprovideusefulreferencesandinsightsforthedesignanddevelopmentofsimilardetectors.Keywords:Dissertation,Eddycurrenteffect,Eddycurrentsensor,In-pipedetector一、緒論1.1研究背景及意義我國當前正在大力開展油氣管道設施建設工作，用以滿足日益增長的天然氣和石油需求。隨著城市化進程的加速和工業(yè)化的深入推進，對油氣資源的依賴度不斷提高，促使了油氣管道網(wǎng)絡的迅速擴大和延伸。并且我國油氣管道已經(jīng)建設了一套龐大的網(wǎng)絡，覆蓋了全國各地。根據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，油氣管道建設主要集中在長三角、珠江三角洲、環(huán)渤海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，這些地區(qū)擁有豐富的油氣資源和密集的能源消費市場。而且當前油氣管道的口徑持續(xù)增大，意味著單條管道的輸送能力和效率得到大幅提升，能夠實現(xiàn)更大規(guī)模的能源輸送。油氣管道的運距也在迅速增加，這意味著長距離的跨區(qū)域、甚至跨國界的能源調(diào)配能力增強。這也讓我國建設了一些橫跨省市的主干管道，如中亞天然氣管道和西氣東輸管道等，實現(xiàn)了不同地區(qū)之間的油氣資源調(diào)配。同時，在國家層面還出臺多項政策和規(guī)劃來指導和支持油氣管道建設，比如在《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》中設定了至2025年和2030年的具體發(fā)展目標。因此我國在石油天氣圖1長輸管道建設領域已經(jīng)成為建設大國，積累了豐富的經(jīng)驗和先進的技術能力，積極開展數(shù)字化、智能化技術研究，并在全球范圍內(nèi)參與相關項目合作。由于管道建設完之后需要長期固定在那個位置上。隨著時間的流逝，管道會受到很多自然與人為的損害，導致管道出現(xiàn)許多缺陷。而管道缺陷導致的事故在油氣行業(yè)中是較為嚴重的安全隱患之一。例如油氣泄露事故、火災爆炸事故、設備事故、裂紋缺陷事故等都是管道缺陷未及時發(fā)現(xiàn)導致的事故。例如2013年的蘭成渝成品油管道泄露事故，中國蘭成渝成品油管道在四川省廣漢市境內(nèi)因第三方施工單位違規(guī)施工挖破管道，導致大量汽油泄漏，引發(fā)了重大環(huán)境污染事故。2013年青島11月22日中石化東黃輸油管道泄漏爆炸事故由于輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、進而造成原油進入排水暗渠。而現(xiàn)場處置人員無法觀測到管道內(nèi)部情況，采用液壓粉碎錘在暗渠上打孔時產(chǎn)生撞擊火花，發(fā)生爆炸造成了二次傷害，最終導致62人死亡，126人受傷，財產(chǎn)損失高達75172萬元。而且造成了嚴重的環(huán)境污染。圖1山東青島輸油管道事件現(xiàn)場圖因此為了避免上述事故的發(fā)生，業(yè)界普遍采用先進的檢測技術加強管道的日常維護保養(yǎng)、提高管道的防腐標準、采用高效的陰極保護系統(tǒng)，并通過嚴格的法規(guī)和管理制度加強對管道建設和運營全過程的安全監(jiān)督。而在眾多的檢測技術中，我們一般采用無損檢測技術。無損檢測（Non-DestructiveTesting,NDT）是一種重要的工程技術手段，它允許在不對被檢測對象造成任何永久性損害或不影響其后續(xù)正常使用的前提下，對其內(nèi)部結構、成分、缺陷或整體性能進行準確的檢測和評估。無損檢測廣泛應用于制造業(yè)、航空、航天、石油化工、核能、鐵路、橋梁建筑、船舶制造、汽車工業(yè)、電力設施等多個領域，確保產(chǎn)品質量、安全性和使用壽命符合設計要求和相關標準。常見的無損檢測方法包括但不限于：射線檢測（RadiographicTesting,RT）：通過X射線或γ射線透視工件，記錄射線穿透工件后的影像，以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋、夾雜物、氣孔等缺陷。超聲檢測（UltrasonicTesting,UT）：利用超聲波在材料內(nèi)部傳播特性，通過接收返回的超聲波信號，確定材料內(nèi)部是否存在缺陷，還能測定缺陷的位置、大小、形狀和性質。磁粉檢測（MagneticParticleTesting,MT）：專門用于檢測鐵磁性材料表面或近表面裂紋，利用外加磁場使磁粉聚集在裂紋處，形成可見的磁痕顯示。滲透檢測（PenetrantTesting,PT或LiquidPenetrantInspection,LPI）：通過染料滲透劑滲入開口性缺陷，然后清洗掉多余滲透劑，再施加顯像劑使得殘留在缺陷內(nèi)的滲透劑顯現(xiàn)出來，以此檢測表面開口缺陷。渦流檢測（EddyCurrentTesting,ECT）：利用電磁感應原理，檢測導電材料表面和近表面缺陷，特別適合于檢測金屬管材和線圈的表面缺陷。聲發(fā)射檢測（AcousticEmissionTesting,AE）：監(jiān)聽材料在受載荷過程中發(fā)出的聲音信號，從而推斷材料內(nèi)部是否有裂紋擴展或結構失效的情況。熱像/紅外檢測（Thermography/InfraredTesting,TIR）：通過檢測材料表面溫度分布，找出由于內(nèi)部結構不均勻或缺陷導致的熱量散失異常，常用于電氣設備的熱故障檢測。目視檢測（VisualTesting,VT）：是最直觀的無損檢測方法，通過肉眼或放大鏡、內(nèi)窺鏡等輔助工具觀察材料表面特征和構造，尋找明顯缺陷。每種檢測方法都有其適用范圍和優(yōu)缺點，選擇合適的檢測方法通常取決于待測材料的類型、缺陷特點、檢測要求以及現(xiàn)場條件等因素。隨著科技的進步，無損檢測技術也在不斷更新和發(fā)展，數(shù)字化、自動化和智能化的趨勢愈發(fā)明顯，提高了檢測的精確度、效率和安全性。1.2渦流檢測技術在國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀1.2.1國外研究歷史與現(xiàn)狀渦流檢測技術的原理基于電磁感應定律，其最早可以追溯到19世紀的科學家對電磁現(xiàn)象的研究。然而，渦流檢測作為一項成熟的無損檢測技術實在20世紀中葉得以發(fā)展。1950年代初，德國科學家福斯特（Forster）對渦流檢測原理和設備的研究開啟了這一技術的新篇章。1950年代末至1960年代初，渦流檢測技術在歐美國家得到快速的發(fā)展，尤其是美國和歐洲一些國家的研究機構和企業(yè)。美國科學家MacleanW.R.在1951年獲得了遠場渦流檢測技術的專利，而殼牌公司的SchmidtT.R.在此期間也獨立開展了相關研究，這些貢獻推動了渦流檢測技術的實用化進程。1970年代美國科學家Libby提出的脈沖渦流檢測技術理論和應用為渦流檢測帶來了新的突破，盡管起初并未立即大規(guī)模應用，但在隨后數(shù)十年間，這項技術在美國愛荷華州大學、英國DERA實驗室、法國Cegely實驗室等科研機構的努力下，得到了實質性的發(fā)展和成功的應用。1980年代至今，渦流檢測技術不斷完善，從最初的穿過式和扇形探頭發(fā)展到了包括旋轉式探頭在內(nèi)的多種類型，配合計算機技術的發(fā)展，形成了基于計算機的檢測儀器，提高了檢測效率和準確性。同時，隨著信號處理技術的進步，諸如渦流陣列成像等高級技術也應運而生。隨著技術的發(fā)展，國際標準化組織（ISO）和其他國家的相關機構，陸續(xù)建立了渦流檢測的標準和規(guī)范，用以確保技術的統(tǒng)一性和可靠性，也為全球化市場上的推廣應用提供了依據(jù)。至今，渦流檢測技術已在航空航天、核能、石油化工、汽車制造、軌道交通等多個領域得到廣泛應用，并且隨著材料科學、計算機科學等交叉學科的深度融合，渦流檢測技術不斷拓展新的應用邊界，例如在復合材料檢測、生物醫(yī)學領域等新興領域的嘗試和應用。1.2.2國內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀1960年代起，渦流檢測技術開始傳入我國，國內(nèi)的科研人員開始接觸并倆姐這一無損檢測技術。在研究初期，渦流檢測技術主要應用于軍工和少數(shù)重點工業(yè)部門，受限于當時的技術引進和自主研發(fā)能力，設備和技術水平相對較低。到70年代后期，渦流檢測技術在國內(nèi)開始逐步得到重視和應用，尤其是在冶金、航空航天、石油化工等領域，隨著技術引進和消化吸收，開始自主研發(fā)渦流檢測設備。也正是在此時期，我國科研機構和高校開始了渦流檢測技術的基礎理論研究和儀器設備研制工作，雖然技術水平相較于國際先進水平有一定差距，但為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎。到了90年代后，隨著改革開放和經(jīng)濟建設的加速，渦流檢測技術在國內(nèi)迎來了快速發(fā)展的黃金期。微電子技術、計算機技術的飛速發(fā)展，推動了渦流檢測設備的數(shù)字化和智能化進程，國產(chǎn)渦流檢測儀逐步具備了與國際同類產(chǎn)品競爭的能力。到21世紀初，國內(nèi)開始研發(fā)和生產(chǎn)各種類型的渦流檢測探頭和儀器，形成了具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈，服務于國內(nèi)眾多工業(yè)領域。自那之后到現(xiàn)在，我國在渦流檢測技術領域持續(xù)加大研發(fā)投入，尤其是在新材料、新能源、高端裝備制造等領域，渦流檢測技術的深度和廣度都在不斷擴大。開發(fā)了包括多頻渦流檢測、脈沖渦流檢測、渦流陣列成像等多種先進檢測技術，并成功應用于深海石油平臺、高速列車、核電站設備、航空航天組件等多種復雜結構件的無損檢測。國內(nèi)還制定了相應的渦流檢測技術標準和規(guī)范，促進了行業(yè)的標準化、規(guī)范化發(fā)展。1.3本文主要研究工作與章節(jié)安排1.3.1當前存在的問題本文將結合針對于渦流檢測技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以當前管道所面臨的缺陷為基礎設計一款管道內(nèi)檢測器。由于目前已有檢測器的體積都較大，因此運動時所需要的功耗也較高。同時，目前檢測器的檢測精度都較低，一些較小的缺陷無法檢測到。同時由于管道內(nèi)的環(huán)境復雜，在外的控制人員需要實時操作運動，因此檢測器的反應速度必須靈敏，以防檢測器損壞。同時檢測器的信號傳輸需要足夠穩(wěn)定，抗干擾能力夠強。這一方面方便操作員操作，也供檢測人員可以及時發(fā)現(xiàn)缺陷的確切位置，以供后期人員對于管道進行修理，盡可能節(jié)省人力物力。1.3.2章節(jié)安排第一章為本文的緒論，首先介紹本文的研究背景和意義，然后介紹國內(nèi)外渦流檢測技術的研究歷史與現(xiàn)狀，最后主要介紹本文的研究內(nèi)容和章節(jié)安排。第二章為本文的理論部分，主要陳述了本文所采用的渦流效應的定理以及麥克斯韋方程組，并以麥克斯韋方程組為基礎，分析渦流檢測的相關影響因素。第三章為管道內(nèi)檢測器設計?；诠艿纼?nèi)渦流檢測的理論分析與仿真，并結合實際的管道檢測應用需求，搭建一套完整的管道內(nèi)檢測渦流系統(tǒng)，設計并制作渦流傳感器探頭。第四章為設備調(diào)試。將制作完成的檢測器利用實驗室的人工模型對檢測器的測量能力進行測試，之后將其放置于管道平臺進行真實實驗，對實驗結果進行分析。第五章為本文的總結，對本文的研究內(nèi)容和結果進行總結，分析工作中的出現(xiàn)的錯誤，并之后的發(fā)展方向和改善之處。二、渦流檢測基本原理2.1麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組是電磁學的基本方程組，由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀中葉創(chuàng)立，它全面地描述了電磁場的行為以及電場、磁場與電荷和電流之間的相互關系。這四個方程分別為：1.高斯電場定律（Gauss'sLawforElectricity）：?這個方程表明，通過任意閉合曲面的電場通量等于該區(qū)域內(nèi)電荷的代數(shù)和除以真空介電常數(shù)?02.高斯磁場定律（Gauss'sLawforMagnetism）：?這個方程表示，通過任意閉合曲面的磁場通量總是零，意味著磁場沒有孤立的源頭——磁單極子。這反映了磁力線總是閉合的特性。3.法拉第電磁感應定律（Faraday'sLawofElectromagneticInduction）：?法拉第定律表明，當磁場隨時間變化時，會在周圍空間產(chǎn)生一個環(huán)繞變化磁場的電場，即電場的旋度等于磁場隨時間的變化率。4.麥克斯韋-安培定律（Maxwell-Ampère'sCircuitalLaw）：?最初，安培定律描述了磁場與傳導電流（J）之間的關系，但麥克斯韋在其基礎上加入了一項“位移電流”，指出變化的電場也會產(chǎn)生磁場。該方程表達的是磁場強度的旋度等于傳導電流密度加上位移電流密度（即電場隨時間的變化率乘以介電常數(shù)和磁導率）。麥克斯韋方程組的重要貢獻在于它揭示了電磁場的動態(tài)性質，并預言了電磁波的存在，表明光實際上是一種電磁波，以光速在真空中傳播。這套方程組不僅是現(xiàn)代物理學的基石，而且在工程、通信、信息技術等諸多領域具有極其重要的應用價值。2.2電磁感應原理電磁感應原理是電磁學中的核心概念之一，它由英國科學家邁克爾·法拉第在19世紀30年代首次發(fā)現(xiàn)并通過實驗驗證。圖2法拉第電磁感應原理示意圖這一原理揭示了電場與磁場之間的相互作用，特別是當磁場變化時，會在導體或閉合回路中誘導出電動勢和電流的現(xiàn)象。法拉第電磁感應定律表述了感應電動勢與磁通量變化之間的關系。在一個閉合電路中，每當穿過這個電路的磁通量發(fā)生變化時，電路內(nèi)部就會感生電動勢。該定律的數(shù)學表達式為ε=?其中，ε表示感應電動勢，φB表示穿過閉合回路的磁通量，t是時間的微小變化量。負號表示感應電動勢的方向總是企圖阻止產(chǎn)生它的磁通量變化，這便是著名的“楞次定律”。磁通量φ是通過某一面積的磁感應線總數(shù)，可以視為磁場強度B與該面積S在磁場方向上的投影乘積，即φ=BScosθ2.3渦流效應渦流效應是一種基于電磁感應原理的物理現(xiàn)象。當一個導體被置于一個變化的磁場中時，導體內(nèi)部會產(chǎn)生渦流。這是因為變化的磁場會在導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢，從而產(chǎn)生電流。由于導體的形狀和尺寸，這種電流通常不是直線流動，而是形成閉合的環(huán)形或渦旋狀，因此被稱為渦流。渦流效應在無損檢測（Non-DestructiveTesting,NDT）中的基本應用如下。首先使用一個線圈，通過它傳輸交變電流，產(chǎn)生交變磁場，這個線圈通常被稱為激勵線圈或探頭。當這個激勵線圈接近一個導電的測試材料時，線圈中的交變磁場會穿透材料表面并在其內(nèi)部產(chǎn)生閉合的渦流。在無缺陷的金屬中，渦流分布均勻；如果金屬表面或內(nèi)部有缺陷,如裂紋、孔洞、夾雜等，渦流的路徑會被擾動。缺陷區(qū)域的電導率和磁導率與周圍材料不同，從而在該區(qū)域的金屬內(nèi)部產(chǎn)生新的磁場。缺陷的存在會改變渦流的流動，改變了這個新磁場的分布。激勵線圈或附近的感應線圈會檢測到由渦流產(chǎn)生的磁場變化，產(chǎn)生的電壓變化即可反映了材料內(nèi)部或表面的缺陷。探頭接收到的信號通常很微弱，需要經(jīng)過放大和處理才能分析。渦流檢測設備會對這些信號進行處理，以區(qū)分材料特性、缺陷特性和噪聲。通過分析渦流信號的變化，可以確定缺陷的位置、大小和形狀。圖3管道渦流檢測原理示意圖2.4檢測線圈的分類按形式分類可分為外穿式、內(nèi)穿式、探頭式。外穿式是將被檢測的樣品放于線圈內(nèi)進行檢測，比較適用于管、棒、線材的外壁缺陷檢測。內(nèi)穿式則是將線圈放置于管子內(nèi)部進行檢測，是專門用于檢查較厚的管道內(nèi)壁或鉆孔內(nèi)壁的缺陷。探頭式則是將探頭放置于被測樣品表面進行檢測，適用的范圍較廣，但由于其只能檢測到材料表面或淺層的缺陷。按結構分類可分為絕對式、差動式、自比較式、標準比較式。絕對式是由單獨一個線圈構成。差動式則是由兩個反相連接的線圈組成。自比較式則是將多個線圈纏繞在同一個骨架上。標準比較式則是將兩個線圈分別纏繞在兩個骨架上，其中一個線圈放入樣品，另一個則用于進行實際檢測。圖4自比較式檢測線圈圖5標準比較式檢測線圈按電氣連接方式分類則可以分為自感式、互感式、以及參數(shù)式。自感式是檢測線圈使用一個繞組，既起到了檢測作用又起激勵作用?；ジ惺絼t是將激勵繞組和檢測繞組分開，互相干涉。參數(shù)型式則是將線圈本身是電路的一個組成部分。本文管道內(nèi)檢測器所使用的內(nèi)穿絕對自感式。因為其結構簡單，由于其只有一個線圈，并且同時用于產(chǎn)生磁場和檢測磁場變化。同時由于其設計簡單，大大減少了制造成本同時提高設備的可靠性。由于只有一個線圈產(chǎn)生的信號較為簡單，有利于分析和處理。對于外界電磁干擾的敏感性較低，因此即使在嘈雜的工業(yè)環(huán)境里任然可以保持穩(wěn)定的性能。而且其易于安裝調(diào)試，后期的維護也較為簡單，這也為需要頻繁檢查或惡劣環(huán)境下可以快速操作。2.5渦流檢測阻抗分析方法根據(jù)前文的檢測原理，當材料內(nèi)部感應到閉合渦流遇到缺陷時，其分布會受到擾動。這種擾動改變了渦流產(chǎn)生的磁場，進而影響阿斗探頭中的初始磁場，感應線圈可以檢測到這些變化，并且將其轉化為電信號。在使用絕對式線圈進行測量式，這個過程可將其視為互感變壓器中接入了交變信號后原邊線圈和副線圈互相作用的過程。簡單線圈就是用一組金屬導線繞成的一只線圈。圖7簡單線圈示意圖圖7中的線圈通常繞值的比較密集，匝數(shù)較多，導線較長，除了其本身具有電感外，導線電阻也不可忽視，匝數(shù)之間還有分布電容，通常機器繞制的線圈比較整齊，分布電容比較大，而手工繞制的線圈不是很規(guī)律，分布電容比較小。所以，從理論出發(fā)，檢測線圈可以由電感、電容和電阻串聯(lián)的電路進行表示，分布電容通常比較小，可以忽略不記，即線圈自身的復阻抗可以用下式表示：Z其中，Z為探頭的阻抗。R為探頭的電阻，ω為角頻率，L為探頭的電感值。為了進一步分析渦流檢測過程中的實際情況，渦流檢測探頭與被檢器件可并為一組互相耦合的線圈，原邊線圈相當于檢測探頭，副邊線圈則是被測器件，其等效電路如圖8所示。圖8耦合線圈的互感電路若是在原邊線圈中以交流I1,根據(jù)電磁感應原理，原邊線圈周圍會產(chǎn)生變化的電磁場，副邊線圈在這種變化的電磁場作用下內(nèi)部中會產(chǎn)生變化的感應電流I2.6趨膚效應當給激勵線圈通入交流電流時,在試件中的某一深度會產(chǎn)生的感應渦流,此渦流會產(chǎn)生新的磁場,從而減小了原有的磁通量,這樣會使電流分布不均勻,使試件中更深層的渦流減少。尤其是當頻率較高時,試件中產(chǎn)生的渦流大多是在激勵線圈的表面附近流動,把這種現(xiàn)象稱為趨膚效應。通常在平面無窮大導體的條件下,渦流的衰減公式如下J其中，Jx為元件中的渦流密度，x為檢測線圈離元件表面的深度，J0為元件表面的渦流密度，f為電流頻率，μ為磁導率，在渦流檢測中，滲透深度是將渦流密度衰減到其表面密度的1/e（36.8%）時的密度，用表示：δ=1/其中，δ表示滲透深度，由此公式可得電流頻率，被測物體材料的電導率，磁導率對滲透深度δ成反比的影響。對于同一被測物體來說，物體的其他參數(shù)不變，影響渦流滲透深度的主要因素是激勵頻率。圖9渦流滲透深度示意圖對同一待測試件,線圈兩端施加的激勵頻率越高、,滲透深度越淺,反之滲透深度越深。因此渦流檢測過程中激勵頻率的選擇對檢測結果有至關重要的影響。激勵頻率越低,渦流滲透深度越大,即檢測深度越深,但檢測靈敏度下降;激勵頻率越高,渦流滲透深度越低,檢測深度變淺,但檢測靈敏度有所提高,所以檢測深度與檢測靈敏度不可同時兼得。2.6提離效應渦流檢測過程中探頭離待測物體表面的距離成為“提離值”,其單位通常為mm,改變提離值的大小,探頭的阻抗會發(fā)生變化,從而影響檢測結果,這一現(xiàn)象稱為“提離效應”。由于放置式探頭直徑較小、線圈纏繞較密,小的提離值就會產(chǎn)生比較大的阻抗變化,在檢測過程中,需要采用某種方法來消除或減弱提離效應帶來的影響。通常用一下辦法來減弱提離效應對渦流檢測結果的影響:一是通過采用差動式線圈對點狀的缺陷進行檢測,可以提高其檢測的靈敏度;二是通過采用多頻測量的方式來抑制提離效應的影響;三是可以在激勵源處施加功率放大電路,增大原有磁感應強度,此外,在設計和制作線圈探頭時,應盡量減小其外形保護膜的厚度進而來減小提離效應對檢測結果的干擾。2.7激勵線圈尺寸設計在管道檢測過程中，重要的是對影響管道安全的較大缺陷進行檢測，但是管道中的的細小缺陷會在使用的過程中逐漸擴大，因此為了可以盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題，解除安全隱患，因此對于一些較為細小的缺陷也需要得到關注。根據(jù)管內(nèi)壁缺陷規(guī)格的不同，GB/T27899-2019鋼制管道內(nèi)檢測技術規(guī)范規(guī)定了常見的管道缺陷檢測尺寸參數(shù)，詳見表1。表1管道內(nèi)損傷面積、深度與損傷類型的對照表其中，L表示缺陷的長度，W表示缺陷的寬度，長度為管道延伸方向，寬度為管道，A是幾何參數(shù)，t為管道正常壁厚，一般A和t相等，當t<10mm時，A=10mm。此外線圈的匝數(shù)、線的直徑、寬度也是影響檢測靈敏度的重要參數(shù)。較小的線徑，那么線的匝數(shù)就會增加。而較多匝數(shù)則會降低激勵源帶負載能力的需求，但同時也會增加檢測探頭本身的阻值，導致在進行檢測時占主導部分的感抗變化不明顯，造成靈敏度降低，因此需要結合系統(tǒng)設計進行綜合考慮。在實際的實驗中，在線圈外徑8mm，高度1mm，線徑0.1mm，匝數(shù)200匝時具有較好的效果。為方便仿真，將探頭設計為外徑8mm，高度1mm，內(nèi)徑4mm的銅線圈。第三章渦流檢測器概述渦流檢測系統(tǒng)是一種管壁探傷的裝置，其主要根據(jù)了電磁感應原理將渦流檢測的探頭阻抗信號轉換成電信號，根據(jù)檢測到的阻抗信息對管道內(nèi)部進行表面缺陷檢測。整體的檢測器包含了激勵源電路、放大電路、電橋電路及檢波電路。以單片機為控制核心對整體監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，分析之后傳輸給上位機。圖渦流檢測系統(tǒng)結構流程圖3.1激勵電路設計根據(jù)管道損傷規(guī)格，我選擇的渦流線圈為外徑8mm，高度1mm，線徑0.1mm，匝數(shù)為200.其理想激勵信號頻率為1Mhz?？勺鳛闇u流電路中激勵信號源的振蕩器芯片有很多種可供選擇，例如TexasInstruments的LMC555，Microchip的MCP6541，和MaximIntegrated的MAX038等，但是這些芯片在特定的條件下都有所缺點，不足以滿足本文中檢測器的需求。而本文中選擇的則是的LTC6990。其與LMC555和對比主要在于LTC6990的功耗更低，其在標準工作電壓下的工作電流僅為72uA，而LMC555為3mA，LMC555的頻率范圍和精度低、。而MCP6541雖功耗低，但其需要外部RC網(wǎng)路來配置頻率，這不利于后期的設計，增加了設計難度。在多方對比之后，LTC6990在功耗低、頻率可控、封裝較小和穩(wěn)定性上都體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。因此，在本次設計中，我選用了LTC6990硅振蕩器作為激勵信號源的電路進行設計。在此設計中，我僅需控制芯片的Set針腳的電平，就可以實現(xiàn)對于激勵信號頻率的控制與調(diào)整。在此電路的末端放置了一個簡單的濾波電路和隔直電容。濾波電路可以過濾方波信號中比截止頻率高的諧波分量，讓整體的輸出信號只剩下所需要的低頻信號。圖LTC6990芯片結構圖圖激勵電路設計圖3.2橋式電路設計這部分電路的主要作用是獲取檢測線圈的阻抗變化狀況。橋式電路作為拓撲電路的一種，常見于檢測橋臂上微型電阻的變化。一般橋式電路由四個小電阻構成，在此次的電路設計中，其中Z1、Z2為固定電阻，Z3、Z4為一組差分線圈，由于單個檢測探頭可能對于細小的缺陷信號反應不夠靈敏，阻抗的變化值相對于自身較小，不夠明顯因此采用差分線圈的方式，兩側都加以激勵信號，通過理論公式計算可得此電橋的輸出信號U0=U?（圖橋式電路結構圖3.3差分放大電路設計由于在實際的檢測過程中，檢測出來的信號非常微弱，因此我需要在橋式電路之后放置一個放大電路，將其放大至合適的幅值，以供后續(xù)電路的處理。而且由于其信號微弱，信號比較容易同時，此放大模塊可以輔助拓寬整體系統(tǒng)的動態(tài)范圍，讓檢測器可以檢測更多類型的缺陷。而放大器芯片有很多種，例如其中，AD8032的優(yōu)勢為：低功耗電源電流：800μA/放大器，額定電源電壓：+2.7V、+5V和±5V高速、快速建立(5V)：-3dB帶寬：80MHz(G=+1)，30V/μs壓擺率，0.1%建立時間：125ns低失真：-62dB(1MHz)，VO=2Vp-p，-86dB(100kHz)，VO=4.6Vp-p軌到軌輸入和輸出：輸入高于電源電壓0.5V不會反相，輸入共模電壓范圍擴展至供電軌200mV以外，輸出擺幅為任一供電軌20mV以內(nèi)輸出電流：15mA高等級選項VOS(最大值)=1.5mV圖AD8032芯片結構圖而OPAx134的主要優(yōu)勢是其對于音頻測試上做了專向優(yōu)化，其應用方向較為固定、明確，雖然其可提供更高的精度，但其功耗和單價相對較高。因此我選擇了AD8032作為檢測器的差分放大器。圖差分放大器電路設計圖3.4檢波電路設計渦流檢測輸出的是正弦電流信號，其中包含了檢測材料的很多信息，例如管壁的導電率、磁性、硬度和存在的缺陷等。不利于檢測人員的觀察判斷。所以渦流檢測需要進行解調(diào)。通過解調(diào)從原始的渦流信號中提取我所需要的信息。同時，解調(diào)也可以在一定程度上過濾一些周圍雜亂信號對于檢測結果的影響。不同的解調(diào)方式可以從不同的角度提取不一樣的信息。因此，根據(jù)具體的應用環(huán)境要求，選擇不同的解調(diào)方式也是很關鍵的。當前比較常見的解調(diào)方式有以下幾種：在渦流檢測技術中，常用的解調(diào)方式主要包括以下幾種：幅度調(diào)制解調(diào)（AmplitudeModulationDemodulation,AMDemodulation）：在渦流檢測中，通常通過檢測渦流效應引起的線圈阻抗變化，這種變化可以表現(xiàn)為幅度調(diào)制信號。幅度解調(diào)則是將含有缺陷信息的幅度調(diào)制信號還原為直流或低頻信號，從而提取出缺陷引起的阻抗變化幅度。頻率調(diào)制解調(diào)（FrequencyModulationDemodulation,FMDemodulation）：針對某些渦流檢測系統(tǒng)，尤其是那些利用渦流頻率變化來反映材料或缺陷屬性的系統(tǒng)，頻率調(diào)制解調(diào)可以用于提取頻率變化信號。通過解調(diào)，可以得到頻率隨缺陷參數(shù)變化的曲線，進一步分析材料狀態(tài)。相位調(diào)制解調(diào)（PhaseModulationDemodulation,PMDemodulation）：渦流檢測過程中，材料或缺陷對渦流場的影響也可能導致檢測信號的相位發(fā)生變化。相位調(diào)制解調(diào)用于檢測和分析渦流信號的相位變化，這對于識別某些特定類型的缺陷或分析材料的物理特性具有重要意義。鎖相放大（Lock-inAmplification）：鎖相放大是一種高度敏感的信號檢測技術，可以有效地從噪聲背景中提取微弱的信號。在渦流檢測中，可通過鎖定在激勵信號的特定頻率或其諧波頻率上，精確測量渦流信號的幅度和相位變化。數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing,DSP）：在現(xiàn)代渦流檢測設備中，數(shù)字信號處理技術廣泛應用，通過軟件算法對采樣得到的渦流信號進行濾波、解調(diào)、去噪等處理，可以實現(xiàn)對信號的高精度分析。例如，快速傅里葉變換（FFT）可以用于頻域分析，而小波變換則可以用于時頻域聯(lián)合分析。本文選擇采用的功率檢波是屬于幅度調(diào)制解調(diào)，主要由于檢測器整體的功耗要求較低，整體硬件應用空間有限，因此采用功率檢波可以大大降低對采樣頻率的要求，從而減少對于數(shù)據(jù)存儲器上的需求。在檢波電路的設計上，此次選擇了溫度補償?shù)膬?nèi)部肖特基二極管RF檢波器寬輸入功率范圍：-34dBm至14dBm超寬輸入頻率范圍：100kHz至1000MHz緩沖輸出2.7V至6V的寬VCC范圍低工作電流：550μA低停機電流：低于2μA扁平狀(高度僅1mm)ThinSOT?封裝圖LTC5507檢波芯片結構圖圖功率檢波電路設計圖3.5檢測器封裝設計本文選擇的是外徑8mm，內(nèi)徑4mm，高度1mm，匝數(shù)為200的銅質線圈作為傳感器的探頭。因此我需要盡可能對探頭內(nèi)部電路布置的密集，最大化降低管道內(nèi)壁表面弧度帶來的提離效應。具有檢測需求的被測管道口徑通常在325mm及以上，需要保證對管道內(nèi)壁整體進行掃描檢測時傳感器陣列具有較高的覆蓋率，需要綜合考慮檢測器探頭尺寸和陣列設置的密度，以獲得更全面的檢測效果。為適配現(xiàn)役管道檢測器單個探頭封裝尺寸，本節(jié)所設計的電路板規(guī)格需要設置在長46mm，寬25mm以下。圖單個渦流傳感器及其載具由于傳感器的封裝在高度上有較多的空間，因此可以將整體系統(tǒng)分成兩個部分，分別將其設計在兩塊電路板上，并且通過排針的方式連接起來。一個渦流傳感器安裝上8個線圈，每2個線圈構成一個電橋的橋臂，產(chǎn)生一組差分信號。這就可以在單個傳感器上搭載4個檢測通道，可以滿足在探頭的前進方向上管道寬度達到25mm的缺陷檢測要求。圖渦流檢測傳感器實物圖第四章檢測器試驗與調(diào)試4.1實驗室平臺情況由于電路最后輸出的信號為電壓量，后續(xù)需要進行AD轉換才能在上位機上進行數(shù)據(jù)分析。實驗室平臺此次使用數(shù)據(jù)采集卡作為AD轉換設備。USB3153是一款由阿爾泰科技（）推出的USB數(shù)據(jù)采集卡。其支持告訴數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)告訴采集和處理數(shù)據(jù)，支持多通道輸入，可以同時采集多個信道的數(shù)據(jù)。其適用于需要同時采集多個信號源。同時采集卡可以提供16位或14位的ADC，可實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集和測量。該采集卡可以使用USB接口，易與計算機進行連接和通信，無需其他復雜的接口。整個檢測系統(tǒng)包含了直流電源、單傳感器檢測探頭、缺陷樣板、示波器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機。直流電源用于給檢測探頭和各類芯片供電。當激勵部分電路通過濾波電路提供一個方波信號，信號加載到電橋橋臂的線圈上。當一組差分線圈接近缺陷時，二者的差分信號經(jīng)過調(diào)制解調(diào)電路及后續(xù)差分放大電路處理，最終將一個電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將接收到的電壓信號通過AD轉換之后通過USB連接線將其傳輸?shù)缴衔粰C。示波器則是用于給各個電路模塊的輸入和輸出信號進行一定的檢查和檢測，以防出現(xiàn)部件損壞。圖實驗室人工樣板實驗平臺在長2m，寬1m，厚5mm的L415鋼板上布置了針孔缺陷、一般金屬損失缺陷、坑狀金屬損失缺陷和凹糟缺陷，共計23個，四類缺陷。具體參數(shù)