电涡流检测的正向问题研究及检测系统的通信设计
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摘要
电涡流检测(Eddy Current Testing，ECT)是无损检测领域的五大常规检测方法之一，是一种独特而低成本的高速大规模检测的方法，它具有非接触测量，不污染环境，易于实现自动检测等优点，因而成为成品、半成品金属材料和金属设备在役检查表面缺陷的主要探伤技术之一，广泛应用于航空航天、国防工业、汽车工业、核电站等部门。
作为国家自然科学基金项目的一部分研究内容，本文对电涡流检测正向问题中的探头提离效应及缺陷检测中的涡流场理论模型和分布情况进行了研究，并对电涡流检测系统的通信进行了设计，主要工作和创新点如下：
1．建立正圆柱空心探头置于单层各向同性导电结构上方时的涡流探头阻抗变化数学模型，分析了探头阻抗、提离之间的变化关系，揭示了在单层厚度涡流检测中，涡流探头提离与阻抗相角的变化规律；提出了在厚度涡流检测中，根据相角变化信息来抑制探头提离影响的思路。并进行了单层板提离实验的仿真计算和实验分析，验证了这一思路的有效性。
2．对有缺陷的导电结构，建立了电涡流检测正向模型，应用MAXWELL-3D涡流场求解器，进行了三维电磁场仿真计算。研究和分析了探头磁感应强度的变化分布规律和探头内场量变化与缺陷的关系，给出了探头线圈内部不同位置的磁感应强度幅值、相角参数在缺陷扫描过程中的仿真响应曲线及变化规律。通过对仿真结果的分析，证实了当导电结构中存在缺陷时，磁感应强度幅值、相位会根据缺陷的情况相应增加，且探头底部对缺陷的响应最为明显，这为如何在探头内置场量测量传感器提供了依据。
3．应用LabWIEW图形化编程语言实现了涡流检测系统串行通信，建立了用于存储检测命令的数据库。设计了有效的通信协议，不同类型的命令数据采用同一种格式的数据帧进行发送，通过判断帧特定字节的方法进行命令和数据的区分并进行对应的操作，用图形化编程语言实现了便携式缺陷探测系统和计算机信号处理系统的通信。
Eddy current testing (ECT) is one of the most used methods of Nondestructive testing. Eddy current testing measurements are frequently applied to the nondestructive testing of different types of conducting materials. It cost low, and can be very quickly carried out. This paper study on some problems in eddy current testing, and the main works are listed as follows:
1. Presented an analytical model which describes the impedance change when an air-cored coil sensor is placed next to a conducting plate. Analysis of the model reveals that the phase of the impedance signature is lift-off independent. It is helpful to distinguish the change of lift-off from the thickness change of the plate. Analysis of the lift-off effect of phase spectra for eddy current probe is a new way which can be used in practical application. This finding is verified by numerical simulations and experiments.
2. Used the Maxwell 3d simulated the model of the conducting materials which have different flaws, researched the distribution of the magnetic field in the probe and the conducting plate. Based on the result of simulation, a method was proposed that how to located the sensor in the probe, so that we can distinguish defect from the plate well. For this purpose, which parameter of the magnetic field is also analyzed.
3. Devised a communication protocol used in the eddy current testing system. Use the same format of data package to send out different kinds of command data, by identifying the special byte, it could distinguish the different command data, a database also was designed, all this was realized using the graphical language, and gets a good performance in practical application.
作为国家自然科学基金项目的一部分研究内容，本文对电涡流检测正向问题中的探头提离效应及缺陷检测中的涡流场理论模型和分布情况进行了研究，并对电涡流检测系统的通信进行了设计，主要工作和创新点如下：
1．建立正圆柱空心探头置于单层各向同性导电结构上方时的涡流探头阻抗变化数学模型，分析了探头阻抗、提离之间的变化关系，揭示了在单层厚度涡流检测中，涡流探头提离与阻抗相角的变化规律；提出了在厚度涡流检测中，根据相角变化信息来抑制探头提离影响的思路。并进行了单层板提离实验的仿真计算和实验分析，验证了这一思路的有效性。
2．对有缺陷的导电结构，建立了电涡流检测正向模型，应用MAXWELL-3D涡流场求解器，进行了三维电磁场仿真计算。研究和分析了探头磁感应强度的变化分布规律和探头内场量变化与缺陷的关系，给出了探头线圈内部不同位置的磁感应强度幅值、相角参数在缺陷扫描过程中的仿真响应曲线及变化规律。通过对仿真结果的分析，证实了当导电结构中存在缺陷时，磁感应强度幅值、相位会根据缺陷的情况相应增加，且探头底部对缺陷的响应最为明显，这为如何在探头内置场量测量传感器提供了依据。
3．应用LabWIEW图形化编程语言实现了涡流检测系统串行通信，建立了用于存储检测命令的数据库。设计了有效的通信协议，不同类型的命令数据采用同一种格式的数据帧进行发送，通过判断帧特定字节的方法进行命令和数据的区分并进行对应的操作，用图形化编程语言实现了便携式缺陷探测系统和计算机信号处理系统的通信。
Eddy current testing (ECT) is one of the most used methods of Nondestructive testing. Eddy current testing measurements are frequently applied to the nondestructive testing of different types of conducting materials. It cost low, and can be very quickly carried out. This paper study on some problems in eddy current testing, and the main works are listed as follows:
1. Presented an analytical model which describes the impedance change when an air-cored coil sensor is placed next to a conducting plate. Analysis of the model reveals that the phase of the impedance signature is lift-off independent. It is helpful to distinguish the change of lift-off from the thickness change of the plate. Analysis of the lift-off effect of phase spectra for eddy current probe is a new way which can be used in practical application. This finding is verified by numerical simulations and experiments.
2. Used the Maxwell 3d simulated the model of the conducting materials which have different flaws, researched the distribution of the magnetic field in the probe and the conducting plate. Based on the result of simulation, a method was proposed that how to located the sensor in the probe, so that we can distinguish defect from the plate well. For this purpose, which parameter of the magnetic field is also analyzed.
3. Devised a communication protocol used in the eddy current testing system. Use the same format of data package to send out different kinds of command data, by identifying the special byte, it could distinguish the different command data, a database also was designed, all this was realized using the graphical language, and gets a good performance in practical application.
引文
[1] 杨志坤，郑勤红， 解福瑶等，发展中的涡流无损检测技术， 云南师范大学学报 1997，17(4)：58—63
[2] 游凤荷，涡流检测技术的某些新进展，无损检测，2001，23(2)：70-73
[3] 郑建材，电涡流检测技术在多层厚度检测中的应用研究[D]，浙江大学图馆，浙江大学，2004：1—30
[4] 任吉林，电磁无损检测的新进展，无损探伤，2001，5：1—4
[5] 石井勇五郎，吴义等译，无损检测学，北京：机械工业出版社，1989．
[6] 张俊哲等，无损检测技术及其应用，北京：科学出版社 1993
[7] 中国机械工程学会无损检测学会会编，无损检测概论，北京：机械工业出版社，1993
[8] 黄平捷，多层导电结构厚度与缺陷电涡流检测若干关键技术研究[D]，浙江大学图书馆，浙江大学， 2004：15—93
[9] 李家伟，陈积惫，无损检测手册，北京：机械出版社，2002
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[13] 刘凯，涡流阻抗分析，无损检测，1996，18(2)：50-56
[14] 王仲生等，无损检测诊断现场实用技术，北京：机械工业出版社，2002
[15] 许万忠，低频涡流技术的应用无损检测，1996，18(8)： 227-231
[16] 倪培军，王存龙，李旭东，工业CT技术，无损检测，1996，18(3)：84-87
[17] 严仍春，涡流测厚无损检测技术及其应用，无损检测，1996，18(6)： 169-172
[18] 孙晓云，袁斌，盛剑霓．神经网络方法在涡流无损检测定量分析中的应用．西安交通大学学报，2000，34(6)： 6-10
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[55] 王定远，胡吉朝，李媛，基于MScomm32和LabVIEW的串口通信技术，国外电子测量技术，2006，25(4)：61-64
[56] 冉宝春，郭庆吉，应用LabSQL构建和访问数据库的方法，工业仪表与自动化装置，2005，6：48-50
[57] 吴松涛，龚家伟，在LabVIEW中利用LabSQL实现数据库访问，国外电子测量技术，2006，25(4)：53-56
[58] 李波，张龙，用LabSQL实现LabVlEW中数据库的访问，E时代自动化行业应用 2006，4：120-122
[59] Robert H.Bishop. Learning with LabVIEW 7 Express[M]. copyright by publishing House of Electronics Industry. 2005
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