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基于电涡流的电缆偏心在线测量研究

作　者: 温嘉斌
导　师: 赵洪
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 高电压与绝缘技术
关键词: 电缆偏心测量电涡流传感器有限元法相似理论
分类号: TM247
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

电缆偏心的在线测量与控制对于电缆生产意义重大,电缆偏心不仅造成了原材料的巨大浪费,而且影响电缆的性能参数,在高质量电缆生产时必须进行严格的检测。本文以开发电缆偏心在线电涡流测量系统为背景,将相似理论、电磁场理论及电涡流无损检测等技术理论与电缆偏心在线测量的实际相结合,对其理论和关键技术问题进行了深入具体的研究,所提出的方法和研究成果不仅具有理论意义,而且具有较高的实用价值。本文首先论述了国内外电缆偏心测量装置及相关技术理论的研究现状,分析了常用的偏心测量方法的测量原理及特点。在此基础上,确定了以电缆偏心电涡流断层分析为基础的研究内容和技术方案。整个系统由四大部分组成:电涡流传感器、旋转机构、数据采集器和PC 机。系统所用传感器是依据电涡流测距原理设计的。由于被测电缆为无限长,因此电缆偏心检测过程的物理场模型为多种媒介无限大的无界域、三维涡流电磁场问题,该物理场模型的分析计算未见报导。本文在分析前人相关研究工作的基础上,建立了电缆电涡流偏心测量过程的物理模型,给出了该三维涡流场问题的场域方程、界面连续条件,确定了在涡流区、源区、非导电区采用的位变量及规范,给出了合理的无界域三维磁场边界条件处理方法,建立了三维涡流场的FEM 计算数学模型。在分析大型线性方程组各种解法的基础上,给出了该问题有限元离散化方程组的求解方法,并通过对虚拟边界截断距离对数值计算结果影响的研究,得出了满足工程计算需要的合适的截断距离。通过对三维涡流场的数值模拟,绘出了电缆偏心检测探头绕电缆旋转一周各典型位置的磁感应强度分布云图和矢量分布图以及不同视角的涡流电密分布伪彩图。研究了扫描式电涡流测偏方式的可行性和不同结构探头的旋转测量效果,确定了检测探头的结构形式。有限元分析法求解虽有理论上指导意义,但在电涡流传感器优化研究过程中,由于需要进行多次三维涡流场计算,因此仅用有限元分析法难以达到目的。本文将相似理论引入传感器探头的设计中,根据现象相似条件,将电缆偏心测量的场模型,进行相似变换之后,得出现象相似的必要充分条件,进而推导出

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-25
  1.1 课题研究的目的和意义  14-15
  1.2 国内外电缆偏心测试装置的研究状况  15-16
  1.3 国内外与本课题相关技术理论的研究状况  16-23
    1.3.1 计算电磁学的发展与现状  17-21
    1.3.2 电涡流检测技术发展历史与现状  21-23
  1.4 本文的主要研究内容  23-25
第2章涡流式电缆偏心测量过程的场模型  25-44
  2.1 引言  25
  2.2 涡流式电缆偏心测量探头的等效电路模型及参数  25-27
  2.3 涡流式电缆偏心测量的场模型  27-29
    2.3.1 物理模型及基本假定  27-28
    2.3.2 电缆偏心测量场域的物理模型  28-29
  2.4 涡流式电缆偏心测量场域数学模型的建立  29-43
    2.4.1 基本方程和边界条件  29-31
    2.4.2 A,φ-A 法的有限元离散  31-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章电缆偏心检测三维涡流场的数值模拟  44-66
  3.1 大型线性方程组的解法  44-49
    3.1.1 线性方程组求解方法分类  44-45
    3.1.2 预处理共轭梯度法(ICCG 法)  45-48
    3.1.3 不完全乔列斯基分解复双共轭梯度法(IC-CBCG 法)  48-49
  3.2 计算实例  49-59
    3.2.1 三维涡流场计算的相关数据  49
    3.2.2 磁感应强度分布图  49-56
    3.2.3 涡流电密分布  56-57
    3.2.4 涡流损耗和磁场储能的计算  57-59
  3.3 虚拟边界截断距离的研究  59-60
  3.4 偏心测量方式和探头几何形状的研究  60-65
    3.4.1 扫描式涡流偏心测量方式的数值模拟研究  60-62
    3.4.2 E 形旋转探头的研究  62-65
  3.5 本章小结  65-66
第4章电涡流传感器相似设计和瞬态仿真  66-88
  4.1 引言  66
  4.2 相似理论和传感器探头的相似设计  66-70
    4.2.1 物理现象的相似概念  66-67
    4.2.2 三维涡流场的“相似指标”  67-70
  4.3 基于有限元特征模型的“相似指标”分析法  70-73
    4.3.1 涡流损耗和磁场储能的计算  70-71
    4.3.2 涡流损耗与激励源线圈匝数和电流密度的关系  71-73
  4.4 传感器探头激励源频率与尺寸的优化匹配研究  73-80
    4.4.1 激励源频率与磁罐直径的关系  73-74
    4.4.2 激励源频率与被测电缆线径的关系  74-76
    4.4.3 激励源频率的选择  76
    4.4.4 探头尺寸与电缆直径的匹配  76-80
  4.5 电涡流传感器瞬态仿真分析与实验对比  80-87
    4.5.1 传感器的振荡电路  80
    4.5.2 涡流传感器振荡电路的稳定性分析  80-82
    4.5.3 涡流传感器振荡电路的主要参数关系  82-83
    4.5.4 涡流传感器等效参数的计算  83-84
    4.5.5 计算实例及实验对比  84-87
  4.6 本章小结  87-88
第5章测量系统的设计  88-109
  5.1 引言  88
  5.2 数据采集器设计  88-96
    5.2.1 检测信号处理电路  88-93
    5.2.2 单片机系统  93-96
    5.2.3 通讯接口  96
  5.3 上位机软件设计  96-100
    5.3.1 上位机界面设计  97-98
    5.3.2 主要子程序及设计  98-100
  5.4 传感器结构及辅助部件设计  100-103
    5.4.1 电涡流传感器结构  100-101
    5.4.2 振荡电路的电源  101-102
    5.4.3 测量信号的输出  102-103
  5.5 偏心信号的时空描述及处理  103-106
  5.6 实验结果  106-108
  5.7 本章小结  108-109
结论  109-111
参考文献  111-121
攻读学位期间发表的学术论文  121-122
致谢  122

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