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基于GMR效应的非铁磁性金属材料裂纹涡流检测技术及其系统研究

作　者: 刘英沛
导　师: 杨世锡
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 裂纹检测巨磁电阻(GMR)效应检测系统非铁磁性金属材料涡流电涡流检测
分类号: TG115.28
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

现代重大设备大多数在高温、高压、高速、高负载条件下运行,其重要部件广泛采用新型合金材料,特别是非铁磁性合金材料,如果部件中带有裂纹或者在设备运行时产生裂纹,就会降低设备的运行质量,降低设备运行的安全性,甚至导致恶性事故发生。因此,进行非铁磁性金属材料裂纹的检测技术与系统的研究和开发具有保障重大设备安全运行的重要意义。本论文结合国家自然科学基金项目“多层导电结构深层缺陷电涡流定量化检测与评估的新方法研究”(项目编号:50505045)和国家863计划项目“重大产品和重大设施寿命预测技术专题”(项目编号:2008AA042410),研究基于GMR效应的非铁磁性金属材料裂纹检测技术与系统,提出针对该技术的传感器评价体系,提出探头检测涡流磁场的检测性能的标定方法,进行系统设计以构建系统原型,开发实验标定探头性能,并验证裂纹检测的可行性。研究的主要内容及其章节安排如下:第1章阐述了材料裂纹检测的意义;比较了常用裂纹检测方法;综述了涡流检测技术与应用的研究现状及发展趋势;论述了基于GMR效应的新技术及GMR传感器在涡流检测领域的应用;最后结合研究命题给出了本论文的总体框架,提出了本论文的研究内容。第2章介绍了GMR效应的原理;分析了各种结构GMR的工作原理并指出相关技术应用的性能指标;分析了基于GMR效应的新技术尤其是其传感器技术的技术特点;提出了GMR传感器的评价体系,确定传感器的选型方法,并以论文的研究为例,选择GMR传感器。第3章提出一种基于GMR效应的裂纹涡流检测技术。分析了常规涡流检测的工作原理和局限性;提出基于GMR效应的裂纹涡流检测技术的工作原理和理论基础,分析了裂纹处涡流的分布及其磁场特点,确定了基于GMR效应涡流检测技术对裂纹处涡流磁场的检测方式;总结了基于GMR效应的涡流检测技术的输出公式来指导该技术在裂纹检测方面的应用以及分析探头对涡流磁场的检测性能;根据输出公式,提出探头对涡流磁场的检测性能的标定方法。第4章在研究基于GMR效应裂纹涡流检测技术的基础上,针对课题要求,分析基于GMR效应的裂纹涡流检测系统的组成,进行检测系统的硬件开发。第5章进行实验研究。首先,为验证开发的检测系统原型是否有效,进行了系统的试运行;其次,为确定探头对涡流磁场的检测性能,开发探头性能标定实验;最后,为验证裂纹处的涡流磁场分析的正确性和系统应用于裂纹涡流检测的可行性,开发裂纹的涡流检测实验。实验结果表明所开发的基于GMR效应的裂纹涡流检测系统原型具有良好的检测能力和高的信噪比。第6章对全文的研究开发工作进行总结,结合具体的科研项目对后续的研究开发工作提出展望与建议。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
目录  7-11
第1章绪论  11-22
  1.1 前言  11-13
  1.2 裂纹的涡流检测技术的研究现状及其发展趋势  13-17
    1.2.1 裂纹涡流检测的理论基础  13-14
    1.2.2 裂纹涡流检测技术发展过程  14-17
  1.3 基于巨磁电阻效应的裂纹涡流检测新技术  17-20
    1.3.1 巨磁电阻效应的基础研究的发展  17-18
    1.3.2 基于GMR效应的涡流检测技术  18-20
  1.4 本论文课题背景和主要研究内容  20-22
第2章巨磁电阻效应的基本原理及相关的新技术  22-31
  2.1 磁阻现象及其原理  22-23
  2.2 各种结构GMR的工作原理分析  23-25
  2.3 影响基于GMR效应的应用技术的重要性能指标分析  25-26
  2.4 基于GMR效应的主要应用技术及其技术特点  26-27
  2.5 GMR传感器技术的工作原理  27-28
  2.6 GMR传感器的评价体系与选型案例  28-30
    2.6.1 GMR传感器的评价体系  28-29
    2.6.2 GMR传感器选型案例  29-30
  2.7 本章小结  30-31
第3章基于GMR效应的裂纹涡流检测技术  31-47
  3.1 常规涡流检测技术的工作原理及其局限性  31-37
    3.1.1 常规涡流检测技术的工作原理和理论基础  31-34
    3.1.2 常规涡流检测技术的局限性分析  34-37
  3.2 基于GMR效应的涡流检测的工作原理和重要理论基础  37-40
    3.2.1 基于GMR效应的涡流检测的工作原理  37
    3.2.2 基于GMR效应的涡流检测的重要理论基础  37-40
  3.3 基于GMR效应的涡流检测技术的影响因素分析  40-45
    3.3.1 激励线圈的频率  41-42
    3.3.2 检测线圈与工件之间的距离  42-43
    3.3.3 探头的外形和尺寸  43
    3.3.4 被检工件上的物理缺陷  43
    3.3.5 电导率  43-44
    3.3.6 磁导率  44
    3.3.7 涡流的其它影响因素  44
    3.3.8 基于GMR效应的裂纹涡流检测的输出公式  44-45
  3.4 基于GMR效应的裂纹涡流检测探头的标定  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章基于GMR效应的非铁磁性金属材料裂纹检测系统的研究  47-59
  4.1 系统设计  47-48
  4.2 探头设计  48-50
    4.2.1 探头结构  48-49
    4.2.2 GMR传感器  49-50
  4.3 激励电路设计  50-54
    4.3.1 激励电路结构  50-51
    4.3.2 激励电路分析  51-54
  4.4 信号处理电路设计  54-58
    4.4.1 信号处理电路结构  54-55
    4.4.2 信号处理电路分析  55-57
    4.4.3 电路硬件建设中的噪声处理与故障排除  57-58
  4.5 本章小结  58-59
第5章基于GMR效应的非铁磁性金属材料裂纹检测实验研究  59-70
  5.1 系统调试  59-61
    5.1.1 实验原理  59-60
    5.1.2 实验步骤  60
    5.1.3 实验结果分析  60-61
  5.2 探头对涡流磁场的检测性能的标定  61-65
    5.2.1 实验原理  62-63
    5.2.2 实验步骤  63
    5.2.3 实验结果分析  63-65
  5.3 裂纹的涡流检测  65-69
    5.3.1 实验原理  65-66
    5.3.2 实验步骤  66-67
    5.3.3 实验结果分析  67-69
  5.4 本章小结  69-70
第6章总结与展望  70-73
  6.1 研究总结  70-71
  6.2 研究展望  71-73
参考文献  73-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的项目  78-79
致谢  79

基于GMR效应的非铁磁性金属材料裂纹涡流检测技术及其系统研究

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