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基于电涡流式金属探测仪的特性研究

作　者: 孟得东
导　师: 温嘉斌
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 电力系统及自动化
关键词: 电涡流传感器有限元法电磁场分析阻抗涡流损耗
分类号: TP216
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要

电涡流传感器是工业生产和科学研究中使用广泛的一种无损、非接触检测仪器。对不同被测材料敏感度不同一直是制约电涡流传感器更广泛应用的重要因素。因此,对电涡流传感器的电磁性能研究就显得尤为重要。本课题采用实验和有限元分析仿真相结合的方法,研究电涡流传感器的电磁性能。具体内容如下:1.电涡流传感器电磁场性能的理论研究在掌握电涡流传感器工作原理的基础上,通过对传感器等效电路的分析,从理论上推导出相关参数(检测距离、频率等)对传感器性能的影响。2.电磁场数值仿真的建模方法研究在深入理解有限元法(FEM:Finite Element Method)建模理论及电磁场基本理论的基础上,通过合理地简化模型,选取单元类型,划分网格和施加边界条件,得到电涡流传感器的有限元模型,并进行求解,从而建立了一套电涡流传感器电磁场的数值计算方法。3.电涡流传感器的电磁性能的有限元分析检测过程中,电涡流传感器受到被测材料参数(主要是电阻率和磁导率)、检测距离和探头线圈尺寸(内径、外径和高度)、检测频率等各种因素的影响。因此本文通过电涡流传感器的电磁场仿真分析来考察以上因素对电涡流传感器性能的影响,了解在各个因素影响下电涡流传感器中电磁场和被测体中涡流场的变化规律。4.含铁氧体磁芯的多探头电涡流传感器三维有限元模型的研究建立了含铁氧体磁芯的多探头电涡流传感器三维模型,并对其模型进行了理论分析,通过对电涡流检测三维涡流场的数值模拟,绘出了电涡流传感器磁感应强度分布云图和矢量分布图、不同视角的三维涡流场涡流电密的强弱分布伪彩图,直观地示出了电缆线芯导体感应电涡流的去磁效应和集肤效应。通过改变线圈匝数、铁氧体探头尺寸大小、被测体半径等参数,计算出探头线圈的涡流损耗和储能的数值变化,分析了他们的变化关系,为铁氧体涡流传感器的研究提供了参考依据。5.电涡流传感器实验电路的仿真与设计本文为了测试顺磁性和逆磁性物质对电涡流传感器的探头线圈的影响,设计了F/V实验电路,通过相应的声光报警电路来显示被测金属为顺磁性金属还是逆磁性金属。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-18
  1.1 电涡流传感器技术的国内外现状  12-15
    1.1.1 国内外发展的现状  12-14
    1.1.2 我国电涡流检测技术的发展方向  14-15
  1.2 课题来源、研究内容和方法  15-18
    1.2.1 课题来源  15
    1.2.2 主要研究内容  15-16
    1.2.3 研究方法  16-18
第2章电涡流传感器的基本原理  18-25
  2.1 电涡流传感器的工作原理  18-19
  2.2 电涡流传感器的等效电路分析  19-21
  2.3 电涡流强度与检测距离和输入频率之间的关系  21-24
    2.3.1 电涡流强度与检测距离之间的关系  22-23
    2.3.2 电涡流强度与输入频率之间的关系  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章空芯线圈传感器建模及特性的研究  25-52
  3.1 采用参数化建模的目的和意义  25-26
  3.2 有限元模型假设  26
  3.3 二维电磁场数学模型的建立  26-27
  3.4 有限元模型的建立  27-33
    3.4.1 问题定义  27-28
    3.4.2 几何建模  28-29
    3.4.3 选择单元类型  29-30
    3.4.4 定义实常数和材料属性  30-31
    3.4.5 划分网格  31
    3.4.6 定义边界条件  31-33
  3.5 求解  33
  3.6 后处理  33-36
    3.6.1 感应电磁场磁力线分布图  33-34
    3.6.2 被测体中涡流场分布图  34-35
    3.6.3 探头线圈中的电感、电阻、和电流密度  35-36
    3.6.4 求解探头线圈阻抗  36
  3.7 电涡流传感器的性能分析  36-47
    3.7.1 被测材料对电磁场磁力线分布的影响  36-38
    3.7.2 检测距离对电磁场磁力线分布和电涡流分布的影响  38-39
    3.7.3 检测距离对不同检测材料下传感器性能的影响  39-41
    3.7.4 探头线圈尺寸对电磁场磁力线分布和电涡流分布的影响  41-45
    3.7.5 输入频率对电磁场磁力线分布和电磁性能的影响  45-47
  3.8 空芯和含铁氧体磁芯电涡流传感器性能的相对分析  47-51
    3.8.1 空芯和铁氧体磁芯传感器对电磁场磁力线分布的分析  48
    3.8.2 检测材料对铁氧体磁芯电涡流传感器性能的影响  48-51
  3.9 本章小结  51-52
第4章多探头磁芯传感器的特性研究  52-67
  4.1 引言  52
  4.2 多探头电涡流传感器的场模型  52-54
    4.2.1 物理模型及基本假定  52-53
    4.2.2 多探头电涡流传感器场域的物理模型  53-54
  4.3 多探头电涡流传感器的场域数学模型的建立  54-57
  4.4 计算实例  57-63
    4.4.1 三维涡流场计算的相关数据  57
    4.4.2 磁感应强度分布云图  57-60
    4.4.3 涡流电密分布  60-61
    4.4.4 涡流损耗和磁场储能的计算  61-63
  4.5 探头线圈几何形状的研究  63-65
    4.5.1 保持电流密度不变，线圈厚度变化的情况  63-64
    4.5.2 中间磁极宽度不变，两边磁极宽度变化的情况  64-65
    4.5.3 中间磁极宽度变化，两边磁极宽度不变化的情况  65
  4.6 本章小结  65-67
第5章实验电路的仿真与设计  67-76
  5.1 F/V金属探测仪工作原理  67-68
    5.1.1 理论分析  67
    5.1.2 F/V金属探测仪系统构成  67-68
  5.2 F/V金属探测仪电路设计与仿真  68-74
    5.2.1 探头振荡电路  68-70
    5.2.2 射级跟随器  70-71
    5.2.3 乘法器  71-72
    5.2.4 放大电路  72
    5.2.5 频率电压转换电路  72-73
    5.2.6 窗口门限电路  73-74
  5.3 F/V实验结果  74-75
  5.4 本章小结  75-76
结论  76-77
参考文献  77-80
攻读硕士学位期间发表的学术论文  80-81
致谢  81

基于电涡流式金属探测仪的特性研究

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