1、毕业设计说明书（毕业论文）题 目：复杂断面重轨在线无损检测系统设计涡流无损检测部分内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）I复杂断面重轨在线无损检测系统设计涡流无损检测部分摘 要论文首先分析了裂纹检测的几种方案，结合铁道设施结构特点、运营环境，对这几种方案进行了对比，从而确定了采用便携式涡流检测仪进行探伤。接着介绍了涡流检测原理，基于电磁场理论推导了相关的重要公式。阐述了阻抗分析法，并用其分析了影响检测线圈阻抗变化的几个因素。推导了放置式探头线圈的特征频率，为检测频率的选择提供了参考。在传感器设计中，本文在分析和借鉴现有一些性能较好的探头所采用的结构形式的基础上，通过实验反复修正，得到一种高性
2、能的传感器。并通过大量实验分析确定了各因素对传感器一些性能的影响，为探头线圈尺寸提供了优化。最后采用正交试验设计方法选定了各参数的合理组合，完成了传感器的总体设计。在硬件设计方面：为了提高灵敏度，通过数学推导传感器信号变换电路中的各个参数，给出了各参数的求取公式，并给出了检测系统激励源、信号调理、单片机系统、显示报警等模块的硬件设计。在软件设计方面：采用模块化软件设计方法，分析了每一个模块的程序流程图，并进行了软件设计。关键词：无损检测；涡流检测；裂纹缺陷；数据采集；信号处理内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IIthe Design of Online Nondestructive Te
3、sting System of Complex Cross-section Heavy RailTurbulent flow non-destructive inspection partAbstractFirstly, several method of testing crack defect are put forward and compared. Considering of configuration and using characteristic crack, we get the result that the crack defect can be only detecte
4、d by portable testing instrument. Secondly,the pinciple of eddy current test is introduced.Based on electromagnetic field theory,some important formulas are deduced. Impedance analytical method is presented,through which we analyze some factors that alter testing coil impedances value. Then,characte
5、ristic frequency of laid test coil is calculated, it is important to select the test frequency.As for the sensor design, a sensor with high performance is designed through modification based on some sensors with better performance. Various factors that influence the sensor performance are analyzed t
6、hrough experiment to optimize the size of coil. Finally used the orthogonal experiment design method, we designed the parameters with reasonable combination, and conpleted the design of sensor system.As for hardware design, in signal converter, in order to improve the sensitivity,the parameter of si
7、gnal converter is gotten though math illation. Excitation circuit,signal converter circuit, single chip system, demonstration, and alarm part are all given partcular annlysis and design. As for software design, the software is modularized, and every module is designed, then each flow chart is given.
8、Key words: non-destructive testing; eddy current testing; crack flaw; data collection; signal prosessing内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪 论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 无损检测技术 .11.3 涡流检测技术国内外发展现状 .51.3.1 涡流检测的研究现状 .51.3.2 涡流检测的发展方向与未来展望 .7第二章 涡流检测理论基础 .82.1 涡流检测基本原理 .82.2 集肤效应 .92.3 涡流阻抗分析
9、法 .102.3.1 线圈自身的阻抗 .102.3.2 耦合线圈的阻抗 .122.4 探头工作频率与特征频率 .132.4.1 工作频率与灵敏度、渗透深度 .132.4.2 探头工作频率的确定 12 .142.5 边缘效应 .172.6 提离效应 .17第三章 探头的设计与制作 .183.1 涡流传感器设计方法 .18内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IV3.2 传感器所采用的结构形式 .203.3 探头参数、性能研究 .233.3.1 线圈尺寸选取原则 .233.3.2 线圈匝数与线圈的电感量 .243.3.3 激励线圈与测量线圈正交偏角 .243.3.4 激励线圈与测量线圈的间距 H
10、.253.4 传感器各参数的确定 .263.4.1 正交试验设计所解决的试验问题 21 .263.4.2 正交试验设计的试验安排 .283.5 探头扫查方式 .32第四章 涡流检测系统硬件设计 .334.1 检测系统总体框图 .334.2 激励源电路 .344.3 前置放大与信号检出电路 .364.3.1 前置滤波放大电路 .364.3.2 信号分选电路峰值运算电路 .374.4 单片机系统 .384.4.1 数据采集 A/D 转换器 .384.4.2 模拟信号输出 .404.4.3 键盘电路 .414.5 缺陷大小指示设计 .424.6 报警电路 .434.7 系统硬件抗干扰设计 .43内蒙
11、古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）V4.7.1 干扰来源 .434.7.2 抗干扰措施 .44第五章 涡流检测系统软件设计 .465.1 软件设计基本原则 .465.2 软件功能的分析和设计 .475.3 软件模块设计 .485.3.1 系统主程序模块 .485.3.2 系统自检 .495.3.3 定时器中断子程序 .515.3.4 按键程序 .515.3.5 数据采集模块 .525.3.6 模拟信号输出模块 .535.3.7 蜂鸣器驱动子程序 .555.4 软件抗干扰设计 .56第六章 总结 .58参 考 文 献 .59附 录 .61致 谢 .66内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1
12、第一章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义随着铁路技术的不断发展与完善，我国已逐渐告别人工扳道的历史，转辙机的使用实现了道岔转换的集中控制，为列车的全自动化运行以及提速提供了可靠的保证。为了进一步满足社会发展的要求，我们在不断提高列车速度的同时更重要的是保证它的安全稳定运行。列车的安全稳定运行是靠及时的检修来保证的。目前我国对于机车、重轨(铁轨)及相应设施的定期检修已经采取了大量的手段和措施，如重轨超声探伤车、转辙机远程油压监控系统等设施，己经能满足大部分需求。但对于疲劳裂纹和焊缝质量等问题，我国还停留在定期人工目测阶段，不能满足发展要求，堕待解决。1、疲劳裂纹：对于道岔转辙设备的执行部件，工
13、作比较频繁，执行动作快，瞬时冲击负荷大，且工作环境非常恶劣，因而容易产生疲劳应力，进而形成疲劳裂纹，当裂纹达到一定程度时，很容易造成部件的突然断裂。重轨的安装固定部件等也是如此。2、焊缝：随着无缝钢轨的大量使用，无缝钢轨接头焊缝的质量以及钢轨表面纵向裂纹、分层裂纹等都得采取一定的手段得以保证。这些对于车辆的安全稳定运行至关重要，但目前我国仅靠人工来巡视，这些设施都工作在野外，表面大都被油污、灰尘覆盖，而现在又没有相应的检测仪器，很难发现缺陷所在。因此，必须采用现代检测技术，开发出便携式探伤仪，以辅助人工检查，提高工作效率，及时发现缺陷，排除隐患，做到防患于未然。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕
14、业论文）21.2 无损检测技术无损检测(Non-DesturctvieTesting，NDT)是检测技术的一个重要组成部分，又称非破坏性检测。它是在不破坏被检测对象物理化学性能和几何完整性的情况下，通过分析对象内部异常和缺陷所引起的磁、电、光、声、热等反应的变化，确定缺陷的存在，掌握缺陷的特征并对其危害程度加以评价，进而有助于推测出剩余使用寿命、承载能力和安全系数等。运用无损检测技术对产品进行质量检测，可以极大地降低成本、确保质量、提高寿命。它在机械、建筑、铁道、石化等众多领域有广泛的应用，具有显著的社会效益和经济效益。随着各种先进的检测方法不断出现，无损检测技术也处于不断的发展之中。目前，对
15、于裂纹缺陷的检测，通常有以下几种无损检测方法：(1)渗透检测Penetrant Testing；(2)磁粉检测 Magnetic particle Testing；(3)射线检测 Radiographic Testing；(4) 超声检测 Ultrasonic Testing；(5) 涡流检测 Eddy current Testing。这五种方法在不同时期都发挥了重要的作用，但在检测对象、适用范围、检测效果以及经济性等方面又各具特点 2。 1、磁粉检测(MT)利用被测材料磁化后损伤会改变磁力线的分布情况，显现出这些损伤。主要是检测铁磁性材料的表面和近表面的缺陷。检测灵敏度取决于磁化方法、磁化电
16、流、磁粉粒度等因素，通过目视磁粉在被测材料上分布情况来判定缺陷的形状和大小。这种检测方法的优点是对工件形状无特殊要求，灵敏度高、速度快、能直接观察、操作方便，成本较低；缺点是不能检验非铁磁性材料、不能发现内部缺陷、不能测定缺陷的深度，并且需要专门的磁化设备。且试样表面的不平和痕迹也会对磁力线的走向产生影响。因而，在应用这种方法时，应先对表面进行处理。2、射线检测(RT)内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3利用射线(X 射线、Y 射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减，检测其内部结构不连续性的技术称为射线检测。射线主要检测工件内部的体积型缺陷，比如孔、渣等，对平行于射线照射方向的有一
17、定宽度的裂纹也可检出。要求工件不能太厚，以铁为例，最好不要超过 80 毫米，其它材料可以根据其衰减系数相应的加厚或减薄。该方法成本最高，且射线对人体有一定的伤害，因此操作者除了必须懂得操作的规程外，还应有有效的保护措施及警告信号。对于裂纹一类的缺陷，其灵敏性常常较低，必须两面通入。3、超声检测超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。与射线法相比，超声波法具有很多的优点；首先它具有很强的穿透力，对于同种钢材来讲，超声波大约是 3m，而射线仅仅为 50cm；其次，对于很小的伤
18、痕也能够准确地测出来并进行定位，同时，配以一些自动扫描装置及微处理器计算机等设备，这项技术的应用则更为完善和丰富。但是，超声检测对操作者的要求较高，对于一个很大的检测件来讲，一次只能检测很小的一部分。因此，可以看出，超声检测主要检测工件内部的面积型缺陷，比如夹层、折叠、裂纹等，对体积型的缺陷也有一定的检出能力，但相对来说灵敏度要低一点。成本较低，工作效率较高，但对检测操作人员有相当高的要求，检测结果的准确与否，取决于检测人员的水平。要求工件表面较光洁。对于熟练地掌握区别各类缺陷之间的不同点有一定的困难。其最大的缺点就是需要用耦合剂。4、渗透检测(TP)利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料
19、表面开口缺陷处，再通过显像剂将渗入的渗透剂吸出到表面显示缺陷的存在。渗透检测无需电源，缺陷性质容易辨认，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4可检测任何金属和陶瓷材料的表面开口缺陷，但不能检测内部缺陷。对工件表面要求清洁和光洁，结果显示时间长(在半小时以上)。5、涡流检测(ET)根据电磁感应原理，导电材料在交变磁场作用下将产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷影响所产生涡流的大小和分布，因此，根据涡流的大小和分布可检验存在的缺陷。涡流检测可检测各种导电材料表面和近表面的缺陷，但检测参数控制困难，检测结果难于解释。常用于型材表面裂纹的检测。重轨部件在服役时，诱发断裂的疲劳裂纹总是从零件表
20、面产生并逐渐向内部扩展而引起断裂；焊缝质量的判别一般也是从表面进行的。因此两者均发生在零件的表面，缺陷特征属表面裂纹，因此对部件的表面裂纹进行检测是防止机件失效或破坏的有效措施。表面裂纹检测属于无损检测的一个应用，针对重轨部件的特点：铁磁性材料，形状不规则，被油污和灰尘覆盖，通过对比分析目前无损检测五大常规方法，可以看出对于重轨部件的裂纹和焊缝检测，采用涡流法有其独特的优点：（1）与超声法相比，超声法需要耦合剂接触测量，耦合剂对环境有一定的污染，且超声法对检测操作人员有相当高的要求，和要求工件表面较光洁，而涡流检测对这些要求较弱，超声法一般用于检测尺寸较大的试件。（2）与射线法相比，射线法成本太高，且射线需要放射源，现场使用中存在辐射性物质，对人体有一定的伤害，必须对检测人员进行防护，使用不便。（3）与磁粉法相比，磁粉法现场应用非常简单，直接检测表面缺陷，但如被检工件表面有涂层或潮湿，检测可靠性将大为降低，所以必须先去除涂层，擦干表面。（4）渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高，但对表面有涂层及潮湿的工件就不理想，且对缺陷的判定有赖检验人员的经验。所以相比之下，涡流法对被检工件表面
