电磁检测（精选十篇）
电磁检测 篇1
磁悬浮轴承的检测是磁悬浮系统不可缺少的重要环节。目前国内外研制的磁悬浮轴承的转子位移检测系统大多采用位移传感器。由于传感器的存在, 使磁浮轴承系统的轴向尺寸变大, 系统的动态性能降低, 而且成本高、可靠性低;由于结构的限制, 传感器不能装在磁浮轴承的中间, 使系统的控制方程相互耦合, 控制器的设计更为复杂。
为此, 本研究针对永磁电磁轴承进行自检测原理的悬浮控制研究。
1 永磁电磁磁轴承工作原理
传感器检测位移的永磁偏置的电磁轴承结构原理[1], 如图1所示。转子在永久磁铁产生的静磁场吸力作用下处于悬浮的平衡位置 (中间位置) , 这个位置也称为参考位置。
由于结构的对称性, 永久磁铁产生的永磁磁通在转子上方气隙1-1处和转子下方气隙2-2处是相等的。此时若不计重力则两气隙处对转子的吸力相等, 即F1= F2。假设在参考位置上转子受到一个向下的外扰, 转子就会偏离其参考位置向下运动, 由于转子上下气隙的间隙变化, 使得其磁通变化。即:上间隙增大, 磁通ϕp1减少;下间隙减小, 磁通ϕp2增加。由于ϕp1<ϕp2, 由磁场吸力与磁通的关系可得转子受到的吸力变为F1<F2。此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移, 控制器将这一位移信号变换成控制信号, 功率放大器又将该控制信号变换成控制电流i, 该电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通ϕk, 该磁通在转子上方气隙1-1处与永磁磁通ϕp1叠加时, 由于永磁磁通与电磁磁通流向相同, 使气隙1-1处的总磁通增加, 由原来的ϕp1变为ϕp1+ϕk;磁通ϕk在转子下方气隙2-2处与永磁磁通ϕp2叠加时, 由于永磁磁通与电磁通流向相反, 使气隙2-2处的总磁通减少, 由原来的ϕp2变为ϕp2-ϕk。当ϕk≥ (ϕp2-ϕp1) /2时, 两气隙处产生的吸力又变为F1≥F2, 使得转子重新返回到原来的平衡位置。
同理, 转子受其他方向干扰也始终能处于稳定的平衡状态。
2 平衡负载的磁悬浮合力
2.1 气隙磁感应强度
设转子上下两侧控制电磁铁和偏置电磁铁的线圈匝数各为N, 在不考虑气隙的边缘效应、磁路漏磁以及材料的磁阻, 转子向上偏离平衡位置距离为x时, 偏置磁场在转子上下两侧工作气隙处产生的磁感应强度为:
式中 FM—永磁体内部磁动势;g0—半径气隙;x—转子位移;i—控制电流;μo—空气磁导率。
由式 (1) 可知, 气隙磁感应强度 (磁通) 是偏置磁场产生的磁感应强度 (磁通) 与控制磁场产生的磁感应强度 (磁通) 的代数叠加, 而且都是转子位移x的非线性函数。显然, 在平衡位置 (x=0) 时, 转子上、下气隙的偏置磁通和控制磁通绝对值分别相等。
2.2 磁悬浮合力
由麦克斯韦方程可求得磁场对转子的磁悬浮合力:
式中 S—气隙磁极面积。
由式 (2) 可知, 磁场对转子的磁悬浮合力F是控制电流i和转子位移x非线性函数。当转子稳定悬浮在平衡位置 (x=0) 时, 平衡负载的合力为:
式中 ka—电压/电流转换系数;ua—功放输入电压。
可见, 稳定悬浮时吸力合力与控制电流或控制电压成正比关系。因此, 可以通过控制电流 (或电压) 对转子所受的外力进行线性控制。
3 转子位移自检测原理
3.1 定子绕组端电压
由于电磁轴承的转子位移变化时, 电磁铁线圈的自感系数也要变化, 即电磁轴承线圈的电感系数是转子位移x的函数, 因此, 电磁铁线圈的端电压 (或电流) 也是转子位移x的函数。电磁轴承电磁铁线圈的电感/电阻模型, 如图2所示。
图1中的电磁轴承上、下电磁铁绕组电感系数分别为[2,3]:
绕组端电压分别为:
即为:
式中 R—各电磁铁绕组电阻。
自检测磁悬浮轴承系统的基本原理就是提取随转子位移变化的电磁铁线圈端电压或电流作为系统闭环控制的反馈信号, 通过控制器调节转子位移使其工作在平衡位置。
3.2 电磁轴承系统的自检测原理
式 (3) 成立的条件是转子稳定悬浮在平衡位置。由于电磁轴承的转子-电磁铁系统为开环不稳定系统, 必须对转子位移进行检测, 以实现闭环伺服控制。下面就转子自检测原理加以研究。
由式 (5) 中的第1式加上第2式, 可得整个线圈绕组的电压方程为:
由式 (5) 中的第1式减去第2式, 可得检测位移的电压方程为:
由式 (7) 中可见, 电压Δu (t) 中包含有转子位移x的信息, 因此可以将该电压作为检测转子位移变化的反馈电压。
输入中心频率为ωc、幅值为Um的高频脉冲电压[4,5]为:
式中 k—占空比;Tc—高频电压信号的周期。
按傅立叶级数展开, 取占空比k=0.5, 代入Tc=2π/ωc可得:
则通过开关功率放大器后流入线圈绕组的脉冲电流为:
将式 (9) 代入式 (6) , 可得检测电压为:
式 (10) 就是提取的电压信号。将其进行全波整流解调 (检波) 、低通滤波并经过PDF控制[6]调节电路运算, 就可以实现电磁轴承的位移及其速度的自检测。其检测控制框图, 如图3所示。
4 实验结果分析
按照图3所示控制原理进行试验测试可得系统的绕组输出电压Δu (t) 与径向位移 (气隙) 之间的关系, 如图4所示。可见, 系统在不同的占空比时绕组输出电压均与气隙 (径向位移) 成线性关系。系统在给定输入电压下以及对施加干扰输入作用下, 系统的绕组输出电压的响应曲线, 如图5所示[7]。
由图5 (a) 可见, 在系统达到稳态时, 永磁电磁轴承输出电压基本保持不变, 变化频率较小, 说明电磁铁的控制电流稳定, 转子的位置稳定。图5 (b) 中的尖峰信号说明, 当来自外界的干扰导致转子偏离平衡位置时, 系统会根据气隙变化的不同情况, 做出不同的反应, 迅速给使电磁铁提供一个大的调节力, 从而阻止转子偏离平衡位置。这表明系统具有很强的鲁棒性, 对外界干扰反应灵敏, 能在极短的时间内消除干扰对系统的影响。
5 结束语
针对永磁电磁轴承, 笔者研究了从控制电磁铁线圈的两端提取随位移变化的电感变化电压, 作为反馈信号构成闭环控制的自检测磁悬浮轴承系统。将线圈绕组两端的电压信号经过全波整流得到与位移成比例的电压信号, 将该位移信号由控制器转换为控制信号, 经功率放大器放大后调整位移使其始终工作在平衡位置。因此, 磁轴承电磁铁既可以作为激磁器产生磁悬浮力, 又可以作为位移传感器检测的位移。采用这种自检测系统不仅可以大大降低磁轴承的成本, 而且还可缩短磁轴承的轴向尺寸, 提高系统的动态性能及可靠性。
摘要：为了降低磁悬浮轴承的制造成本, 提高磁悬浮系统的动态性能, 提出了自检测磁悬浮轴承系统。该自检测系统从电磁轴承控制线圈两端提取随位移变化的电感电压 (电流) 信号, 作为反馈信号, 构成伪微分反馈 (PDF) 控制的闭环自检测磁悬浮轴承系统。试验结果表明, 该自检测磁悬浮轴承系统具有很强的鲁棒性。
关键词：永磁电磁轴承,自检测悬浮,伪微分反馈,电感电压
参考文献
[1]曾励.永磁电磁轴承产生悬浮力的机理研究[J].航空学报, 2000, 21 (3) :21-23.
[2]刘晓光, 胡业发, 周祖德.磁悬浮转子机电耦合动力学与分析[J].机电工程, 2005, 22 (6) :56-58.
[3]松田健.差動トランス方式セルフセンシング磁気軸受の研究[C]//日本機械学会讑文集 (C編) , 1997, 63 (609) :5.
[4]BAGHLI L, ALROUH I, REZZOUG A.Signal analysis andidentification for induction motor sensorless control[J].Con-trol Engineering Practice, 2006, 14 (11) :1313-1324.
[5]HANSON B, LEVESLEY M.Self-sensing applications forelectronmagnetic actuators[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2004, 116 (2) :345-351.
[6]曾励.无轴承电机的伪微分反馈控制研究[J].扬州大学学报:自然科学版, 2003, 5 (2) :23-25.
机载电子设备电磁兼容检测软件设计 篇2
机载电子设备电磁兼容检测软件设计
提出了一套针对机载电子设备电磁兼容性检测系统的辅助测试软件设计的整体方案.该软件紧密结合用户的.需求并充分考虑到操作人员的知识结构,具有智能化提示和分析、评估等功能,能够引导操作人员从初步分析人手,然后结合实际测试进一步对初步分析得到的结论进行验证、评估和最终判定,结果以评估报告的方式给出,并在需要时给出专家解决意见.该软件适应于实际需要,可以大大提高问题解决的时效,对装备任务的顺利实施和维护保障具有重要的实用价值,是检测系统的重要组成部分.
作 者：郭岩 邴洋海 赵鲁宁 GUO Yan BING Yang-hai ZHAO Lu-ning 作者单位：中国人民解放军驻沈阳飞机工业(集团)有限公司,军事代表室,辽宁,沈阳,110034 刊 名：飞机设计 英文刊名：AIRCRAFT DESIGN 年，卷(期)： 29(5) 分类号：V260.5 关键词：机载设备 电磁兼容 检测系统 软件设计一种电磁活门工作行程检测装置 篇3
摘 要：本文介绍了一种电磁活门工作行程检测装置，该装置结构简单、成本低廉、操作方便、测试结果可靠，解决了电磁阀维修过程中电磁活门工作行程检测的难题。
关键词：电磁活门；电磁阀；阀芯；工作行程
引言：电磁活门即电磁阀的阀芯，电磁阀一般利用电磁活门的上下或左右移动完成开闭动作，达到对流体流量控制的目的，因此，电磁活门的工作行程是电磁阀门的重要技术参数，也是电磁阀性能试验的必测项目。由于电磁阀装配结构复杂、配合精度较高，在性能试验过程中，采用普通量具难以完成对电磁活门工作行程的测试。
一、结构介绍
一种电磁活门工作行程检测装置，包括测量杆1、测量杆安装座2、百分表锁紧螺套3、百分表4、固套5、紧固衬套6和工件锁紧螺套7、销轴8、百分表调零基准件9。（见图1）
二、检测装置工作原理
参照图2、图3，利用测量杆的等臂杠杆结构原理，测量杆1的等臂杠杆结构，由水平线、销轴8与第一测量头1-1端点连线、销轴8和第二测量头1-2端点连线构成两个全等三角形，它们对应的两个直角边C和D的长度相等，即测量工件10的电磁活门10-1的工作行程与百分表触头的测量值相等。测量时将电磁活门的工作行程转换为百分表触头的测量值，并通过百分表调零基准件上百分表调零基准孔深度H对百分表调零，这样可直接读取测量工件电磁活门的工作行程的误差值，将该测量值与标准要求比对即可判断被测量工件是否符合要求。
三、测量装置主要操作方法
参看图4、图5，工作过程是：将测量工件10的电磁阀阀座10-2与固套第二内螺纹5一端装配后，将测量杆1的第一测量头1-1伸入到电磁活门10-1孔内，调整第一测量头1-1使其位于电磁活门10-1底面的中心位置，用工件锁紧螺套7将两者固紧；然后对百分表调零，将百分表调零基准件9放入电磁阀阀座10-2的定位孔中并手动压紧，此时测量杆1的第一测量头1-1顶到百分表调零基准件9的百分表调零基准孔9-1底面，而测量杆1的第二测量头1-2拨动百分表4的侧头平面接触，将百分表的读数调整为0，由于测量杆1的第一测量头1-1、第二测量头1-2与测量杆销轴孔1-3的距离相等，因此第一测量头1-1、第二测量头1-2的上下移动值是一样的，测试时，将电磁活门10-1装配到电磁阀阀座10-2的定位孔中，接通电源，电磁铁带动电磁活门10-1上移动，当电磁阀按钮弹起时观察百分表指针变化情况，如果百分表指针示数在电磁活门工作行程误差范围内，说明测量工件10符合技术要求。
四、主要结构附图说明
图1是结构示意图；图2是测量杆结构示意图；图3是检测装置工作原理图；图4是调零工作状态示意图；图5是测量工作状态示意图。
图中各标号为：1测量杆，1-1第一测量头，1-2第二测量头，1-3测量杆销轴孔，2测量杆安装座， 3百分表锁紧螺套，4百分表， 5固套，纹，5-3固套开口槽，6紧固衬套，，7工件锁紧螺套，8销轴，9百分表调零基准件，10测量工件， 10-1电磁活门，10-2电磁阀阀座。
五、总结
以上介绍一种电磁活门工作行程检测装置来测量电磁活门的工作形成具有可靠性高、结构简单、操作方便、测试结果准确可靠，能够满足维修检测的需要。
参考文献：
[1] 成大先，机械设计手册.第2卷. 200711.化学工业出版社.
[2] 材料手册.材料手册编写组编.上册.1972.国防工业出版社.
[3] 形状和位置公差.国家标准.GB1182～1184-80 GB1985-80
电磁无损检测技术浅析 篇4
无损检测 (Nondestruetive Testing, NDT) 是指在被检测件状态和性能不被影响和破坏的情况下, 根据热、声、光、电、磁等对材料的内部缺陷或结构异常产生反应变化的原理, 通过对被测件的检测, 判断和评价其内部与表面缺陷的形状、位置、大小、分布、类型、性质、数量及变化, 进而评估被检测件的质量、性能和状态等[1]。
电磁无损检测是无损检测中的重要分支, 其是利用材料在电磁场作用下呈现出的电学或磁学性质的变化, 判断材料内部组织及有关性能的试验方法。通常包括涡流检测、磁粉检测、漏磁检测等技术。在不断的技术创新中, 近年来电磁无损检测技术获得了较大发展, 逐渐具备了设备简单、方便操作、检测高灵敏度及自动化等优点[2,3]。
2 关键技术
2.1 涡流检测
涡流检测技术主要根据电磁感应原理, 在变交磁场作用下导电材料产生涡流, 材料表面层与近表面层缺陷影响涡流的形态, 进而引起线圈阻抗变化, 通过测量阻抗变化以达到研究、分析导电材料的缺陷和损伤。近年来涡流检测技术主要分为以下几类:
(1) 单频涡流检测技术, 激励信号是选取单一频率的正弦波电流或电压, 通过得到复阻抗平面图以观察缺陷对检测信号的影响进而分析被测工件的电磁特性;
(2) 多频涡流检测技术, 激励信号采用两个或两个以上频率的正弦波电流或电压, 由于不同频率的激励信号在被测工件中具有不同的穿透深度, 能够获得工件多个深度的信息减少信号失真, 提高检测的准确度;
(3) 远场涡流检测技术, 通以低频激励交流电流, 可对碳钢或其它强铁磁性管进行有效检测, 对检测管内、外壁缺陷及壁厚减薄具有相同的灵敏度, 可不受趋肤深度的限制;
(4) 脉冲涡流检测技术, 激励信号为宽频窄脉冲, 宽频窄脉冲包含丰富的频率成份在被测工件中激起不同频率的交变涡流场, 且低频率成份在工件中的穿透深度较大, 可以获得工件中不同深度的缺陷信息。
2.2 磁粉检测
磁粉检测技术主要依据磁性材料损伤改变磁力线分布的原理, 进而显现材料的缺陷。磁性材料工件被磁化时, 在其表面和近表面的缺陷处产生漏磁场, 喷洒到工件上的磁粉被漏磁场吸引形成, 通过观察显示缺陷的位置、形状和大小。当前主要研究荧光磁粉、自动检测识别技术, 采用CCD摄像机代替人眼观察过程并利用计算机图像处理技术分析检测结果, 提高了检测可靠性与自动化水平。
2.3 漏磁检测
漏磁检测技术是根据励磁激励铁磁性材料工件使得其局部磁化, 进而具有磁通量, 再利用传感器检测漏磁信号以实现工件的缺陷检测。目前主要研究方向为正演和反演。正演是依据缺陷的形状、大小等信息来求其磁场分布;反演则是通过检测到的漏磁信号, 来实现对缺陷的评估并进行定量、定性分析。
2.4 金属磁记忆无损检测
金属磁记忆检测技术主要用于材料应力集中和疲劳损伤无损检测与诊断, 即可检测出已经出现的缺陷及其分布部位也能对产生破坏前的构件进行预测和评估。其原理是根据磁力线通过缺陷处介质时产生畸变形成表面漏磁场, 进而检测漏磁场来判断材料的缺陷。其中漏磁场具有切向分量和法向分量, 切向分量的特点是具有最大值, 而法向分量具有过零点。目前为了提高检测的效率和精度在不断研究高灵敏度的磁敏检测元件来采集磁记忆信号, 以及于对弱磁特征信号的提取从而精准判断铁磁性工件应力集中和缺陷。由于能够同时检测应力集中区及组织内部损伤、各种宏观缺陷, 被广泛应用于石油化工管道、发电站、轨道交通设备等领域, 并取得了显著的经济效益和社会效益。
2.5 巴克豪森效应检测
巴克豪森效应检测技术主要应用于铁磁性材料残余应力的测量, 其依据巴克豪森噪声测量法。巴克豪森噪声即相互靠近的磁畴在外磁场作用下转向排列的过程中, 发生摩擦引起震动而产生的噪声。通过巴克豪森法测量的信号受磁畴位移影响, 进而反映铁磁材料内部微观结构变化和受力情况。
2.6 交变磁场测量技术
交变磁场检测技术是从交流电压降测量法演变发展形成的, 其主要原理是在交变电流作用下导电材料中的缺陷裂纹会使得其周围的感应电流分布发生改变, 进而影响材料表面感应磁场的分布, 通过测量材料表面感应磁场分布的变化采用数学模型的反演, 来判断分析裂纹缺陷的长度和深度特征。由于检测是非接触式的, 可以在具有抗腐蚀介质和涂层的工件表面直接进行精确检测, 此外也不需要进行试块标定。该检测技术在结构的在役检测等方面起着越来越重要的作用, 具有广阔的应用空间和巨大的经济效应。
3 电磁无损检测的发展趋势
随着计算机技术、数字图像处理技术的不断发展, 电磁无损检测技术也将呈现以下特点:
(1) 图像化、数字化;数字图像方便进行各种数字处理, 且数字化有利于高效的信息传递更方便有效的实施远程诊断和实时分析;
(2) 高智能化;随着数据库和专家评价系统的不断完备, 电磁无损检测技术将具备对被测工件的缺陷类型自动识别和缺陷状态自动评价功能;
(3) 在线检测自动化;无损检测未来的主要方向即是在不改变工件工作的情况下进行在线自动化检测, 尤其在特别恶劣的环境下能够实现检测自动化程度提高和缩短检测时间;
(4) 传感器技术不断发展, 信号处理方式的多样化;多传感器数据融合技术从多源信号中获取信息减少信息的确定度, 有助于识别缺陷。
摘要：电磁无损检测是无损检测的重要分支, 具备设备简单、方便操作、检测高灵敏度及自动化等优点, 本文浅析了几种关键的电磁检测技术以及各技术在工业领域广泛的应用。
关键词：电磁,无损检测,技术应用
参考文献
[1]任吉林, 林俊明.电磁无损检测[M].北京:科学出版社, 2008.
[2]任吉林.电磁无损检测的新进展[J].无损探伤, 2001 (05) :1-4.
警惕无损检测工作中的电磁辐射污染 篇5
作者： 佚名 文章来源： 本站原创
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智能型电磁无损检测仪的研制 篇6
随着现代工业的发展，尤其在航空航天，能源交通，石油化工等行业，对使用钢铁材质的机械产品质量的要求越来越高，特别是钢铁材质零件在热处理后的硬度，表面硬化层深度(如渗碳层深度，高频淬火层深度)以及判别组织以及分选混料等方面，更是要求其产品百分百的全检。一些常用的检测手段，如火花鉴别混料分选，或用布洛维硬度计检测硬度和化学分析等方法，均存在人力成本高，人为因素影响大，速度慢以及对工件有损等许多缺陷[1]。本文所述的电磁无损检测仪依据磁导率法，可以对钢铁材质工件在硬度，混料等缺陷进行快速地定性甚至定量的无损检测，在检测灵敏度和配套功能上比起以往同类产品有了很大地改进。
1 电磁无损检测原理的分析
电磁无损检测的基本原理就是利用被测钢铁材质工件的性能(如硬度，渗层深度等)与材料的某些物理量(包括磁导率，矫顽力等)之间在相应范围所具有的对应关系。基于所应用的物理量种类不同，检测的方法也多种多样[2]。此处应用的是钢铁材质工件的磁导率，即所谓的磁导率法。磁导率法按电源类型分直流法和交流法。直流法速度慢，不易实现自动化故很少应用。而交流磁导率法又分中强磁场下的磁导率法和弱磁场下的初始磁导率法，前者因为工件磁化区多处于巴克豪森跳跃区，对电源要求很高。而初始磁导率法中工件的磁化区处于可逆的畴壁位移区，磁导率处于随磁场强度的上升而上升的区域，避免了上述问题，故被广泛应用。
磁导率无法直接测量得到，而必须应用电磁感应的原理，提取能够反映磁导率的大小同时又能被检测的信号(电压或电流)进行间接测量，具体检测原理如图1所示：
当在空芯激励线圈中通以交流激磁电流后，在线圈内就产生轴向交变磁场。这样，处在同轴的测量线圈中产生一感应电压，该感应电压大小受线圈直径，匝数，激磁电流的频率及大小，有无工件，刚铁件的特性等多个因数的影响。当除钢铁件以外的所有客观因数确定以后，则该感应电压只与钢铁件特性有关[3]，而针对同类钢铁件(即几何外形，生产工序一致)，则该感应电压就只与钢铁件的磁导率相关了。这样，在根据钢铁件的成分及机械性能与磁导率之间的相关性，间接测量诸如硬度等性能指标以及对钢铁混料的分选。
2 检测仪硬件系统设计
检测仪硬件系统整体框图如图2所示：
系统控制器采用Cygnal公司的混合信号系统级单片机C8051F020，其片内资源十分丰富，所集成的64KROM,4KBRAM以及12位AD等完全能满足本仪器功能的需求，从而使仪器在成本，体积以及可靠性上具有了很强的优势。其次仪器采用4*4的扫描键盘，以及320*240的点阵LCD模块(自带控制器SED1335)，使得人机交互十分方便。另外串行扩展的EEPROM24C512可以掉电保存一定量的历史测量数据，供查询操作界面调用，也可由POS打印机输出，便于实际生产的管理。
系统的关键部分是测量电路，其由激磁信号，检测电路以及信号调理电路三部分组成。
1)激磁信号：由信号源加放大电路组成，信号源为单片机发出的频率和大小可调的方波信号，其具有较高的信噪比，可以很大程度上降低检测电路的噪声[5]。激磁信号频率和强度与信号有效渗透深度，磁场场强密切相关，对检测性能起关键性作用。频率越高，灵敏度越高，但线性度变差，一般来说，频率上限不宜超过1KHz。
2)检测电路：磁导率法按其测量线圈(俗称探头)的个数可分单探头法和双探头法，后者又称差动法，以其测量灵敏度高而被广泛采用。其原理框图如图3所示：
线圈的制作形式又分螺线管式，U型和笔式三种，探头形式和大小的选择应依据测量要求来确定，原则上尽量选择螺线管式的，因其重复性和灵敏度要比后两者要好。激励线圈和测量线圈的匝数比在1:5以内，线圈匝数越多灵敏度越高但线性度越差，且容易受到干扰，匝数总数不宜超过5000圈。
3)信号调理电路包括信号的整流，滤波，放大，电平调整，其主要电路如图4所示。
整流电路采用常见的桥式全波整流(图4未画)。由于在检测电路中置入不同工件所产生的感应电压之差在毫伏级，故需要引入信号放大电路，其放大倍数一般在100～500以内。图4中采用集成运放器OP07，其输出信号经电阻分压，以及滤波电路后得到较稳定的双极性电压信号(-1.5V～+1.5V)。而由于系统采用的单片机所集成的A/D是单极性(0V～3.3V)，故在信号送入A/D前需要进行电平的转换，以满足A/D的输入要求[6]。
3 检测仪软件系统设计
根据磁导率法及相关试验表明，检测仪所测得电信号大小与钢铁材质性能(如硬度等)存在对应关系，且很多情况下是单值关系。因此检测仪可以实现对钢铁材质的混料，硬度等缺陷进行定性分选，具体操作就是要求先选定上下限的标准样件，通过检测仪得到对应测量值，作为对应上下限值保存在仪器中，然后对所需测量工件进行检测，测量值在上下限内则为合格，否则为不合格。同时检测仪也可以定量检测钢铁件的硬度，具体就是先选择若干已知硬度值的标准试样，通过检测仪得到对应仪器测量值，在测量值与硬度值单值关系的前提下，利用最小二乘法进行一元线性回归，得到直线方程：y=a+bx，这样就可以得到所需测量工件的硬度值[7]。
根据以上分析及仪器功能要求，本系统软件采用模块化设计，整个系统可分为几大功能模块：1)参数设置模块：包括信号频率及强度的设置，操作员工号及数据是否统计及保存参数，上下限值的设置，是否计算硬度值等参数;2)键盘及显示模块;3)参数和测量数据查询及打印模块;4)检测功能模块：包括硬度分选，混料分选，裂纹分选。限于篇幅，下面仅给出硬度分选功能模块的流程图，如图5所示。
4 结束语
本检测仪在与南京某无损检测设备有限公司联合开发下，已通过测试并进入批量生产。测试表明，该仪器具有操作简单，功能可靠，分选精度高，速度快(超过1000件/小时)等特点，可以为应用厂家很好地提高生产效率以及经济效益。
参考文献
[1]康宜华,宋凯,杨建桂等.几种电磁无损检测方法的工作特征[J].无损检测,2008,(12):928-930.
[2]任吉林.电磁无损检测的新进展[J].无损探伤,2001,(5):1-4.
[3]张迎新.C8051F系列SOC单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.
[4]康宜华,武新军.数字化励磁无损检测[M].北京:机械工业出版社,2006.
家用电磁灶的能源效率检测及建议 篇7
电磁灶是现代家庭烹饪食物的一种新型炊具, 它加热快、效率高、省时省力、安全卫生、使用方便。电磁灶是利用电磁感应引起的涡流加热的原理来工作的, 它主要是由感应加热线圈、灶台板和烹饪锅等组成。电磁灶的台面下布满了线圈, 当通上中频交流电时, 在台板与铁锅之间产生交变磁场, 磁感线穿过锅体, 产生感应电流——涡流。这种感应电流在金属锅体重产生热效应, 从而达到加热和烹饪食物的目的。
与传统的煤气灶相比, 电磁灶加热均匀、烹饪迅速、节电省能。其热效率约比煤气灶高1倍。使用时, 不必点火, 安全可靠, 不会发生危险事故。在电磁灶较普及的一些国家里, 人们称之为“绿色炉具”。
国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2008年2月出台并实施了GB21456-20 08《家用电磁灶能效限定值及能源效率等级》标准, 提出了适合我们实际情况的测试方法, 该标准适用于一个或多个加热单元的电磁灶, 每个加热单元的额定功率为70 0~2 8 0 0 W, 不适用于商用电磁灶、工频电磁灶和凹灶。作为该标准起草单位之一, 中国标准化研究院用能产品实验室对此标准测试方法进行了验证研究。
2家用电磁灶能效等级标准解析
在GB21456-2008中对家用电磁灶的考核指标主要分为两部分:一是电磁灶的热效率;二是关闭状态功率。具体的能效等级要求见表1。
此标准中规定额定功率小于或等于1200 W的加热单元能效限定值为表1的5级, 小于1200W的加热单元能效限定值为4级, 此条款就规定了上市销售的电磁灶需满足的能效要求。如若要达到节能要求, 则需要满足能效等级2级。但上述要求随着时间的变化进行调整, 标准规定2年后, 电磁灶的市场准入门槛待机状态功率为2W, 热效率为86%。
3测试注意事项
在GB21456-2008的试验方法中, 对电磁灶的热效率和待机功率测试方法做了规定。其中测试规定测试环境温度为20℃±2℃, 相对湿度为45%~85%;电源电压为220 (1±1%) V, 频率为 (5 0±1) H z;并对试验中所使用仪器都进行了具体要求。
检测试验应严格按照标准要求进行。试验之前应该认真阅读所检测电磁灶的说明书, 了解其内部结构功能, 提取对检测有用信息, 例如电磁灶内部线圈直径大小、最大额定功率档等。且调控检测试验环境, 不得将试验区域处于具有明显空气流动的位置。试验原始数据均有仪器上所得, 但是, 测试过程是一个人为过程, 最终会影响检测结果。如何减少人为影响因素, 是一个检测人员在按照标准实施试验过程中关注的重点, 总结了以下几点供大家参考。
3.1 环境温度的控制
在测试之前, 标准要求试验室房间温度在规定范围之内。试验人员对在不同的环境温度下对电磁灶热效率和待机功耗变化进行了研究。经过测试研究发现, 环境温度对电磁灶的待机状态功率影响不大, 待机功率最大值与最小值之差在0.01W h范围内。但对于热效率几乎能达到1%左右的偏差, 有可能是外界环境与标准锅体系之间的热传递导致。温差越大, 热传递越剧烈。因此测试人员应控制试验环境温度, 严格按照标准执行检测。
3.2 测温仪的位置控制
标准在阐述热效率的检测方法时, 对温度计的位置规定:温度计从锅盖孔中放入锅内中心位置。检测人员对于此位置应引起足够的重视。测试人员对温度计的温度计各个摆放位置引起电磁灶热效率变化做了数据收集。发现不同区域的所得到的热效率值之间相差1%~2%左右。这可能是电磁内部加热线圈的特殊结构引起的。由于线盘中心部位的磁力线十分密集, 而边缘部分由于边缘效应, 磁力线稀疏, 呈发散状, 说明该处的磁感应强度很小。所以不同位置所测得温度不同, 最终导致热效率不同。
3.3 样品的不同冷却时间对热效率的影响
GB21456-2008标准中, 并未明确规定样品检测前在实验室工况环境中的冷却放置时间。测试人员研究了此因素对电磁灶热效率的影响。经过测试发现样品冷却90分钟左右与完全冷却样机的热效率数值基本一致。
4 对标准GB21456-2008的意见与建议
(1) 标准中对于测温点规定只选取了锅中心且距离锅底10 m m一个点, 现很多产品为达到高能效, 将高磁场集中向测温点使电磁灶加热区域减少, 降低产品性能, 而测试数据高的电磁灶实质效率并没有提高, 这有违高能效产品研发推广的初衷。
基于小波变换的电磁无损检测技术 篇8
电磁无损检测是利用材料在电磁场作用下呈现出的电学或磁学性质的变化,判断材料内部组织及有关性能的试验方法。电磁方法检测材料表面具有检测灵敏度高、信号耦合简单方便等优点,广泛应用于工业生产与科学研究中,是无损检测技术的一个重要分支。近年来随着电子技术、尤其是计算机技术的发展,电磁无损检测的方法研究和仪器设备的开发得到长足发展。
小波分析是一种新兴的数学分支,它是泛函数、Fourier分析、调和分析和数值分析的最完美的结晶;在应用领域,特别是在信号处理、图像处理、语音处理和众多非线性科学领域,它被认为是继Fourier分析之后的又一有效的时频分析方法。小波变换与Fourier变换相比,是一个时间和频域的局域变换因而能有效地从信号中提取信息,通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析(Multiscale Analysis),解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题
1 电磁无损检测原理
电磁无损捡测的原理可概括为,利用某种形式的能量(如电磁能)与被检对象进行交互作用,产生某种信号来指示材质的性能或产品的缺陷和损伤。电磁无损检测系统通过探头对检测件进行信号采集,然后对信号进行放大处理。由于信号采集系统在检测过程中会受到各种外界干扰和噪声的影响,因此放大处理后用硬件实现初步滤波,提出有用信号送到A/D转换器进行反演输出。电磁无损检测原理框图如图1所示。
无损检测中,人们不仅关心已知缺陷产生何种信号,而且更注意检测所得信号对应何种性质和程度的缺陷,前者称为正过程(正问题),后者称为逆过程(逆问题)或反演。在电磁检测的理论研究中,确定导电材料中缺陷或裂缝的形状、大小和位置的问题,就其本质来说属于电磁场逆问题的求解。对于已知场源求解电磁场分布的正问题,目前已有许多成熟有效的方法。而求解电磁检测中的电磁场逆问题,其目标是根据场源分布及部分场信息来推断特定区域内媒质的形状和分布,求解计算远比正问题复杂、困难。求解方法大多是把逆问题分解为一系列的正问题,再利用一定的优化计算法进行迭代计算。
以钢丝绳LMA型缺陷检测为例,利用磁桥路原理,将钢丝绳金属截面积的磨损变化信号直接反映为桥路上磁场强度的变化,再通过霍尔元件即得到后续数据处理系统可以采样的电信号。
采用霍尔元件测量磁场强度具有不受速度影响、易于设计成剖分式结构检测时安装方便的优点,且能获得绝对磁场强度的量值。但是,当将霍尔元件直接置于磁化钢丝绳的主磁路测量时,由于磁路内的磁感应强度很大(一般在1.0～1.2 T),霍尔元件的输出信号饱和,对微小的磁场变化将不敏感。为此,采用了磁桥回磁路检测原理,将霍尔元件置于磁桥路中,测量磁感应强度在平衡点处的微小变化(磁感应强度一般在100 mT内),保证霍尔元件的高度灵敏度和线性度,如图2所示。
主磁路和磁桥路共同作用将钢丝绳磁化到饱和程度。在传感器设计时,使主磁路与钢丝绳关于磁桥路对称,可以不考虑漏磁通的影响,根据磁路的基尔霍夫定律可知:
又由Υ=BS可得:
式中,Υw、Bw、Sw分别为钢丝绳的磁通量、磁感应强度、截面积;Υm、Bm、Sm分别为主磁路的磁通量、磁感应强度、截面积;Υb、Bb、Sb分别为磁桥路的磁通量、磁感应强度、截面积。
当钢丝绳磁化到饱和状态时,钢丝绳中的磁感应强度Bw与主磁路中的磁感应强度Bm在饱和磁化程度附近为定值,桥路的截面积Sb和主磁路的截面积Sm由设计决定,对固定的传感器来讲,Sb与Sm是定值。因此,由式(2)可以得出,钢丝绳的截面积Sw与磁桥路的磁感应强度Bb成线性关系。
对于检测直径在一定范围内的钢丝绳,在传感器设计时,可使主磁路与钢丝绳中的磁场参数近似相同,在理想状态下,通过磁桥路的磁通量为零;当钢丝绳截面积发生变化时,整个磁路系统的平衡被破坏,磁桥路中的磁通量不为零,利用霍尔元件检测出磁桥路中磁感应强度Bb的变化后,根据式(2)可计算得到钢丝绳的截面积Sw,即可获得钢丝绳磨损量的大小。
2 信号处理
2.1 小波基的选取
小波基的性质直接关系到信号分析的效果,在缺陷检测信号的分析中小波基的选取应满足以下几个条件:
(1)具有线性相位,或至少具有广义线性相位。这是数据压缩的要求;
(2)具有最小支撑。很明显,一个尺度函数及其相应的小波函数ψ的支撑越小,用于小波重构算法中的重构序列就变得越短,实时性就越好;
(3)小波函数接近最优,即窗面积接近最小。这样小波应用于时—频局部化就越好。
满足上述条件的小波基就是理想的适于断丝信号分析的小波基。而B-小波的一个重要性质是具有最小支撑,B-小波恰好满足如上3个条件。图3是断丝信号在1～3尺度的B-小波变换。从图中可以看出,尺度1的小波变换的峰值已能较好地反映原始信号的中的突变点。
尺度函数的典型例子是m阶基数B-样条Nm,其中m是一个任意的正整数。一阶基数B-样条是单位区间[0,1)的特征函数,对于m≥2,Nm用卷积递推定义为:
式中,m称为B-样条的基数。令ψm=n∑qnNm·(2x-n),则称ψm为B-小波。它相应于m阶基数B-样条Nm具有线性或广义线性相位,当m=2时,该B-小波称为线性B-小波。
2.2 检测信号的小波消噪
在电磁检测时,实测信号中往往带有高频噪声和低频扰动等,需要对信号进行去噪处理,以便为缺陷的定量分析识别提供依据。通过小波变换将信号分解为位于不同频段和时段的成分,若干扰信号与有用信号位于不同频段内,则只要将干扰信号所对应的那一阶小波系数置零,构造零通小波,然后按重构公式对信号进行回复就可以达到消除干扰的目的。
以钢丝绳缺陷检测为例,在钢丝绳电磁无损检测中,由于钢丝绳绳股效应、检测用的脉冲编码器的抖动、断丝头产生的冲击以及检测现场的噪声等干扰信号的存在需要对采集的信号进行处理。钢丝绳缺陷检测的主要目的是确定缺陷的位置及断丝根数,对于钢丝绳断丝这种具有奇异性的检测信号,最有效的分析处理方法是小波分析。小波分析在时域和频域均具有良好的局部化性质,可以从被干扰了的信号中提取有用信息。从图3可以看出,突变信号的奇异点在对应的同一位置的所有尺度上都产生相应的最大值点,因此通过小波变换后各尺度上最大值点的位置和数值就可以确定信号奇异性及奇异程度。
由于小波变换对信号的奇异点非常敏感因而对突变信号的分析非常有效。信号的局部奇异点特性可以用奇异性指数来度量。
设f(x)∈L2(R),若f(x)对x∈δx0,小波ψ(x)连续且可微,并具有n阶消失矩(n为正整数),有
式中,K为常数。则称α为x0处的奇异性指数(也称Lipschitz指数)。
在上述条件下,若有Wf(s,x)≤Wf(s,x0),则称x0为小波变换在尺度s下的局部极值点。函数愈光滑,其奇异性指数愈大。可以证明白噪声具有负的奇异性指数,而钢丝绳缺陷的跳波信号所具有的奇异性指数是非负的,正是这一区别使得白噪声的极大值的性质与钢丝绳缺陷跳波信号的极大值有很大的不同。可见,由跳波信号产生的极大值随尺度的增加而稍稍增大,而由噪声产生的极大值却随尺度的增加而大大减小甚至消失,从而达到降低噪声影响甚至剔除噪声的目的。
3 结束语
研究了将小波分析用于电磁无损检测,并运用小波变换对检测信号进行了实验研究。小波分析不仅提供了一种更加有效的时频分析方法,更重要的是提供了一种新的信号处理的思想方法。用小波分析对检测信号进行消噪,使信号更加平滑,断丝信号更加明显。直接从包含断丝信息的主要通道进行了奇异性检测对断丝准确定位大大减小了误判率。
参考文献
[1]宋大雷,徐殿国.小波分析在钢丝绳无损检测中的应用[J].仪器仪表学报,1997,18(2):150-155.
[2]徐加军,万静.基于DSP的电磁无损检测技术[J].机械工程师,2005(1):69-70.
[3]张力严,陶德馨.基于小波变换的钢丝绳缺陷信号检测与分析[J].武汉理工大学学报,2001,25(4):493-495.
两种管道电磁无损检测方法研究综述 篇9
管道在工业系统中占有举足轻重的作用, 例如天然气、电力、核设施等行业都利用管道来进行运输。然而由于管道往往铺设于地下, 地形复杂, 环境恶劣, 极易发生灾难性的事故。虽然现在的很多管道都加了防腐层, 但随着管道运行时间不断增加, 腐蚀或疲劳裂纹都是不可避免的, 而电磁无损检测作为一种非破坏性的检测技术, 在管道日常安全检测与维护中发挥了越来越重要的作用[1]。
根据材料本身的电磁性能变化为依据, 对材料的实际缺陷或性能进行测试的一类方法统称为电磁无损检测。涡流检测和漏磁检测是电磁无损检测技术的两种类别, 它们都具有无接触、无损害、无辐射、速度快等优点。在管道检测中这两种检测方法都已得到了广泛的应用。不管是系统结构中的激励源研制, 传感器的设计, 还是系统后期的信号处理、管道缺陷特征提取等方面的研究国内外学者都取得了较大的进展。不仅在管道缺陷检测领域中, 涡流检测及漏磁检测在船舶、飞机、建材等工程应用领域都同样应用广泛[2]。
虽然上述两种检测方式都基于电磁感应的原理, 但它们的检测激励方式, 如激励频率的选取、检测传感器的设计以及信号特征提取和系统整体设计构造都有所差别。
本研究通过对两种管道电磁检测方法的阐述、分析和相互比较, 对两种管道检测技术的研究现状的介绍, 以及列举一些工程应用实例和注意事项, 以期能够促进管道检测技术的进一步交流与发展。
1 电磁无损检测技术的原理
石油天然气输送管道大多以导电体为主, 笔者设计的电磁无损检测技术都是以导电体作为被测对象, 其基本原理都是基于电磁感应现象, 可以用比较简洁的麦克斯韦方程组表示出来。电磁感应原理在电磁无损检测方法的体现是:电磁之间的能量与被测物的交互作用, 这种交互作用在理论上可用麦克斯韦方程组表示[3]:
式中:E—电场强度向量, H—磁场强度向量, D—电通密度向量, B—磁通密度向量, J—电流密度向量, ρ—电荷密度。
电磁场特性还可以用下面关系式表达:
式中:σ—电导率, ε—介质的介电常数, μ—介质的磁导率。
式 (1~7) 是电磁检测技术的物理基础, 将上面各式相结合, 可以求解出电磁检测正问题的解。
涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法, 适用于导电材料。当导体如管道置于交变磁场中, 导体中就会有感应电流产生, 这种电流称为涡流。由于导体自身因数 (如电导率、导磁率、形状、尺寸和缺陷等) 的变化, 会导致感应电流发生变化, 可以利用这种现象来判知管道的性质、形状及有无缺陷。涡流检测管道监测时, 可以在线或者离线检测, 其形式也多种多样, 如扇形式、平面组合式、穿过式、阵列式等。
漏磁在线管道检测在我国起步于1993年, 当时中国石油天然气管道局管道技术公司从美国引进了D273 mm和D529 mm两套管道漏磁检测器。在国外, 早在1966年苏联学者就提出了利用磁偶极子、无限长磁偶极带模拟工件表面的点状缺陷、浅裂纹和深裂纹, 开创了漏磁检测定量分析的先河。漏磁检测中, 实现检测的首先一步是磁化, 它往往决定着被测对象能否有足够被测量和分辨的磁场信号, 而且也影响到检测信号的性能和检测装置的结构特性。漏磁检测系统包括前端漏磁信号采集、数据压缩、缺陷识别等几大部分, 而缺陷识别技术将决定检测仪器最终是否能够将管道缺陷的集合参数即缺陷长度、宽度、深度等信息以数据的方式体现出来, 以使检测人员对管道的破损、腐蚀程度有确切地了解, 成为是否需要及时更换管道的科学依据[4]。
2 两种管道检测的原理和系统框图
2.1 管道涡流检测的原理和系统框图
常规的涡流检测系统包括信号发生电路、信号放大电路、检测探头、信号处理电路等, 其原理框图如图1所示。激励信号一般分为正弦激励和方波激励, 目前以方波为激励源的脉冲涡流检测技术发展得非常迅速。将由高精度的波形发生器产生的信号经信号发生器放大之后送给激励线圈, 之后通过检测线圈、霍尔传感器或者巨磁阻传感器将包含有管道缺陷的信号输送出来, 经过调理电路之后, 通过数据采集卡送入PC机上, 对信号的特征量进行提取。
相较于一般的平面导电板来说, 测量管道难度要大得多, 有时往往还要深入到管道内部进行裂纹或者腐蚀性的测量, 这就要求探头的设计或者器材的测量方式与以往的平面板测量完全不同。本研究在管道测量中设计出了多种内穿式、外穿式的涡流管道探伤仪器, 这些检测仪器往往与管道机器人相结合, 因为有时管道直径太小, 直接让工作人员进入测量显然是不现实的, 从而使得管道爬行机器人的研制也在不断深入当中。如韩国的Seungho Kim, Seung Ho Jung团队设计了在韩国核电站管道测量方面的机器人和螺旋驱动的管道爬行机器人[5,6]。其他学者对可视化机器人[7]以及可对管道裂纹缺陷及腐蚀进行定位的机器人都有深入的研究[8]。
2.2 管道漏磁检测的原理和系统框图
漏磁管道检测基本原理如图2所示[9]。永磁体产生强度大的磁场并通过钢制导磁使铁磁性管道的管壁磁化到饱和程度, 这和通常所熟知的涡流检测有很大不同, 涡流检测不需要将管壁磁化到饱和, 所以一般不会用永磁体来磁化。当管壁上没有缺陷时, 产生的磁场会均匀分布, 原理图如图2 (a) 所示;当管壁上存在异常情况, 如腐蚀缺陷、裂纹、焊接疤痕时, 所在处就会有漏磁通, 原理图如图2 (b) 所示, 通过磁敏探头检测漏磁通就可以发现管道的缺陷。最后分析数据曲线的特征量就可以确定管道的腐蚀、裂纹或者焊痕等大小。
管道漏磁检测器系统结构如图3所示。检测器为了能够通过管道弯头, 一般都采用节状的设计结构, 节与节之间通过万向节与动力节相连, 同时万向节与比管道内径稍大的橡胶碗相连, 利用它阻塞管道介质流动产生推力, 进而带动整个装置向前移动。在测量节, 沿着管壁的四周排列着数十个乃至上百个磁敏探头, 每个探头内都包含几个检测通道来检测不同方向上漏磁场。探头排列地越紧密, 对缺陷处漏磁场的记录就越准确。
在漏磁管道检测中, 缺陷的长度、宽度、深度对漏磁场的分布都会有影响, 同时, 测量时激励的频率、移动的相对速度以及测量的材质都会对漏磁场的强度和信号有一定影响[10], 在这一方面, 一些专家学者也做了很多的研究。和涡流检测相类似, 漏磁场检测同样受到探头传感器提离高度因数的影响, 在这一方面我国杨宾峰、罗飞路等[11]学者也都做过深入的研究。
3 两种管道电磁无损检测研究进展
3.1 管道涡流检测进展
在2000年, 学者陈德智和邵可然[12]就对管道裂纹涡流检测线圈阻抗信号进行了仿真研究, 他们将检测管道半径远大于线圈尺寸时, 管壁看成平板导体, 从而使问题得到简化。如果管道半径不是远大于线圈尺寸, 通过对平板模型的修正获得比较准确的数值仿真结果。
在2006年, 学者罗飞路、徐小杰团队[13]设计实现了铁磁性管道的远场涡流检测系统, 并对其进行了性能的改善, 他们通过对传感器、激励线圈、检测线圈、探头的优化的设计以及线圈间距的设计硬件电路的搭建, 最终设计成功, 并成功地小规模投入使用, 具有检测灵敏度高、成本低廉的特点。
在2010年, 韩国学者C.S.Angani和D.G.Park[14]利用两个安装有霍尔传感器的线圈同时测量管壁的厚度, 当厚度有差别是, 两个传感器会有相应的信号差, 从而区别出管壁的厚度。
在2011年, 伊朗学者M.S.Safizadeh[15]测试了利用脉冲涡流检测对带有绝缘层的管道进行腐蚀性测试, 从而说明, 脉冲涡流对有绝缘层的管道有很好的测试作用。我国南昌航空学院的康小伟和付跃文也对带包覆层磁性管道腐蚀脉冲涡流检测技术进行了研究。实验结果也表明, 对于较大面积的腐蚀缺陷, 即使包覆层较厚时, 在合适的检测参数下, 脉冲涡流也具有很好的检测能力。
在2011年, 荆毅飞、杨宾峰团队[16,17]设计了新的管道轴向裂纹检测脉冲远场涡流传感器, 并对其进行了仿真, 通过提取感应电压信号的负峰值和过零时间作为特征量分析管道的检测信息, 在此基础上设计了4种不同结构的传感器模型, 比较了4种模型过渡区的远近、对轴向裂纹检测, 表明了连通激励磁路的传感器模型具有更好的检测效果以及灵敏度的高低对不同壁厚管道检测的结果的影响。
在2012年陈兴乐、毛雪飞、雷银照团队[18,19,20]对管道脉冲涡流磁场激励线圈电压解析以及金属管道外放置式偏心弯曲矩形线圈涡流场的解析。利用了二阶磁矢位建立了涡流问题的数学模型, 得到了含待定偏心线圈系数的二阶位函数表达式, 从而能够进一步进行解析计算。
3.2 管道漏磁检测进展
在2005年李亮、阙沛文[21,22]就利用巨磁阻传感器的灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、体积小等优点设计了一种管道漏磁传感器, 并在检测管道壁微小缺陷中获得了成功。同时该团队将小波算法和神经网络算法用在了海底石油管道漏磁缺陷检测中, 表明了小波变换能够很好地去除检测中的主要干扰信号, 且系统具有收敛速度快、逼近精度高的特点。
在2009年, 王韫江、王晓锋等人[23]设计了脉冲漏磁传感器, 对带有一定厚度保温层管道腐蚀缺陷进行了检测, 采用脉冲方波作为激励, 这样既利用了漏磁检测效果好的优点, 提高了激励场的穿透深度, 又利用了脉冲激励所具有的频率成分丰富的优点, 增强了激励场对保温层的穿透效果和对管道深层缺陷的检测效果。
在2012年, 韩国学者Hui Min Kim、Yong Woo Rho、Gwan Soo Park等人[24,25]针对管道内外压力不同以及管道裂纹过长过窄等问题设计了一种圆周式的漏磁检测传感器, 该传感器能够将漏磁最大化, 并通过有限元方法进行了仿真, 验证了这种方法的可实施性。2014年该团队利用圆周式漏磁传感器的检测系统来对管道轴向裂纹形状进行了估测, 利用这种检测探头, 获取了较多的管道裂纹特征, 从而为估测裂纹的大小形状提供了有力的支撑。
4 两种管道检测方法应用特点
涡流检测与其他常用管道检测相比有比较独特的优势。与超声波和射线法相比, 其它不需要耦合剂, 可以实现非接触以及快速在线式检测。与磁渗透法相比, 其不污染环境, 同时操作也非常简单。对于管道内部、外部表面或者近表面缺陷有较高灵敏度, 尤其是一些带有几层包覆层的管道, 其同样能够在不破坏包覆层的情况下, 检测出管道的裂纹和腐蚀[26]。涡流检测系统探头的好坏与检测灵敏度有着较为密切的关系。管材在线、离线都可以采用多种形式的涡流传感器。一般来说, 穿过式线圈在系统机构设计方面较为简单, 能够高速进给提高效率。直径较小的管材 (D<50 mm) 一般外穿式线圈比较方便, 速度快、效率高。焊管的主要缺陷发生在焊缝周围, 首选穿过式线圈, 因为无论焊缝偏向多大角度, 其都可以保证检测的可靠性。
而在检测直径较大的管材时, 采用穿过式探头的检测灵敏度会很差, 因为被检测工件体积增大, 缺陷相对于被检测工件的体积所占的比例要小得多, 又因为焊缝竖直排列, 不易弯曲, 对于大直径的金属管道检测要求高的工件, 一般采用新式平面的组合式探头或旋转探头, 平面式组合探头检测仪如图4所示。
在利用涡流测量金属管道时, 往往只能改变激励频率, 通过改变频率来满足检测条件, 获得预期的检测结果。频率的选择是由检测对象决定的。如果测量的管材直径发生变化, 需要提高灵敏度, 这就需要使用高的检测频率。表面缺陷可以使用较高的频率来测量, 然而对于表面下的缺陷, 在保证有足够穿透深度的同时, 又要使得缺陷与其他干扰有效信号的因素之间有足够相位的差别, 从而能够有效地分辨出来, 所以选择合适的激励频率也是非常重要的。在此种情况下, 本研究会相互考虑各方影响因素, 进行这种的考虑办法。
涡流检测管道同样有一定的缺陷性, 在通过缺陷反射的信号特征来辨别缺陷形状、大小和媒介性质依然存在较大的难点, 往往不能够很好地对缺陷进行判别, 这也是将来涡流管道检测热点。不管是增加传感器, 还是运用采用新的数据处理方法, 最终目标还是想要能够准确无误地辨别出缺陷的尺寸类型。
电涡流检测大多适用于探测材料表面或近表面的缺陷, 其缺点是自动化程度低、工艺复杂, 难以实现定量检测, 且需人工观察、判断, 对操作人员的技术要求较高。而漏磁法对材料内部、表面缺陷都可以检测, 尤其对铁磁性材料缺陷极为敏感。漏磁法能够测量管状缺陷的形式也多种多样, 如横向缺陷, 即沿管周向上的损伤, 主要包括管壁腐蚀、裂纹、孔洞等。纵向缺陷, 即管材轴线方向平行的缺陷, 主要包括裂纹、折叠、偏磨等。针对被检测缺陷特征量的不同, 研究人员应该选用不同的检测方式和结构。对横向裂纹, 应该沿管材轴线方向上进行磁化并在四周安装检测元件。管材穿过探头沿轴向运动, 实现了对缺陷特征的扫描和探测。抽油杆检测仪如图5所示, 是一种单一的横向探头检测。
有些漏磁检测设备能够同时检测纵向和横向缺陷, 这对旋转机构的安装、制造、调试等方面要求很高。目前, 国内在这一方面研究与仪器制造与国外有一定差距, 这类检测设备多为进口, 价格也比较高。
5 结束语
本研究概述了两种管道电磁无损检测技术:涡流无损检测技术和漏磁无损检测技术, 并对它们的原理、系统结构各自特点以及近年来国内外的发展趋势进行了介绍, 同时列举了一些工程应用的实例与注意点。涡流检测是一种传统的电磁无损检测方法, 但近几年发展迅速的如脉冲涡流检测技术等使得涡流检测的应用领域更加宽泛, 灵敏度也得到了很大的提高。漏磁无损检测在管道在线检测方面有不可替代的作用, 速度快, 灵敏度高。这两种技术都是基于电磁学理论发展起来的, 也因此具有电磁检测的一些优点及缺点。例如安全无损、测量范围只能限定为导体等。
在这两种管道电磁无损检测发展中, 很多东西都是相辅相成的。涡流检测的很多技术如传感器信号的提取、信号发生器的设计都可以借鉴到漏磁检测中来, 同时一些信号提取的算法, 如小波算法、模糊算法也可以两种检测方法相互结合运用。随着管道检测这一领域不断深入研究, 这两种管道电磁无损检测技术将会获得更大的发展空间。
本文引用格式:
刘雨, 张思全, 尹畅, 等.两种管道电磁无损检测方法研究综述[J].机电工程, 2014, 31 (7) :844-848, 853.
医用激光设备电磁兼容的检测与整改 篇10
关键词：医用激光设备,电磁兼容,测试标准,基本性能
随着激光技术的飞速发展和激光器制作工艺的不断改进,各种医用激光类产品相继问世,为疾病的临床诊断和治疗提供了新的手段,如强激光作为激光刀被应用于神经外科、泌尿外科等手术科室,与各种内镜结合形成了激光介入治疗,与光敏药物的结合实现了对恶性肿瘤的诊断和治疗,应用激光的选择性光热特性开辟了皮肤美容领域的新途径[1,2,3]。
近年来,随着微电子技术、半导体器件工艺及大规模集成电路的迅猛发展,电子设备或系统的电磁敏感性日益提高。与此同时,基于这些技术的医用激光设备向着小型化、高灵敏度和高智能化方向发展,其电磁兼容性问题也日益复杂。与其他领域的激光设备相比,医用激光设备的抗电磁干扰能力更为重要,因为它与人们的生命健康息息相关。大量实践表明,在电磁环境中,电磁干扰对医用激光设备造成的影响并导致的危害可能会严重影响其安全可靠性,从而给患者和医疗工作者带来不利影响。如何提高医用激光类产品的安全可靠性和电磁兼容抗干扰能力,如何正确、合理地开展电磁兼容测试是目前我国医疗行业亟待解决的问题。
为了更好地进行医用激光产品的电磁兼容测试,需要研究激光与生物组织相互作用的基本原理、适用的相关标准,测试的方法、基本性能的确定、抗扰度的符合性判据和测试过程中问题的分析以及采取的整改措施等,我们将从以上几个方面进行全面阐述。
1 医用激光设备的基本原理、结构及分类
激光器是产生激光的装置,是医用激光设备最主要的部件。激光有着普通光无法具有的特性,它是一种高亮度、单色性和方向性极好的相干光束。这些特性是由于激光的微观发光机制和激光器的特殊结构所决定的。激光英文名为Laser,是light amplification by stimulated emission of radiation的简称,顾名思义,激光即是“受激辐射的光放大”,实现该受激辐射的光放大需要具备两个必要条件:一是存在能够被激活(即发生粒子束反转)的媒质即工作物质,二是具有使工作物质被激活处于粒子数反转状态的激励源(或称“泵浦源”)。除此之外,一般激光器还具备实现光放大的光学谐振腔。只有当工作物质足够长且增益系数足够高时,才可不用谐振腔,但这是个别现象,有人称之为超辐射效应,认为它是介于激光与自发辐射之间的一种现象[4]。
基于激光的特殊光学性能,当把激光照到生物样品并相互作用时,除可发生同波段普通光引起的生物效应外,还可引起许多特别的生物效应,如光热作用、光化作用、机械作用、电磁作用以及对生物系统的刺激作用等[5]。这些生物效应是激光应用于医学领域用于诊断或治疗的基础。
医用激光设备除核心部件激光器外,一般还包括电源与控制系统、导光系统、安全防护系统和冷却系统等。电源与控制系统为激光器的激励源提供能量和控制;导光系统为激光提供指定通路,引导激光到达诊治部位;安全防护系统为激光产品提供安全防护,如门连锁装置、紧急停止系统等为激光的安全使用提供了保障;冷却系统是为防止激光器长时间工作导致过热损坏而设置的。
医用激光设备有多种类型,可按照激光介质、光学结构、输出特性和泵浦方式划分,见表1[6]。
2 医用激光设备的电磁兼容测试
2.1 涉及的标准
标准是测试的依据,医用激光设备涉及的标准如下:(1)YY 0505-2012(IDT IEC 60601-1-2:2004)《医用电气设备第1-2部分:安全通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验》;(2)GB 9706.20-2000(IDT IEC 60601-2-22:1995)《医用电气设备第2部分诊断和治疗激光设备安全专用要求》;(3)GB 7247.1-2012(IDT IEC 60825-1:2007)《激光产品的安全第1部分:设备分类、要求》。
YY 0505-2012是医用电气设备的电磁兼容通用要求,其规定了医用电气设备的电磁兼容的要求和试验方法,同时还对医用电气设备的标识和文档进行了规定;GB 9706.20-2000是诊断和治疗激光设备的专用安全要求,其36章电磁兼容性章节没有做出特殊规定;GB 7247.1-2012对波长范围在180 nm至1 mm内的激光产品的激光辐射的安全做出了规定,但没有关于电磁兼容性的相关规定。因此,YY0505-2012是医用激光设备用于电磁兼容测试依据的标准。
2.2 测试的内容
医用激光设备属于1组设备,依据YY 0505-2012标准,其电磁兼容测试包括两方面的内容,即发射测试和抗扰度测试,其测试项目及试验等级见表2。
发射试验需要按照标准要求对最大发射状态及布局进行寻找,需要注意的是脉冲激光设备的测试。由于脉冲激光发射不是一个稳定的状态,而是有激光脉冲输出与无激光脉冲输出交替进行的状态,因此在自动软件测试程序下,准峰值测量有可能没有测到脉冲输出状态下的发射值,此时需要对单频率点进行持续测量,测试时间覆盖脉冲输出的几个周期,以保证能够测得最大发射值。
相比发射试验,抗扰度试验更为复杂,这是由于抗扰度试验中基本性能的确定和基本性能的监测依赖于产品自身的特点,对于不同产品具有不同的方法。下面针对医用激光设备的抗扰度测试中基本性能的确定以及基本性能的监测进行研究。
2.3 基本性能的确定
YY0505-2012中36.202.1j提供的符合性判据,在标准36.202条款规定的试验条件下,设备或系统应能提供基本性能并保持安全性,不允许与基本性能和安全性有关的性能降低。基本性能的确定是实施电磁兼容抗扰度试验的前提。
为了确定医用激光产品的基本性能,需要分析和研究医用激光产品的主要技术参数和性能指标,以及这些参数和指标在临床使用中如何对疾病的诊断或治疗发挥作用的。下面将对激光产品的主要性能参数进行逐一分析研究。
2.3.1 波长/频率
这是与应用目的直接相关的参量,是影响激光生物效应的主要参量之一。大量基础研究和临床实践表明,激光与生物组织作用时,几乎所有系统的生物效应都直接或间接与激光的波长相关,如光化作用、光热作用和生物刺激作用等。如眼的屈光介质对光的透视率大小与入射光的波长有关,眼底对激光能量的吸收也和入射激光波长分不开;又如皮肤对激光的吸收、反射、散射和透射等也与激光波长有关。
激光的波长是医用激光设备的基本性能参数是毋庸置疑的,但是激光波长很大程度上取决于激光器的工作物质本身,很少会受到外加电磁干扰的影响,因此在电磁兼容抗扰度测试中不会重点关注波长指标。
2.3.2 功率、功率密度
功率是指单位时间内激光器输出的能量,功率密度是指垂直照射到受照体单位面积上的功率,这两个参数是实际应用中最重要、最基本的参量。激光的热效应和光化效应与激光功率直接相关,一般的激光手术设备都是通过控制激光刀头斑的功率密度大小来实现切割、汽化或凝血的;弱激光的生物刺激效应也与激光功率密切相关。同时,在临床上,患者接受激光类产品诊治时所受到的伤害风险来自于激光功率的失控,因此激光的功率或功率密度的准确性和稳定性应被认定为激光类产品电磁兼容抗扰度测试中的基本性能。
2.3.3 能量、能量密度
能量、能量密度是和功率、功率密度相对应的一对参量。通常连续激光使用功率进行表征,脉冲激光使用能量进行表征。同上所述,激光的能量或能量密度的准确定和稳定性也应被认定为激光类产品的基本性能。
2.3.4 光斑尺寸
光斑尺寸是激光输出参量的另一较为重要的参量,然而由于光斑尺寸由光路决定,光路一旦设计成形,不会受到电气因素的影响,在电磁干扰作用下光斑尺寸不会产生变化,因此光斑尺寸在电磁兼容抗扰度测试中不会过多关注。
2.3.5 辐照时间
辐照时间直接决定受照处的辐照剂量,因此是一个较为重要的参数,然而辐照时间是设置量,可以人为加以控制,即便会有不受控制的可能,对于辐照时间的监测完全可以通过监测输出功率来实现,因为一旦辐照时间不受预定设置的控制(如应该停止辐照时激光未能停止输出),激光功率显示将会不正常(如应该显示为零即没有输出而显示为有输出数值)。
综上所述,由于激光治疗类设备最基本的应用是激光的输出能量和功率,对人体的直接作用也是通过激光能量和功率实现的,如果激光能量或功率失控将对患者造成比较严重的影响,因此认为激光的功率、功率密度或能量、能量密度是激光治疗类设备的基本性能。
2.4 基本性能的监测
确定了医用激光设备的基本性能后,就需要考虑如何对基本性能进行监测。平均功率检测多是采用相应的激光功率计来检测,国家也有计量部门对功率计进行标定,因此测量较为准确。但是高功率的激光器,尤其是高功率脉冲激光器输出平均功率的检测功率计还不是很多,而且功率计的标定也很困难,可采用检测单脉冲能量和检测激光器工作频率的方法计算激光器的输出平均功率,高功率脉冲激光器的输出平均功率是激光单脉冲能量乘以激光工作频率。激光工作频率可以使用。
激光能量的测量与激光功率测量的区别主要是前者使用能量计,后者使用功率计,目前也存在既能检测功率也能检测能量的仪表,激光功率与能量测量一般主要是连续激光功率和脉冲激光能量的测量。对于连续激光,可以直接用功率计测量激光功率,也可以用测量一定时间内的能量的方法求出平均功率。对于脉冲激光,常用能量计直接测量单个或数个脉冲的能量,也可用快响应功率计测量脉冲瞬时功率并对时间积分而求出能量。
需要注意的是,选择测量光功率和光能量用的功率计或能量计,需要了解可用的探头和仪器的类型,以及对波长、动态范围、破坏阈值和最大重复频率等方面的需求。
3 医用激光设备的电磁兼容整改
医用激光设备电磁兼容整改和其他电子产品的电磁兼容整改没有本质的区别,主要使用的屏蔽、滤波和接地3大技术手段。
医用激光类产品和其他产品的不同之处在于激光类产品的导光系统经常会带来问题。如对一台具有导光臂系统的激光手术设备进行辐射发射测试时,测试结果见图1。经过问题查找,发现是导光臂与设备机身的连接问题,导光臂直接放置在机身上,连接处存在缝隙,并且最重要的是没有将导光臂进行接地,使得导光臂称为一个天线系统,辐射发射超过限值。对导光臂与机身连接处包裹铝箔并且将铝箔与机身接地螺钉紧密相接后,导光臂的辐射发射有显著的下降,这主要是由于铝箔起到很好的屏蔽作用,解决了发射的泄漏,同时更重要的是将导光臂进行良好接地,解决了原来未接地导光臂的天线效应问题,最终测试曲线见图2。
4 结论
随着激光设备在临床上日益广泛的使用,对医用激光设备的电磁兼容检测和整改方法的探索迫在眉睫。我们对医用激光设备的工作原理与结构分类进行了简介,对其电磁兼容检测标准、检测方法和监测方法进行了研究,给出医用激光设备的基本性能,对医疗行业电磁兼容检测人员检测以及设计人员的设计具有指导意义。
参考文献
[1]Hamajima S,Hiratsuka K,Kiyama-Kishikawa M,et al.Effect of low-level laser irradiation on osteoglycin gene expression in osteoblast[J].Lasers Surg Med,2003,18(2):78-82.
[2]Tanzi EL,Lupton JR,Alster TS.Lasers in dermatology:Four decades of progress[J].J Am Acad Dermatol,2003,49(1):1-31.
[3]Lusaya DG,Costello AJ.Laser ablation of the prostatic[J].Curr Op Urol,1995(5):143-149.
[4]朱平,吴小光.激光与激光医学[M].北京:人民军医出版社,2011.
[5]向洋.激光生物学[M].长沙:湖南科学技术出版社,1995.
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