《对旋转磁场探伤性能的分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对旋转磁场探伤性能的分析（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、对旋转磁场探伤性能的分析严旭生( 内蒙古劳动保护科学研究所呼和浩特 010020)摘要对旋转磁场进行了详细的分析, 提出了对旋转磁场探伤性能的技术要求。 关键词旋转磁场磁粉探伤仪锅炉压力容器旋转磁场作为一种有效的磁粉探伤仪, 目前普 遍应用于锅炉压力容器的焊缝表面检验中。 我国行 业 标准 JB 473094压力容器无损检测 中也推荐 使 用旋转磁场。 标准中第 111414 条 “磁化方向” 规 定:“条件允许时, 可使用旋转磁场以及交直流复合 磁化方法。 ” 但是, 在现行的磁粉探伤各类标准中, 并没有给 出对旋转磁场的探伤性能之技术要求, 因而对实际 探伤工作造成了一定的不便。 本文拟对
2、旋转磁场进 行较为详细的理论分析, 找出与旋转磁场探伤性能 相关的因素, 进而提出对旋转磁场探伤性能的技术 要求。旋转磁场的产生机理 无论是通电的磁化方法, 还是通磁的磁化方法, 都只能在工件中产生一个方向的磁场, 也就只能检 测工件中一个方向 (纵向或横向) 的缺陷。 旋转磁场 则不同, 它是一种复合的磁化方法, 它是用纵向磁场 和周向磁场同时对工件磁化, 在工件中建立一个复 合磁场, 这样既保证了横向缺陷的检测, 也兼顾了纵 向缺陷的检测。旋转磁场的产生通常是采用两组相位间有一定 差异的交流电同时对工件进行周向磁化和纵向磁化, 在工件中就同时产生了交流周向磁场和交流纵 向磁场。 这两个磁场
3、在工件中产生磁场的迭加, 从而1从实测中也发现, 探头频带宽度不但与晶片种类有关, 与电阻抗匹配线圈有关, 尤其是与背衬层的 阻层与声匹配效果有关, 因此根据频谱测量结果, 适 当改变有关参数, 就有可能研制高性能换能器。宽度大于 50% , 则有较好的分辨力, 对于峰值频率 4 5 M H z 的换能器, 其频带宽度大于 40% 时即可得 到较为满意的分辨力。 同时我们还发现, 国内标称频 率 为 5 M H z 的 探 头, 其 峰 值 频 率 一 般 在 315415M H z 之间, 即与标称频率之间有较大的负偏差,这是探头厂家和使用单位都应注意的问题。结论1) 利用高速采样和快速傅立
4、叶变换可以方便地 对超声回波信号进行频谱分析, 从而为辅助辨别缺 陷性质等提供了条件。2 ) 利用数字频谱分析系统分析测试换能器频 谱, 分析其频率特性的影响因素, 为改善换能器的设 计和工艺参数创造了条件。3) 从换能器的频谱特性分析, 峰值频率相近的 探头, 其频带愈宽则其回波长度愈小、 波形愈窄、 分 辨力愈好。对于 2 215M H z 频率的探头, 若其频带4参考文献1美国无损检测学会编 1 美国无损检测手册 (超声 卷) (中译本) 1 世界图书出版公司, 19962张仲彦, 沈乃权 1 快速傅立叶变换 1 航空工业出 版社, 1989153M A TL A B 程 序 设 计 1
5、 北 方 交 通 大 学 出 版 社,19952001 年第 2 期无损探伤(双月刊)9形成复合磁场。如图 1 所示, 假设在工件上两个相互垂直方向 上同时施加两个分磁场 H x ( t) 和 H y ( t) , 其幅值相同, H 0x = H oy = H 0; 频率相同, f x = f y = f 0; 并 且设两者相位差为 a。 这两个分磁场矢量方程式时, 合成磁场的轨迹依顺时针方向作圆形旋a =2 转运动, 其对各方向的缺陷检出能力是一致的。 若两个分磁场的相位差不等于 /2 时, 合成磁 场在各方向上的大小并不完全相等, 那么该旋转磁 场在各方向对缺陷的检测能力就不完全相等。可表
6、示为: H x = H 0 s in (w t + a 0 )H y = H 0 s in(w t + a 0 ) + a (1)(2)式中a 0 初始相位。图 1 旋转磁场而在工件上某一点的磁场 H 为这两个分磁场 的矢量合成。 其大小为:H =H 2 +H 2 xysin2 (w t + a0 ) + sin2(w t + a0 ) + a(3)= H 0合成矢量的相位角 为:s in(w t +a a 0 ) += tg - 1 (H y ) =tg - 1s in (w t + a 0 )H x = tg - 1cosa - s in a c tg (w t + a 0 ) (4)由
7、(3)、(4) 式可以看出: 合成磁场的磁场强度保持不变, 磁场指向则在一个平面内随时间变化而作 旋转运动。 旋转磁场因此而得名, 如图 2 所示。 下面我们进行具体分析: 设相位差 a = /2, 则由 (3) 式得到:R 1 周向磁场矢量 L 1 纵向磁场矢量 G1 旋转磁场矢量 图 2 旋转磁场的产生旋转磁场的探伤性能由 ( 5) 式可以看出, 旋转磁场的磁场强度 H2与sin2 (w t + a0 ) + sin (w t + a0 ) cosa + cos (w t + a0 ) sina2H = H 0分磁场的磁场强度 H x 或 H y 在幅值上是相等的。而 通常使用的旋转磁场探
8、伤仪正是由十字相交的电磁 轭所制成的。 因此, 我们分析旋转磁场的探伤性能, 就应该着重考虑其组成要素 电磁轭的探伤性 能。在 JB 473094压力容器无损检测 中对电磁 轭的探伤性能有如下要求:“11131115b 当电磁轭极s in 2 (w t +cos2 (w t +a 0 ) +a 0 )= H 0= H 0 (常值) 由 (4) 式得:= -(w t +(5)a 0 )(6)由 此得出, 当相位差 a = 时, 合成磁场的幅 2 值为常值 H 0 , 合成磁场的相位角 与分磁场 H x 的间距为 200mm 时, 交流电磁轭至少应有 44N的提 相位角 (w t +a 0 ) 数
9、值相等, 方向相反。 这就是说, 当升力。 ” 下面我们着重分析电磁轭的提升力所关联的无损探伤(双月刊)2001 年第 2 期10因素。通常使用的电磁轭如图 3 所示。 现在计算电磁 轭的提升力。 图中电磁轭是由 型软磁钢芯绕有激 磁绕组制成的。 当绕组中通有电流后, 电流所产生的 磁通便经由钢芯、 空气隙和位于电磁轭下面的钢板 而形成磁回路。(9) 式中的负号表示该力有使空气隙缩短的趋势, 即体现为提升力。 这样, 电磁轭的提升力就为:B 2 S(10) 之间的关F = 2f =0 考虑到磁感应强度 B与磁场强度 H系:B = H(11) 式中 媒质磁导率及相对磁导率 rr =(12)0 电
10、磁轭的提升力可表示为:F = 2 0 H 2 S(13)r 图 3 电磁轭公式 (13) 表明: 电磁轭的提升力与铁磁物质的相对磁导率、 铁芯截面积以及外加磁场强度有关。 当 铁芯材料及其截面积选定后, 电磁轭的提升力就只 与外加磁场强度的平方成正比。在前面的分析中, 已经得出结论: 旋转磁场的磁 场强度与分磁场矢量的磁场强度在幅值上是相等 的, 旋转磁场的分磁场矢量是由其组成要素 电磁轭所提供的。 因此, 我们可以肯定: 当铁芯材料及 其截面积选定后, 旋转磁场的提升力就只与其一个 分磁场矢量的外加磁场强度的平方成正比, 亦即旋 转磁场的提升力与其组成要素 任意一个电磁轭 的提升力是相等的。
11、设电磁轭两端磁极的截面积为 S, 空气隙的长 度为 L , 并且假设空气隙中的磁场作均匀分布。 我们知道: 磁场中当各载流回路中的电流保持 不变, 即 IK = 常数时, 磁场力所作的功在数值上等 于磁场能量的增量。 当与各电流回路相交链的磁链不变, 即 7 K =常数时, 磁场力作功只能靠系统内磁 场能量的减少来完成。应 用磁学中求广义磁场力的方法 虚位移 法, 得出磁场力 f : 5W m5W mf = - 7 K = 常数 = + I K = 常数(7)5g5g 式中I K 回路中的电流 7 K 电流回路相交链的磁链W m 磁场能量结论综上所述, 我们选用旋转磁场进行磁粉探伤时, 理应对
12、旋转磁场的探伤性能有所要求。 通过理论分 析, 我们认为: 旋转磁场的探伤性能应该用提升力来 衡量。 因此, 我们选用旋转磁场对锅炉压力容器进行 磁 粉 探 伤 时, 旋 转 磁 场 的 提 升 力 最 低 不 得 低 于 JB 473094压力容器无损检测 中对交流电磁轭 之提升力的要求, 即旋转磁场至少应有 44N 的提升 力。3由于电磁轭的钢芯内部磁场强度很小, 故贮存在铁磁物质中的磁场能量远小于贮存在空气隙中的 磁场能量, 因而钢芯内磁场能量可以忽略不计。 贮存在每个空气隙中的磁场能量为:B 2(8)W m = 2 S l 0 式中B 磁感应强度0 真空磁导率运用公式 (7) , 求出作用在每个磁极上的磁场力 为: 5W mB 2 S(9)f = - 7 = 常数 = -5l20
