金属电磁检测关键技术的研究

论文摘要

在钢条的生产过程中,温度分布和冷却速率对于钢铁的微观结构有着非常重要的影响,从而影响到屈服强度、抗拉强度以及可延展性等材料特性,因此对能够在线监测钢铁微观结构的仪器提出了迫切的需求。钢铁各相含量的变化过程中伴随着明显的电磁特性的转变,而电磁感应测量技术和电磁层析成像(EMT)技术能够同时获得物场的电导率和(或)磁导率的分布信息,并且具有测量时非浸入和非接触的特点,因此,在这一工业领域必将有着广阔的应用前景。本课题研究了金属电磁特性与传感器输出之间的关系,设计并实现了一套数字化电磁感应测量系统,为最终应用EMT技术实现钢铁微结构的在线监测奠定了基础。本课题开展完成了如下的研究工作:1、在钢铁生产过程中应用电磁测量技术的关键是要解决钢铁微结构、电磁特性和传感器输出三者之间的关系。本文在理论上对三者之间的关系进行了初步研究,并对轴对称型传感线圈处于被测金属板上方的情况进行了深入研究,得出了传感器输出与各种参数之间的解析表达关系。2、设计并实现了一套基于FPGA的电磁感应测量系统。该系统是以FPGA为核心,具有灵活的混频激励模式,同时对感应电压和激励电流两路信号进行测量,从而得到感应电阻抗的信息。基于FPGA的数字解调能够精确的获得被测信号的幅值和相位,具有结构灵活和速度高等特点。3、在此硬件平台的基础上,进行了一系列可行性实验研究。首先,对已知的电阻和电容进行的测量充分说明了此测量系统较高的精确度。然后,对多种金属板进行了测量实验,验证了电导率、磁导率、金属板厚度和提离距离对传感器输出的影响,理论和实践达到了较好的一致性。最后,针对进一步的研究和硬件系统存在的不足,提出了一些建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢铁生产的检测目的和方法
• 1.2 电磁检测技术
• 1.3 电磁层析成像（EMT）技术
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.5 本论文的组织
• 第二章 金属电磁检测的理论基础
• 2.1 电磁感应测量
• 2.1.1 工程电磁场基本理论
• 2.1.2 电磁感应测量原理
• 2.1.3 电磁感应测量的问题
• 2.2 金属的电磁特性
• 2.2.1 金属材料的导电特性
• 2.2.2 金属材料的导磁特性
• 2.3 金属电磁特性与传感器输出
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 矢量磁位的计算
• 2.3.3 物理现象的计算
• 2.4 EMT正问题
• 第三章 电磁感应测量系统的设计与实现
• 3.1 测量系统的整体结构
• 3.1.1 系统硬件电路整体结构
• 3.1.2 FPGA系统软件整体结构
• 3.2 FPGA系统硬件电路的设计
• 3.3 混频激励信号的产生
• 3.3.1 激励产生单元的硬件结构
• 3.3.2 激励信号的软件设计
• 3.3.3 混频的考虑与设计
• 3.4 传感线圈的设计与实现
• 3.4.1 线圈的结构
• 3.4.2 线圈的制作
• 3.5 检测通道的设计与实现
• 3.5.1 信号的差分放大
• 3.5.2 信号调理电路
• 3.5.3 信号采集电路
• 3.6 数字解调
• 3.6.1 数字解调原理
• 3.6.2 数字解调的实现
• 3.7 FPGA与PC的数据传输
• 第四章 电磁感应测量的初步实验
• 4.1 电磁感应测量系统的标定和阻抗测量
• 4.2 金属板电磁特性的仿真研究
• 4.3 金属板电磁特性的测量实验
• 4.3.1 实验简介
• 4.3.2 实验结果及分析
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢