智能型電磁無(wú)損檢測(cè)儀的研制

胡方強(qiáng)

（南京工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 210009）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，尤其在航空航天，能源交通，石油化工等行業(yè)，對(duì)使用鋼鐵材質(zhì)的機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，特別是鋼鐵材質(zhì)零件在熱處理后的硬度，表面硬化層深度（如滲碳層深度，高頻淬火層深度）以及判別組織以及分選混料等方面，更是要求其產(chǎn)品百分百的全檢。一些常用的檢測(cè)手段，如火花鑒別混料分選，或用布洛維硬度計(jì)檢測(cè)硬度和化學(xué)分析等方法，均存在人力成本高，人為因素影響大，速度慢以及對(duì)工件有損等許多缺陷[1]。本文所述的電磁無(wú)損檢測(cè)儀依據(jù)磁導(dǎo)率法，可以對(duì)鋼鐵材質(zhì)工件在硬度，混料等缺陷進(jìn)行快速地定性甚至定量的無(wú)損檢測(cè)，在檢測(cè)靈敏度和配套功能上比起以往同類產(chǎn)品有了很大地改進(jìn)。

1 電磁無(wú)損檢測(cè)原理的分析

電磁無(wú)損檢測(cè)的基本原理就是利用被測(cè)鋼鐵材質(zhì)工件的性能（如硬度，滲層深度等）與材料的某些物理量（包括磁導(dǎo)率，矯頑力等）之間在相應(yīng)范圍所具有的對(duì)應(yīng)關(guān)系。基于所應(yīng)用的物理量種類不同，檢測(cè)的方法也多種多樣[2]。此處應(yīng)用的是鋼鐵材質(zhì)工件的磁導(dǎo)率，即所謂的磁導(dǎo)率法。磁導(dǎo)率法按電源類型分直流法和交流法。直流法速度慢，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化故很少應(yīng)用。而交流磁導(dǎo)率法又分中強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率法和弱磁場(chǎng)下的初始磁導(dǎo)率法，前者因?yàn)楣ぜ呕瘏^(qū)多處于巴克豪森跳躍區(qū)，對(duì)電源要求很高。而初始磁導(dǎo)率法中工件的磁化區(qū)處于可逆的疇壁位移區(qū)，磁導(dǎo)率處于隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升而上升的區(qū)域，避免了上述問(wèn)題，故被廣泛應(yīng)用。

磁導(dǎo)率無(wú)法直接測(cè)量得到，而必須應(yīng)用電磁感應(yīng)的原理，提取能夠反映磁導(dǎo)率的大小同時(shí)又能被檢測(cè)的信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行間接測(cè)量，具體檢測(cè)原理如圖1所示：

當(dāng)在空芯激勵(lì)線圈中通以交流激磁電流后，在線圈內(nèi)就產(chǎn)生軸向交變磁場(chǎng)。這樣，處在同軸的測(cè)量線圈中產(chǎn)生一感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓大小受線圈直徑，匝數(shù)，激磁電流的頻率及大小，有無(wú)工件，剛鐵件的特性等多個(gè)因數(shù)的影響。當(dāng)除鋼鐵件以外的所有客觀因數(shù)確定以后，則該感應(yīng)電壓只與鋼鐵件特性有關(guān)[3]，而針對(duì)同類鋼鐵件（即幾何外形，生產(chǎn)工序一致），則該感應(yīng)電壓就只與鋼鐵件的磁導(dǎo)率相關(guān)了。這樣，在根據(jù)鋼鐵件的成分及機(jī)械性能與磁導(dǎo)率之間的相關(guān)性，間接測(cè)量諸如硬度等性能指標(biāo)以及對(duì)鋼鐵混料的分選。

2 檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)整體框圖如圖2所示：

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)控制器采用Cygnal公司的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)C8051F020，其片內(nèi)資源十分豐富，所集成的64KROM，4KBRAM以及12位AD等完全能滿足本儀器功能的需求，從而使儀器在成本，體積以及可靠性上具有了很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì) 。其次儀器采用4*4的掃描鍵盤，以及320*240的點(diǎn)陣LCD模塊（自帶控制器SED1335），使得人機(jī)交互十分方便。另外串行擴(kuò)展的EEPROM24C512可以掉電保存一定量的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，供查詢操作界面調(diào)用，也可由POS打印機(jī)輸出，便于實(shí)際生產(chǎn)的管理。

系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是測(cè)量電路，其由激磁信號(hào)，檢測(cè)電路以及信號(hào)調(diào)理電路三部分組成。

1）激磁信號(hào)：由信號(hào)源加放大電路組成，信號(hào)源為單片機(jī)發(fā)出的頻率和大小可調(diào)的方波信號(hào)，其具有較高的信噪比，可以很大程度上降低檢測(cè)電路的噪聲[5]。激磁信號(hào)頻率和強(qiáng)度與信號(hào)有效滲透深度，磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)密切相關(guān)，對(duì)檢測(cè)性能起關(guān)鍵性作用。頻率越高，靈敏度越高，但線性度變差，一般來(lái)說(shuō)，頻率上限不宜超過(guò)1KHz。

圖3 檢測(cè)電路

2）檢測(cè)電路：磁導(dǎo)率法按其測(cè)量線圈（俗稱探頭）的個(gè)數(shù)可分單探頭法和雙探頭法，后者又稱差動(dòng)法，以其測(cè)量靈敏度高而被廣泛采用。其原理框圖如圖3所示：

線圈的制作形式又分螺線管式，U型和筆式三種，探頭形式和大小的選擇應(yīng)依據(jù)測(cè)量要求來(lái)確定，原則上盡量選擇螺線管式的，因其重復(fù)性和靈敏度要比后兩者要好。激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈的匝數(shù)比在1：5以內(nèi)，線圈匝數(shù)越多靈敏度越高但線性度越差，且容易受到干擾，匝數(shù)總數(shù)不宜超過(guò)5000圈。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

圖5 程序流程圖

3）信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)的整流，濾波，放大，電平調(diào)整，其主要電路如圖4所示。

整流電路采用常見(jiàn)的橋式全波整流（圖4未畫）。由于在檢測(cè)電路中置入不同工件所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之差在毫伏級(jí)，故需要引入信號(hào)放大電路，其放大倍數(shù)一般在100～500以內(nèi)。圖4中采用集成運(yùn)放器OP07，其輸出信號(hào)經(jīng)電阻分壓，以及濾波電路后得到較穩(wěn)定的雙極性電壓信號(hào)（-1.5V～+1.5V）。而由于系統(tǒng)采用的單片機(jī)所集成的A/D是單極性（0V～3.3V），故在信號(hào)送入A/D前需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，以滿足A/D的輸入要求[6]。

3 檢測(cè)儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)磁導(dǎo)率法及相關(guān)試驗(yàn)表明，檢測(cè)儀所測(cè)得電信號(hào)大小與鋼鐵材質(zhì)性能（如硬度等）存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，且很多情況下是單值關(guān)系。因此檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼鐵材質(zhì)的混料，硬度等缺陷進(jìn)行定性分選，具體操作就是要求先選定上下限的標(biāo)準(zhǔn)樣件，通過(guò)檢測(cè)儀得到對(duì)應(yīng)測(cè)量值，作為對(duì)應(yīng)上下限值保存在儀器中，然后對(duì)所需測(cè)量工件進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量值在上下限內(nèi)則為合格，否則為不合格。同時(shí)檢測(cè)儀也可以定量檢測(cè)鋼鐵件的硬度，具體就是先選擇若干已知硬度值的標(biāo)準(zhǔn)試樣，通過(guò)檢測(cè)儀得到對(duì)應(yīng)儀器測(cè)量值，在測(cè)量值與硬度值單值關(guān)系的前提下，利用最小二乘法進(jìn)行一元線性回歸，得到直線方程：y=a+bx，這樣就可以得到所需測(cè)量工件的硬度值[7]。

根據(jù)以上分析及儀器功能要求，本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)可分為幾大功能模塊：1）參數(shù)設(shè)置模塊：包括信號(hào)頻率及強(qiáng)度的設(shè)置，操作員工號(hào)及數(shù)據(jù)是否統(tǒng)計(jì)及保存參數(shù)，上下限值的設(shè)置，是否計(jì)算硬度值等參數(shù)；2）鍵盤及顯示模塊；3）參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)查詢及打印模塊；4）檢測(cè)功能模塊：包括硬度分選，混料分選，裂紋分選。限于篇幅，下面僅給出硬度分選功能模塊的流程圖，如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本檢測(cè)儀在與南京某無(wú)損檢測(cè)設(shè)備有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)下，已通過(guò)測(cè)試并進(jìn)入批量生產(chǎn)。測(cè)試表明，該儀器具有操作簡(jiǎn)單，功能可靠，分選精度高，速度快（超過(guò)1000件/小時(shí)）等特點(diǎn)，可以為應(yīng)用廠家很好地提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 康宜華,宋凱,楊建桂等.幾種電磁無(wú)損檢測(cè)方法的工作特征[J].無(wú)損檢測(cè),2008,(12):928-930.

[2] 任吉林.電磁無(wú)損檢測(cè)的新進(jìn)展[J].無(wú)損探傷,2001,(5):1-4.

[3] 張迎新.C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

[4] 康宜華,武新軍.數(shù)字化勵(lì)磁無(wú)損檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 陳建能,萬(wàn)靜,何云斌,等.基于DSP技術(shù)的電磁無(wú)損檢測(cè)儀的研究[J].無(wú)損探傷,2005,(4):32-34.