基于模塊組合式陣列的三維漏磁檢測系統(tǒng)

邱忠超，張衛(wèi)民，楊秀江

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

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基于模塊組合式陣列的三維漏磁檢測系統(tǒng)

邱忠超，張衛(wèi)民，楊秀江

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

為了研究陣列傳感器在試件上大面積掃查檢測的問題，研制了一種基于模塊組合式AMR磁阻傳感器陣列的三維弱磁信號檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)相同的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，每個(gè)模塊可同時(shí)采集X、Y、Z三個(gè)方向的磁信號。對含預(yù)制裂紋的16MnR鋼平板試件進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)，并采集試件表面的磁信號。結(jié)果表明：可重配置式三維陣列探頭對表面裂紋具有較高的靈敏度，并對亞表面裂紋具有一定的辨識能力；三維陣列探頭可有效擴(kuò)大檢測范圍，并通過對磁陣列信號成像可得到裂紋的形狀及所處的位置信息。

漏磁檢測；AMR；磁阻傳感器；模塊組合式；傳感器陣列；磁成像

0 引言

漏磁檢測是指利用磁源對被測材料進(jìn)行局部磁化時(shí)，如果材料表面存在缺陷，則局部區(qū)域的磁導(dǎo)率降低，磁化場將有一部分從此區(qū)域外泄出來，形成可檢測的漏磁信號，通過傳感器采集表面的磁場變化來反映試件狀態(tài)[1-2]。目前，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對于檢測技術(shù)的效率、自動化程度等要求越來越高，缺陷檢測中的單點(diǎn)測量已經(jīng)無法滿足工業(yè)發(fā)展的需要。

近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電磁陣列式傳感器因其檢測效率高、信號豐富及便于成像顯示等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視[3-4]。相比于單傳感器檢測，陣列式傳感器滿足大面積試件快速掃描的檢測任務(wù)需求，且不易產(chǎn)生漏檢[5]。

為了實(shí)現(xiàn)三維磁場的檢測,采用磁阻傳感器HMC1021和HMC1022組合構(gòu)成三維磁場測量標(biāo)準(zhǔn)探頭模塊，并將16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊組合成4×4的陣列式結(jié)構(gòu)。對含不同預(yù)制裂紋寬度的16MnR鋼平板試件進(jìn)行檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效檢測裂紋缺陷，并研究裂紋幾何參數(shù)變化對漏磁信號的影響，最后對所得磁陣列信號進(jìn)行磁成像處理。

1 三維陣列漏磁檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三維陣列漏磁檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)漏磁檢測系統(tǒng)的主要區(qū)別是，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測模塊中放置了2個(gè)傳感器，其中兩軸傳感器HMC1022拾取X、Y方向磁場分量，單軸傳感器HMC1021拾取Z方向磁場分量。通過模塊式陣列組合，使其可同時(shí)記錄大面積試件表面上泄漏磁力線的三維分量。檢測系統(tǒng)主要包括基于AMR磁阻傳感器的三維陣列傳感器探頭、磁化裝置、置位電路、放大濾波電路、采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)后置處理等，如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)示意圖

1．1 模塊組合式傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AMR磁阻傳感器HMC1021與HMC1022采用惠斯通電橋原理檢測環(huán)境磁場的變化。由于其具有靈敏度高、體積小、可靠性高、工作頻率寬等特點(diǎn)，近年來在測量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]。

為了同時(shí)測量磁場的三維分量，采用1個(gè)HMC1021和1個(gè)HMC1022組成標(biāo)準(zhǔn)檢測單元模塊，傳感器和磁場的位置關(guān)系如圖2(a)所示。將16個(gè)單元模塊通過安裝槽組裝成4×4陣列結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

(a)傳感器和磁場的位置關(guān)系

(b)陣列探頭實(shí)物圖圖2 三維陣列探頭

由于傳感器陣列以標(biāo)準(zhǔn)模塊方式組合，因此出現(xiàn)故障時(shí)可快速進(jìn)行更換和維修，同時(shí)可根據(jù)檢測需要對探頭數(shù)量和位置進(jìn)行重新調(diào)整和配置。

1．2 調(diào)理電路

為了保持HMC1021/HMC1022磁阻傳感器的靈敏度[7]，防止傳感器被周圍強(qiáng)磁場磁化后靈敏度降低而導(dǎo)致檢測性能下降的情況發(fā)生，選用置位電路施加脈沖電流，通過這一瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場來恢復(fù)或保持傳感器特性。首先使用NE555芯片產(chǎn)生一定頻率和占空比的方波，經(jīng)過SN74CH04CN整形電路對方波進(jìn)行整形，然后通過1個(gè)三極管功率放大電路增加電流,經(jīng)過場效應(yīng)管IRF7106得到脈沖消磁電路。最后，磁信號經(jīng)OP4177集成運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,其安裝體積小、放大通道多,特別適用于陣列多路信號的放大處理。

1．3 數(shù)據(jù)采集部分

處理后的模擬信號需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才能使計(jì)算機(jī)采集，選用UA307型A/D采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選用面向?qū)ο蟮腣isual C++ 6．0 編寫人機(jī)交互界面，完成采集卡與計(jì)算機(jī)之間的通訊、數(shù)據(jù)的采集與整理、數(shù)據(jù)的有序存儲及后續(xù)處理，如圖3所示。

圖3 采集處理程序界面

該程序的主要功能包括：標(biāo)定選擇、單點(diǎn)或多點(diǎn)采集、多通道多點(diǎn)采集、數(shù)據(jù)保存與顯示、采集參數(shù)及顯示設(shè)置等。同時(shí)，軟件具有采集曲線即時(shí)顯示功能，方便試驗(yàn)中觀察檢測效果，并且在底部增加了狀態(tài)欄，用來指示采集過程及數(shù)據(jù)是否完成保存。

2 裂紋漏磁檢測實(shí)驗(yàn)

選取低合金壓力容器用鋼16MnR鋼作為試驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)采用的平板試件尺寸為長400 mm、寬50 mm、厚5 mm，采用電火花加工在試件中心位置依次加工4個(gè)槽形缺陷。其中，4個(gè)槽形缺陷的長度、深度一致(長10 mm、深1 mm)，寬度依次為0．08 mm、0．10 mm、0．15 mm和0．2 mm。試驗(yàn)前，將試件平放在磁激勵(lì)臺上，采用人工磁化的方式對試件進(jìn)行磁場激勵(lì)，如圖4所示。

圖4 勵(lì)磁條件下檢測示意圖

試驗(yàn)時(shí)，首先將帶裂紋一側(cè)朝上平放在U型勵(lì)磁裝置上，此時(shí)相當(dāng)于檢測試件表面裂紋。給勵(lì)磁裝置通電后平板試件與勵(lì)磁裝置構(gòu)成了勵(lì)磁回路，并可通過調(diào)節(jié)電流大小來改善勵(lì)磁回路中的磁場強(qiáng)度。然后，將三維陣列探頭通過連接板安裝在三維掃描臺上，掃描臺使用Arc1505板卡控制，經(jīng)伺服系統(tǒng)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動來控制X方向、Y方向移動。將探頭與試件的提離高度固定為5 mm，由掃描臺控制三維陣列探頭沿試件長度方向移動，同時(shí)傳感器采集三維磁信號。采集完畢后，關(guān)閉U型勵(lì)磁裝置電源，將試件反向放置，即試件帶裂紋側(cè)朝下平放，此時(shí)相當(dāng)于檢測試件距表層深度為4 mm的亞表面裂紋，重復(fù)上述步驟。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析

為了獲得試件在矩形槽處的磁信號掃描成像圖，將所得磁信號進(jìn)行多尺度離散小波分析，之后對信號采用不同的小波基函數(shù)進(jìn)行不同層數(shù)的分解，最后對低頻信號進(jìn)行重構(gòu)[8]，具體過程如圖5所示。

圖5 多尺度離散小波分析流程圖

分析檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管不同裂紋缺陷尺寸下漏磁信號的幅值不同，但基本呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，以寬度為0．08 mm的裂紋檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于硬件系統(tǒng)沒有低通濾波環(huán)節(jié)，因此初始信號由于脈沖消磁/置位信號作用，毛刺較多，采用軟件濾波方法消除?？梢钥闯?，通過12層的小波濾波后，能夠有效去除信號中存在的高頻干擾，得到裂紋缺陷引起的磁場變化波形。

在勵(lì)磁情況下，當(dāng)三維陣列探頭掃描過裂紋缺陷時(shí)，磁場沿Z方向具有1個(gè)波峰與1個(gè)波谷。圖6為裂紋寬度為0．08 mm時(shí)Z方向的磁信號分布，其中，圖6(a)為裂紋缺陷正面檢測信號圖，圖6(b)為裂紋缺陷背面檢測信號圖。

(a)正面

(b)背面圖6 Z方向裂紋缺陷信號分布圖

根據(jù)漏磁檢測理論，Z方向的缺陷漏磁信號為信號正峰值和副峰值相間的形態(tài)，而缺陷位置對應(yīng)于兩峰值中間的位置，直接利用Z方向漏磁信號成像，如圖7(a)所示。

(a)磁場分布圖

(b)閾值處理后梯度圖圖7 試件背面Z方向漏磁成像圖

如圖7(a)所示，缺陷位置不夠直觀，成像效果不合乎人眼觀察習(xí)慣。為此，對Z方向漏磁信號做梯度運(yùn)算處理。由于檢測信號很微弱，為了盡量剔除干擾信號影響，設(shè)定一定閾值，只允許缺陷信號較大峰值通過，之后進(jìn)行放大處理，即可得到背景干凈的漏磁信號圖像,成像結(jié)果如圖7(b)所示，梯度信號如圖8所示。

X、Y方向信號成像比較符合人眼習(xí)慣，一般無需做特殊處理，但本文例中缺陷漏磁信號太微弱，為了有效剔除噪聲影響，也進(jìn)行了與處理Z向信號類似的信號處理步驟，試件正面0．08 mm寬裂紋的磁信號分布與成像圖如圖9、圖10、圖11所示，試件背面裂紋信號太微弱，無法有效檢出，考慮到裂紋走向，只選擇靈敏度較高的Y方向成像。

(a)正面

(b)背面圖8 Z方向裂紋信號梯度波形圖

圖9 試件正面Y方向信號分布圖

由上述實(shí)例可以看出，該檢測系統(tǒng)不但能夠有效判斷試件表面微小裂紋的存在，而且對亞表面微小裂紋也有較高的識別能力。

圖10 試件正面Y方向磁信號梯度圖

(a)磁場分布圖

(b)閾值處理后梯度圖圖11 試件正面Y方向漏磁成像圖

4 結(jié)論

(1)研制了一種基于AMR磁阻傳感器的漏磁檢測三維陣列探頭，該探頭可同時(shí)采集試件表面上的三維磁場信號，并且可根據(jù)工程需要對探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新配置。

(2)該系統(tǒng)不僅能檢測表面缺陷，還能檢測亞表面缺陷。但值得指出的是，這種漏磁成像方法僅能對缺陷實(shí)現(xiàn)定性檢測，缺陷圖像尺寸和缺陷尺寸之間，還沒有明確的定量對應(yīng)關(guān)系；關(guān)于利用本設(shè)備進(jìn)行缺陷尺寸定量化研究，還有待于后續(xù)深入研究。

(3)Z方向信號和X或Y方向信號相比，必須經(jīng)過信號二次處理，才能形成符合人眼辨識習(xí)慣的圖像，但是Z方向信號比X或Y方向信號對缺陷反映更靈敏，以0．08 mm寬的微裂紋為例，亞表面裂紋信息Z方向可以檢出，Y方向則不能。

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3D Weak Magnetic Signals Detecting System Based on Module Combination Array

QIU Zhong-chao,ZHANG Wei-min,YANG Xiu-jiang

(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

In order to study detection problems of the array sensor when scanning on the large area,the system based on AMR magneto-resistive sensor of module combination type was designed and produced to detect magnetic signals．The system was composed of standard modules with the same structure and each unit may pick upX,Y,Zthree-dimensional magnetic signals．The 16MnR steel specimen which contained cracks was detected by the system,collectingX,Y,Zarray magnetic signals．The results show that,the system has high sensitivity,and can recognize the surface crack in some way．The probe can also effectively expand the inspection scope．Meanwhile,the shape and position information of cracks can be obtained through imaging of the magnetic array signals．

magnetic flux leakage testing； AMR； magneto-resistive sensor;module combination ；sensor array；magnetic imaging

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275048)

2014-09-27 收修改稿日期:2015-02-11

TH140．7

A

1002-1841(2015)07-0010-04

邱忠超(1987—)，博士研究生，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測。 E-mail：448347664@163．com