基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無(wú)損檢測(cè)儀

Nondestructive Detector Based on Eddy Current Effect for Gear Blanks

孫　燕　董浩斌　葛　健

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢　430074)

基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無(wú)損檢測(cè)儀

Nondestructive Detector Based on Eddy Current Effect for Gear Blanks

孫燕董浩斌葛健

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074)

摘要：針對(duì)超聲波在齒輪裂縫檢測(cè)過(guò)程中操作復(fù)雜、成本高的問(wèn)題，研究實(shí)現(xiàn)了基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無(wú)損檢測(cè)儀。為提高檢測(cè)可靠性和精度，設(shè)計(jì)了一種馬蹄型激勵(lì)線圈和巨磁阻元件構(gòu)成的專(zhuān)用渦流傳感器。通過(guò)COMSOL有限元軟件仿真，輔助確定傳感器的各個(gè)參數(shù)；提出了將正交鎖相放大器應(yīng)用于渦流無(wú)損檢測(cè)的方案。通過(guò)被測(cè)信號(hào)的幅值和相位，有效抑制了提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，成功檢測(cè)到齒輪毛坯件表面的裂縫。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可檢測(cè)深度大于0.5 mm的裂縫，具有較高的靈敏度和可靠性。

關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè)渦流正交鎖相有限元分析COMSOL提離效應(yīng)

Abstract：Aiming at the problems existing in cracks detection process for gears by using ultrasonic, e.g., high cost and complex operation, the nondestructive detector based on eddy current effect for gear blanks is researched. In order to enhance the reliability and accuracy of the detection, dedicated eddy current sensor that is consists of horseshoe excitation coil and giant magneto resistance element is designed; various parameters of the sensor are determined through COMSOL finite element software simulation, and the scheme of applying orthogonal lock-in amplifier in eddy nondestructive detection is proposed. By detecting the amplitude and phase of the measured signal, the influence of lift-off effect on testing result is effectively suppressed, and the cracks on surface of gear blank can be detected successfully. The test results show that the system can detect the cracks with the depth of larger than 0.5mm; it possesses higher sensitivity and reliability.

Keywords：Nondestructive detectionEddy currentOrthogonal phase lockedFinite element analysisCOMSOLLift-off effect

0引言

齒輪是各交通工具和工業(yè)設(shè)備中的必要零件，其在生產(chǎn)焊接過(guò)程中可能存在未焊透、夾雜物、未熔合等現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生裂縫[1]，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，嚴(yán)格控制齒輪質(zhì)量，對(duì)避免災(zāi)難性事故的發(fā)生具有重要意義。齒輪的生產(chǎn)包括多個(gè)流程，若能在齒輪毛坯件階段檢測(cè)出裂縫，便可節(jié)約后續(xù)操作，節(jié)約時(shí)間與資本。當(dāng)前普遍應(yīng)用的檢測(cè)方法有超聲波法、射線法和磁粉法，然而超聲波檢測(cè)需要對(duì)齒輪進(jìn)行打磨拋光、涂抹耦合劑，操作復(fù)雜；射線輻射危害人體健康；磁粉檢測(cè)同樣需要清潔試件[2]，均不適用。

基于此，提出基于渦流無(wú)損檢測(cè)的齒輪毛坯件裂縫檢測(cè)方法，該方法檢測(cè)速度快，靈敏度高[3]。渦流傳感器是構(gòu)成渦流檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的好壞起著重要的作用。傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)通常采用棒型激勵(lì)線圈產(chǎn)生激勵(lì)場(chǎng)，采用檢測(cè)線圈檢測(cè)磁場(chǎng)變化[4]，靈敏度低。針對(duì)齒輪毛坯件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了馬蹄型傳感器，并采用巨磁阻傳感器代替檢測(cè)線圈，提高了檢測(cè)靈敏度[5]。基于正交鎖相放大器的檢測(cè)電路，不僅增強(qiáng)了微弱信號(hào)的提取能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了幅值和相位的測(cè)量。當(dāng)傳感器在齒輪表面移動(dòng)時(shí)，觀察幅值和相位的變化，判斷裂縫的存在，有效抑制提離效應(yīng)引入的干擾[6]，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。

1渦流無(wú)損檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是建立在法拉第電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的無(wú)損檢測(cè)方法，其原理如圖1所示。

圖1　渦流無(wú)損檢測(cè)原理

在激勵(lì)線圈中通入交變電流，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)激勵(lì)線圈靠近被檢工件時(shí)，工件表面會(huì)感生出渦流，渦流產(chǎn)生一個(gè)與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)。若金屬工件存在缺陷，渦流感生磁場(chǎng)的強(qiáng)度及分布會(huì)改變,導(dǎo)致疊加總磁場(chǎng)發(fā)生變化[7]；磁敏元件感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，并將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；通過(guò)觀察電信號(hào)的變化判斷是否存在裂縫。

進(jìn)一步研究磁場(chǎng)在空間及工件中的分布，列出磁場(chǎng)滲透方程：

2H=jωμσH

(1)

為方便研究，只觀察Z軸方向磁場(chǎng)分布，其磁場(chǎng)分布如式(2)所示：

(2)

解得：

(3)

由此可見(jiàn)，磁場(chǎng)由實(shí)部和虛部組成，磁場(chǎng)的幅值隨著磁場(chǎng)進(jìn)入導(dǎo)體深度的增加而呈指數(shù)減小，同時(shí)磁場(chǎng)相位滯后。

因此，可通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的幅值和相位變化來(lái)檢測(cè)工件存在裂縫時(shí)總磁場(chǎng)的變化。

2電渦流傳感器設(shè)計(jì)

渦流傳感器是系統(tǒng)的核心，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同,其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同,類(lèi)型繁多。

2.1　渦流傳感器物理模型

根據(jù)渦流檢測(cè)原理,傳感器首先需要一個(gè)激勵(lì)線圈,以便交變電流通過(guò)并在其周?chē)褪軝z工件內(nèi)激勵(lì)形成電磁場(chǎng)；同時(shí),需要磁敏元件，以拾取磁場(chǎng)的變化，如霍爾元件、磁敏二極管、檢測(cè)線圈等，以反映工件各種特征。

傳感器結(jié)構(gòu)模型具體如圖2所示。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)模型

2.2　傳感器最佳激勵(lì)頻率選擇

趨膚效應(yīng)是影響渦流檢測(cè)深度的關(guān)鍵因素。它是指導(dǎo)體表面的交變電流密度大于導(dǎo)體內(nèi)部電流密度的現(xiàn)象。選取電流密度衰減到其表面值的1/e時(shí)的滲透深度作為渦流在導(dǎo)體內(nèi)的趨膚深度。如式(4)所示。

(4)

式中：σ為金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率；μ為金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；f為線圈上激勵(lì)信號(hào)的頻率。

趨膚深度與激勵(lì)頻率密切相關(guān)，頻率越大，滲透深度越小，只能檢測(cè)工件淺表面的裂縫。但是，若激勵(lì)頻率過(guò)低，會(huì)使線圈與導(dǎo)體之間的能量耦合效率降低，從而降低渦流檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。因此在實(shí)際渦流檢測(cè)中，要綜合考慮靈敏度與檢測(cè)深度，擇中選擇恰當(dāng)?shù)募?lì)頻率。

2.3　傳感器參數(shù)有限元分析

影響渦流無(wú)損檢測(cè)的因素很多，除上述激勵(lì)頻率外，還包括工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀；缺陷形狀、尺寸和位置；渦流傳感器的尺寸和形狀；工件與傳感器之間的距離[8]。

為了得到以上因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，就必須知道反磁場(chǎng)的空間分布規(guī)律,即研究被測(cè)導(dǎo)體上的渦流分布規(guī)律。這是一個(gè)極其復(fù)雜難解的三維渦流方程的問(wèn)題[9]。

為此，引入有限元分析法，一方面，通過(guò)有限元仿真可以模擬渦流傳感器作用下磁場(chǎng)和渦流的分布，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中看不到的現(xiàn)象；另一方面，通過(guò)有限元法對(duì)渦流傳感器不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行仿真,優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)。設(shè)置激勵(lì)電流為1A，激勵(lì)線圈為100匝，仿真結(jié)果如圖3所示。圖中的面表示渦流密度(A/m2)，流線表示磁通量密度(T)。

圖3(a)、圖3(b)分別為激勵(lì)頻率為100Hz、1 000Hz時(shí)工件附近磁場(chǎng)的分布和工件表面的渦流強(qiáng)度分布。由圖可以看出，激勵(lì)頻率越低，磁場(chǎng)的滲透深度越深，渦流強(qiáng)度越低，有利于檢測(cè)深處的縫隙，但不利于傳感器的靈敏度。因此，必須根據(jù)實(shí)際待檢測(cè)工件的特性，選擇合適的激勵(lì)頻率。

進(jìn)一步改變傳感器半徑、高度等參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

對(duì)比圖3(a)和圖3(c)可看出，增加傳感器的高度，渦流強(qiáng)度減小，不利于靈敏度；對(duì)比圖3(a)和圖3(d)可看出，傳感器的半徑越大，檢測(cè)的范圍越大，但靈敏度降低；對(duì)比圖3(a)和圖3(e)可知，當(dāng)激勵(lì)線圈從100匝增至1 000匝時(shí)，渦流強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的10倍；對(duì)比圖3(a)和圖3(f)可知，當(dāng)傳感器離工件表面的距離增大時(shí)，渦流強(qiáng)度減小，檢測(cè)靈敏度降低。

圖3　激勵(lì)頻率對(duì)磁場(chǎng)及渦流強(qiáng)度分布影響

2.4　傳感器實(shí)現(xiàn)

根據(jù)檢測(cè)原理與仿真結(jié)果設(shè)計(jì)傳感器。激勵(lì)采用馬蹄型鐵氧體作為磁芯，鐵氧體的磁導(dǎo)率較高，使磁場(chǎng)更加集中，提高傳感器的靈敏度。再在磁芯上繞上直徑為0.15 mm的漆包線，通過(guò)感應(yīng)線圈、霍爾傳感器或者巨磁阻傳感器拾取磁場(chǎng)的變化。感應(yīng)線圈的制作工藝高，靈敏度低;霍爾傳感器的線性度雖好，但靈敏度較低；巨磁阻傳感器的線性度不及霍爾傳感器，但是分辨力非常高。

鑒于探測(cè)裂縫的深度非常小，導(dǎo)致磁場(chǎng)的擾動(dòng)變化很小，采用國(guó)產(chǎn)VA100F2巨磁阻傳感器，它的靈敏度為36 mV/(V·mT)，分辨力可達(dá)22 nT，測(cè)量范圍為±0.3 mT，可感應(yīng)微小的磁場(chǎng)變化。

3儀器設(shè)計(jì)

根據(jù)渦流檢測(cè)原理，電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)感應(yīng)信號(hào)幅值和相位的測(cè)量，通過(guò)觀察幅值和相位的變化，判斷工件是否存在裂縫。

在第二節(jié)傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,分析傳感器輸出信號(hào)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要包括三部分，分別為激勵(lì)信號(hào)模塊、以正交鎖相放大器為核心的信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

3.1　信號(hào)激勵(lì)模塊

系統(tǒng)采用正弦波作為激勵(lì)信號(hào)。由傳感器參數(shù)仿真可知，增大激勵(lì)電流，能增大渦流強(qiáng)度，提高傳感器的靈敏度。但由于系統(tǒng)中渦流傳感器尺寸精小且巨磁阻傳感器的飽和磁場(chǎng)較小，因此激勵(lì)電流不需要很大。普通的運(yùn)放輸出電流為十幾毫安，無(wú)法驅(qū)動(dòng)傳感器，所以正弦信號(hào)必須先經(jīng)功率放大。為了方便改變激勵(lì)電流的大小，設(shè)計(jì)幅值可調(diào)的正弦波，通過(guò)功率放大后激勵(lì)線圈，具體如圖4中信號(hào)激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用LM1875集成音頻功放，音頻功放的頻率范圍為20 Hz~20 kHz，輸出功率為25 W，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2　信號(hào)檢測(cè)模塊

鎖相放大器是信號(hào)檢測(cè)模塊的核心，它基于互相關(guān)原理，將被大量噪聲淹沒(méi)的微弱信號(hào)和與該待測(cè)信號(hào)同頻的參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，從而提取出有用信號(hào)。正交型鎖相放大器對(duì)檢測(cè)信號(hào)的測(cè)量不受參考信號(hào)的影響，避免了由于參考信號(hào)的自相關(guān)運(yùn)算帶來(lái)的測(cè)量誤差[10]，最終輸出Uoi和Uoq兩路直流信號(hào)，依此求出幅值和相位。

3.2.1正交鎖相放大器原理

正交鎖相放大器的基本原理如圖4中所示信號(hào)檢測(cè)模塊。待測(cè)信號(hào)通過(guò)濾波放大處理后，利用相敏檢波器與參考信號(hào)相乘，最終經(jīng)低通濾波器輸出直流信號(hào)。

待測(cè)信號(hào)：

x(t)=Uscos(ω0t+θ)

(5)

參考方波：

(6)

式中：Us為待測(cè)信號(hào)的幅值；ω0為待測(cè)信號(hào)的頻率；θ為待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差；Ur為參考信號(hào)的幅值。

濾波放大后的待測(cè)信號(hào)經(jīng)AD630，將待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相乘，得到式(7)：

{cos[(2n-2)ω0t-θ]+cos(2nω0t+θ)}

(7)

經(jīng)過(guò)低通濾波器作用后，n>1的差頻項(xiàng)和所有和頻項(xiàng)均被濾除，只剩n=1的差頻項(xiàng)。

(8)

(9)

由式(8)、式(9)得出：

(10)

(11)

3.2.2正交方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)

兩路相位差為90°的參考方波的穩(wěn)定性在正交鎖相放大器中至關(guān)重要，若正交方波相位不穩(wěn)定，將直接影響最終求出的相位的準(zhǔn)確性。

正交方波的產(chǎn)生方法很多，可以通過(guò)DDS、AD9854同時(shí)產(chǎn)生0°和90°方波，但其成本較高；也可將D觸發(fā)器與非門(mén)結(jié)合，將0°方波移相90°，但是該方法輸出的方波頻率為輸入的二分之一，輸入信號(hào)必須先倍頻鎖相，電路復(fù)雜。本系統(tǒng)采用單片機(jī)定時(shí)器編程產(chǎn)生正交方波，輸出穩(wěn)定，最大程度地簡(jiǎn)化了電路。

3.2.3信號(hào)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)

傳感器輸出的信號(hào)時(shí)常不穩(wěn)定，幅值小，含有直流偏置和各項(xiàng)諧波。因此不能直接對(duì)該信號(hào)進(jìn)行鎖相，必須先進(jìn)行放大濾波處理。巨磁阻傳感器輸出為差分模式，因此采用INA128差分放大器進(jìn)行放大，抑制共模噪聲；再通過(guò)高Q值帶通濾波器，提高信號(hào)的穩(wěn)定性和純凈度；然后經(jīng)過(guò)相敏檢波和低通濾波器，得到直流信號(hào)。相敏檢波器采用高精度同步解調(diào)器AD630，將待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相乘，最終經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出直流信號(hào)。

要保證系統(tǒng)輸出幅值和相位的準(zhǔn)確性，低通濾波器的濾波效果是關(guān)鍵所在。為使輸出交流噪聲盡量小，采用美信公司的MAX291，8階開(kāi)關(guān)集成低通濾波器，截止頻率可達(dá)0.5 Hz，具有很好的濾波效果。MAX291內(nèi)部集成運(yùn)放，利用該集成運(yùn)放搭建二階低通濾波器，配合MAX291濾波，可進(jìn)一步改善濾波效果。采統(tǒng)采用24位雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCM1804進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集得到的數(shù)字量通過(guò)串口上傳至主控芯片STM32，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

3.3　人機(jī)交互界面

儀器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示幅值和相位。系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)串口接收程序，編寫(xiě)簡(jiǎn)單，界面清晰，便于觀測(cè)電渦流傳感器在檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)的實(shí)時(shí)變化。

4測(cè)試結(jié)果

4.1　雙通道同步測(cè)試

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，A/D雙通道同步至關(guān)重要。若兩通道不同步，則會(huì)導(dǎo)致實(shí)部和虛部采集數(shù)據(jù)錯(cuò)位，影響檢測(cè)結(jié)果。A/D同步測(cè)試如圖5所示。從圖5可以看出雙通道數(shù)據(jù)采集完全同步。

圖5　A/D同步測(cè)試

4.2　整體檢測(cè)性能測(cè)試

將傳感器置于待測(cè)齒輪毛坯件表面，當(dāng)傳感器經(jīng)過(guò)深度為1 mm的裂縫處時(shí)，感應(yīng)信號(hào)幅值明顯增大，相位減小，如圖6所示。

圖6　感應(yīng)信號(hào)變化曲線

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)傳感器位于裂縫上方時(shí)，激勵(lì)磁場(chǎng)與渦流感生磁場(chǎng)共同作用下的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，相位滯后。同步觀察幅值和相位，使反映的裂縫信息更豐富，降低噪聲干擾，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)可檢測(cè)深度大于0.5 mm的裂縫。

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前超聲波檢測(cè)在毛坯件、在役鑄件的裂縫檢測(cè)中操作復(fù)雜、成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無(wú)損檢測(cè)儀。測(cè)試結(jié)果表明，儀器可識(shí)別深度大于0.5 mm的裂縫，具有較高的分辨率和靈敏度。

系統(tǒng)以提高檢測(cè)靈敏度和降低提離效應(yīng)等干擾噪聲為目的，從傳感器和檢測(cè)電路兩方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。傳感器設(shè)計(jì)方面，采用馬蹄型線圈和高精度、高分辨率的巨磁阻傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)線圈，使系統(tǒng)可以識(shí)別微小的縫隙。在信號(hào)檢測(cè)電路方面，設(shè)計(jì)基于互相關(guān)原理的正交鎖相放大器，不僅提高了對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，還可以實(shí)現(xiàn)幅值和相位的測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)渦流檢測(cè)，引入相位信息并同步觀察幅值和相位的變化，能有效抑制干擾噪聲。利用儀器樣機(jī)對(duì)工廠提供的齒輪毛坯件進(jìn)行裂縫檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，在裂縫處，傳感器感應(yīng)信號(hào)的幅值明顯增大，相位明顯減小，驗(yàn)證了理論分析的正確性和方案的可行性。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH13;TP274+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508024

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：41474158)；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：CUG110822)；

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：skj2014149)。

修改稿收到日期：2015-04-13。

第一作者孫燕(1991-)，女，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)儀器與科學(xué)專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事自動(dòng)化儀表、弱磁檢測(cè)技術(shù)、地球物理儀器方面的研究。