基于不同傳感器陣列的儲罐鋼板缺陷三維漏磁特征

鞏文東，楊 濤，連 超, 張宏杰

((1.山東職業(yè)學院, 濟南 250104；2.天津工業(yè)大學 機械工程學院, 天津 300387；3.中國科學院海洋研究所, 青島 266071)

儲罐鋼板在長期腐蝕的作用下，會在表面形成各種缺陷，如果不能及時檢測出，將會導致罐體泄漏，引發(fā)火災、爆炸等事故，造成巨大的損失[1]。

儲罐鋼板的無損檢測方法有渦流檢測、超聲檢測、漏磁檢測等[2]。渦流檢測對缺陷尺寸的量化精度較低[3]；超聲檢測受制于耦合劑等因素，對近表面缺陷的識別較為困難[4]；漏磁檢測技術具有結構簡單、檢測速度快等優(yōu)點，在儲罐鋼板的無損檢測中得到了較為廣泛的應用[5]。

國內外學者在三維漏磁檢測領域已經(jīng)做了一定研究。YONG等[6]在永久性磁鐵磁化方式下，用數(shù)值仿真和試驗的方法驗證了提取缺陷漏磁場的三維分量對非規(guī)則形狀缺陷進行識別的有效性；黃松嶺等[7]分析了三維漏磁信號的特點，并采用貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡對儲罐底板凹型缺陷進行了缺陷三維輪廓反演。

以上研究主要基于單個傳感器檢測到的三維漏磁信號，并在缺陷反演算法上進行了改進，提高了量化精度。然而，由于缺陷實際形狀復雜，僅采用單個傳感器難以全面檢測缺陷處的漏磁場[8]。

筆者設計了基于三維傳感器的直線陣列、交叉陣列及環(huán)形陣列，通過試驗分析各陣列下的漏磁信號特點，并提取多傳感器信息融合后的漏磁信號特征值，從而挖掘出更多的隱含特征信息。

1 數(shù)據(jù)采集裝置與勵磁結構

采樣基于ARM(進階精簡指令集機器)內核的STM32F103ZET6單片機，設計嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置，如圖1所示,數(shù)據(jù)采集裝置由獨立的鋰電池供電，不依賴外部電源。采用MLX90393三維磁傳感器進行漏磁場檢測，將檢測到的三維漏磁場數(shù)據(jù)實時顯示到觸摸屏，并保存至TF存儲卡?？赏ㄟ^觸摸屏設置采樣分辨率、采樣時間等參數(shù)。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置硬件框圖

勵磁裝置的結構如圖2所示，永磁體為汝鐵硼N52，寬度為80 mm，長度為60 mm，厚度為18 mm；軛鐵為Q235碳素鋼，寬度為90 mm；鋼刷長度、寬度均與永磁體的一致，以減小永磁體與被測鋼板之間的氣隙，提高勵磁強度；被測鋼板為Q235碳素鋼，厚度為10 mm。

圖2 勵磁裝置結構示意

2 傳感器陣列設計

MLX90393三維磁傳感器用于測量3個維度中+/-150 mT磁場范圍內的場強，與ARM單片機之間采用同步串行接口(SPI)方式進行通信，實現(xiàn)16位的高精度輸出。集成溫度檢測模塊，可對不同溫度下的檢測數(shù)據(jù)進行補償。微型方形扁平無引腳(QFN)封裝尺寸為3 mmX3 mm，配置好外圍器件后，印刷電路板(PCB)尺寸為14 mmX14 mm，體積小巧，適合布置陣列，三維磁傳感器外觀如圖3所示。

圖3 三維磁傳感器外觀

陣列設計如圖4所示，將三維磁傳感器固定在鋁制底板上，分別布置成直線陣列、環(huán)形陣列和交叉陣列。

圖4 陣列設計示意

圖4最左側為直線陣列，由5個三維磁傳感器組成，依次等間距排列；中間為環(huán)形陣列，由8個三維磁傳感器構成；最右側為交叉陣列，由5個傳感器構成，水平傾角為45°。

勵磁裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與磁傳感器陣列搭載在小車上，小車由步進電機驅動，按照設定速度勻速通過凹坑缺陷的正上方，試驗平臺現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗平臺現(xiàn)場

3 不同陣列下三維漏磁信號分析

3.1 檢測方法

在材料為Q235碳素鋼的鋼板上，人工制造深度為6 mm，直徑為12 mm的圓形凹坑缺陷。然后分別采用直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列進行檢測，凹坑缺陷檢測方法如圖6所示,陣列的中心與凹坑缺陷的中心連線，與小車的行進方向一致。

圖6 凹坑缺陷檢測方法示意

3.2 直線陣列

直線陣列的x軸方向與小車行進方向一致，y軸方向與磁化方向一致，z軸正方向垂直于xy平面且向上，測得的三維漏磁信號如圖7所示。

圖7 直線陣列三維漏磁信號示意

從圖7可以看出，3號傳感器的漏磁場幅度最大，這是由于3號傳感器剛好經(jīng)過缺陷的正中心。可將3號傳感器的信號作為主漏磁信號，采用常規(guī)的提取方法，提取波峰、波寬、一個波動內的波形面積、短時能量、一次微分信號的峰谷距離等特征值。將其余漏磁信號作為次漏磁信號，提取次漏磁信號與主漏磁信號之間的x向、y向、z向的環(huán)向微分寬度。

3.3 環(huán)形陣列

環(huán)形陣列的x軸方向與小車行進方向一致，y軸方向與磁化方向一致，z軸正方向垂直于xy平面且向上，測得的三維漏磁信號如圖8所示。

圖8 環(huán)形陣列三維漏磁信號示意

圖9 漏磁信號變化率示意

3.4 交叉陣列

交叉陣列的x軸與小車行進方向成45°，y軸方向與磁化方向成45°，z軸正方向同樣垂直于xy平面且向上，測得的三維漏磁場信號如圖10所示。

圖10 交叉陣列三維漏磁信號

交叉陣列同樣可以在缺陷上方形成面域的檢測，同時由于傳感器布置的角度不同，通過濾波算法能夠有效的抑制因振動、車輪偏心等引起的擾動[9]。

3.5 漏磁信號分析

單一的三維霍爾傳感器只能從缺陷的上方進行“線”的掃查，而通過陣列能夠實現(xiàn)“面”的掃查，因此能獲取更多的漏磁信號特征值。將同一缺陷被陣列傳感器檢測到的漏磁信號分為兩類，一類為主漏磁信號，為陣列中漏磁信號特征最明顯的信號；一類為次漏磁信號，為陣列中有漏磁場數(shù)據(jù)但是特征不是最明顯的信號。試驗中由于直線陣列、環(huán)形陣列和交叉陣列的中心線從缺陷中心經(jīng)過，因此直線陣列的3號傳感器、環(huán)形陣列的3號傳感器(3號和7號傳感器均從缺陷正上方經(jīng)過，3號特征更為明顯)、交叉陣列的2號傳感器檢測到的漏磁信號為主漏磁信號，其余信號為次漏磁信號。

在鋼板表面人為制造了不同深度，不同直徑的圓形缺陷凹坑，直徑分別為18，16，14，12，10，8，6，4 mm；深度分別為10，8，6，4，2 mm，共計40個缺陷凹坑樣本。缺陷樣板如圖11所示。

圖11 缺陷樣板

對x,y,z向主漏磁信號進行特征值提取，如表1所示。

表1 主漏磁信號特征值

提取直線陣列次漏磁信號與主漏磁信號之間的x向、y向、z向的平均環(huán)向微分寬度，dwx,dwy,dwz。

(1)

(2)

(3)

式(1)(3)中，xcn,ycn,zcn分別為陣列中閾值內的x,y,z軸方向的漏磁信號波峰，dcn為直線陣列中第n個傳感器與主漏磁信號傳感器的距離。

通過以上方法提取了三維霍爾傳感器陣列所檢測漏磁場的特征數(shù)據(jù)集，然后分別采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練。采用S型激活函數(shù)，輸入層的節(jié)點數(shù)與各陣列提取的特征值數(shù)量相同，隱含層節(jié)點數(shù)量與輸入層節(jié)點數(shù)量相同，輸出層為2個節(jié)點，分別對應缺陷直徑和缺陷深度。

為加快神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂速度，同時減小數(shù)值量綱對訓練精度的影響，采用線性轉換算法對輸入特征量進行歸一化處理，歸一至區(qū)間[0,1]。采用交叉有效性檢驗的方法進行神經(jīng)網(wǎng)絡訓練。測試結果表明，直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列直徑檢測的最大絕對誤差分別為3.01，2.73，3.96 mm，深度檢測的最大絕對誤差分別為1.73，2.97，1.48 mm。

4 結語

筆者設計了基于三維磁傳感器的直線陣列、交叉陣列及環(huán)形陣列，對儲罐鋼板實施漏磁檢測，通過試驗研究分析，得出各陣列下的漏磁信號有以下特點。

(1)直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列均可以得到更多的漏磁信號特征值信息。其中環(huán)形陣列和交叉陣列可以形成任意時刻面域的檢測，獲取磁場的平面變化特征。交叉陣列還能夠抑制外部擾動。

(2)根據(jù)直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列得出漏磁場特征信息，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立數(shù)學模型，結果表明，環(huán)形陣列對直徑的檢測精度最高，交叉陣列對深度的檢測精度最高。