基于ACFM的缺陷可視化檢測實驗系統(tǒng)設計與測試

袁新安， 趙建超， 李 偉， 張廣泰， 李 肖

（1.中國石油大學（華東）海洋石油裝備與安全技術研究中心，山東青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452）

0 引 言

無損檢測是一門融合傳感器、信號處理、圖像識別、儀器儀表、安全評價、完整性管理等多學科交叉的技術，在不破壞結構情況下及時發(fā)現(xiàn)缺陷，保障裝備或結構的安全服役［1］。無損檢測技術在特種裝備、能源、交通、民用設施等領域有著廣泛的應用，一定程度上反映了一個國家的工業(yè)化程度［2-4］。無損檢測作為新興學科和交叉性學科，在機械、安全、信號處理、儀器儀表等專業(yè)本科生實驗教學和研究生科研中占有重要地位。電磁無損檢測技術具有非接觸測量、信息豐富、適用鐵磁性和非鐵磁性材料等特點，在結構表面缺陷檢測領域具備突出的優(yōu)勢。而傳統(tǒng)的電磁無損檢測實驗系統(tǒng)通常以特征信號幅值表征缺陷存在（例如渦流阻抗平面圖），不能直觀顯示缺陷的真實形貌，造成缺陷評估高度依賴實驗操作人員主觀判定和經(jīng)驗，對初學學生造成一定難度，缺陷誤判及漏檢率高，缺陷評估精度低，影響科研及實驗效果。因此，研發(fā)一套可視化的電磁無損檢測科研實驗與教學系統(tǒng)顯得尤為重要。

交流電磁場檢測（Alternating Current Field Measurement，ACFM）技術是近年來快速發(fā)展的電磁無損檢測技術，可實現(xiàn)金屬工件表面和近表面缺陷定量檢測和評估，具有理論模型精確、大提離、定量評估等優(yōu)勢，具備廣闊的應用前景［5］。其檢測原理是：通有正弦激勵信號的線圈在金屬表面感應出均勻電流，當缺陷存在時，表面電流會從缺陷的兩端和底部繞過，使電流密度發(fā)生變化，進而改變裂紋附近的磁場分布，通過拾取畸變的磁場信號，從而實現(xiàn)缺陷的檢測［6-7］。

本文選擇以PC104 嵌入式平臺為交流電磁場可視化檢測系統(tǒng)核心，研制高靈敏度檢測探頭，開發(fā)可視化檢測算法及軟件，形成融合探頭—主機—軟件為一體的可視化檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)結構缺陷形貌的可視化檢測，提高實驗的演示效果和教學水平。

1 實驗系統(tǒng)構成

1.1 系統(tǒng)總體設計

基于PC104 嵌入式平臺的交流電磁場可視化檢測實驗系統(tǒng)包括檢測探頭、儀器主機及三軸臺架，如圖1 所示。探頭用于檢測試塊缺陷周圍畸變電磁場，三軸臺架用于完成掃描軌跡控制，儀器內部集成信號采集、處理及存儲模塊，檢測的畸變電磁場信號經(jīng)過處理后直觀顯示缺陷形貌。

圖1 交流電磁場智能檢測實驗系統(tǒng)結構

1.2 高靈敏度探頭開發(fā)

探頭是整個實驗系統(tǒng)設計的關鍵，決定了缺陷信號檢測精度。探頭內部設有激勵模塊、U型磁芯、隧道磁阻（Tunnel Magneto Resistance，TMR）磁場傳感器及信號處理模塊，如圖2 所示。勵磁線圈為500 匝直徑0.15 mm漆包銅絲，均勻纏繞在U 型磁芯的橫梁上，當加載正弦激勵信號時可在試塊表面感應出均勻電流［8］。TMR傳感器安裝在U型磁芯正下方，可測量垂直于試塊方向畸變磁場。由于探頭內TMR 檢測信號較為微弱，采用信號處理電路進行放大和濾波，增加信號傳輸距離［9］。

圖2 檢測探頭結構

1.3 儀器主機設計開發(fā)

儀器主機采用集成式方案，以PC104 嵌入式平臺為核心，整合信號采集、信號存儲、輔助模塊及顯示模塊，如圖3 所示。嵌入式平臺各模塊之間相互獨立，便于系統(tǒng)拓展與更新。PC104 嵌入式平臺選用研華PCM-3365 工業(yè)主板，搭載英特爾四核處理器，主頻最高可達1.91 GHz，運行內存最大可支持8 GB，系統(tǒng)啟動及運算速度快，可滿足實驗系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集和處理的要求；主板具有不同的擴展接口，可以與不同的硬件進行通信，方便數(shù)據(jù)存儲、調用及傳輸。

圖3 便攜式一體儀器主機

數(shù)據(jù)采集模塊為NI 公司的USB-6361 采集卡，支持16 路模擬輸入通道，采集速度最大可達到1.25 MS/s，AD轉換的分辨率為16 位，滿足實驗系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集速度和精度的要求。輔助模塊包括電源模塊、人機交互模塊、激勵模塊及存儲模塊，電源采用鋰電池供電，保證實驗系統(tǒng)6 h 持續(xù)穩(wěn)定工作［10］；人機交互模塊選用的是研華公司的液晶顯示屏，屏幕具有顯示與觸屏的功能，可以用來控制程序以及顯示缺陷形貌可視化檢測結果；激勵模塊選用的是利用直接數(shù)字合成技術（DDS）［11］，結合STM8 單片機和FPGA 構架設計的一款數(shù)字信號發(fā)生器，可輸出頻率、幅值可調的正弦波，便于實驗過程參數(shù)的調整。

2 可視化算法與軟件開發(fā)

2.1 缺陷可視化反演算法

為探究缺陷形貌成像算法，采用預實驗方式，設置激勵信號參數(shù)為頻率1 kHz，幅值10Upp，利用三軸臺架帶著探頭柵格掃查（步長1 mm，掃查區(qū)域130 cm ×130 mm）碳鋼表面長40 mm寬0.2 mm 深6 mm 的裂紋，如圖4（a）所示。獲取缺陷表面垂直方向畸變磁場Bz，如圖4（b）所示。圖4（b）展示的是缺陷周圍畸變磁場信號，不能直觀反映缺陷的形貌。為了提高科研和教學演示效果，對圖4（c）進一步處理，獲取缺陷可視化形貌。首先，圖像梯度場可反映圖像的畸變程度［12-13］，裂紋輪廓周圍信號畸變量比較大，通過對圖像求取x方向梯度，可獲取缺陷輪廓周圍最大畸變信號，如圖4（d）所示。梯度場可呈現(xiàn)正負峰值，圖像上表現(xiàn)出正反色差，影響缺陷形貌成像，摳除圖像背景噪聲可得到祛除背景圖像G0，能夠很好地反映缺陷的形貌和輪廓（見圖4（d））。

圖4 可視化過程

由以上可總結出基于梯度場的缺陷形貌可視化反演算法步驟：①探頭柵格掃查，獲取缺陷垂直方向畸變磁場Bz圖像；②對Bz圖像求取x方向梯度，獲取畸變磁場在缺陷邊緣輪廓的畸變圖像GBz；③摳除圖像背景噪聲，得到缺陷形貌輪廓圖像G0。

2.2 軟件開發(fā)

缺陷形貌可視化檢測軟件采用LabVIEW 與Matlab混合編程的方式，主要包括臺架控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理及圖像可視化。利用LabVIEW在信號采集、處理與顯示的優(yōu)勢，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲及數(shù)字信號處理［14］，LabVIEW軟件框圖如圖5 所示。

圖5 LabVIEW數(shù)據(jù)采集及存儲程序

利用Matlab 在圖像處理方面的優(yōu)勢，借助LabVIEW調用Matlab腳本節(jié)點，依據(jù)缺陷成像算法完成圖像可視化處理，最終呈現(xiàn)缺陷可視化形貌，如圖6所示。

圖6 缺陷可視化軟件

3 實驗系統(tǒng)測試

為驗證缺陷可視化檢測系統(tǒng)測試效果，搭建結構缺陷交流電磁場可視化檢測實驗系統(tǒng)，如圖7 所示。系統(tǒng)包括三軸臺架、探頭、儀器主機及待測試塊。利用三軸臺架帶動探頭在試塊表面做柵格掃查，通過儀器主機設置激勵信號參數(shù)，激勵信號加載至探頭內部激勵線圈并在試塊表面感應出均勻電流場。當缺陷存在時，缺陷周圍磁場發(fā)生畸變，通過探頭測量垂直方向畸變磁場信號并傳輸至儀器主機。儀器主機完成畸變磁場信號采集、處理及存儲。缺陷形貌可視化軟件完成圖像處理，最終呈現(xiàn)缺陷的可視化形貌。

圖7 缺陷可視化檢測實驗系統(tǒng)

測試塊為帶有腐蝕缺陷的鋼板，缺陷為φ10 mm× 0.5 mm（直徑×深度）的圓柱腐蝕坑，如圖8（a）所示。三軸臺架帶動探頭完成柵格掃查（步長0.5 mm，區(qū)域掃查50 mm × 50 mm），軟件處理缺陷畸變磁場信號，最終儀器主機屏幕顯示缺陷形貌可視化檢測結果如圖8（b）所示。由圖8（b）可見，左側圖像顯示缺陷周圍畸變磁場Bz，不能直觀得到缺陷形貌信息，右側經(jīng)過可視化檢測算法處理過的圖像能夠呈現(xiàn)缺陷的邊緣輪廓信息，直觀判定缺陷為腐蝕缺陷，有助于學生直接判定缺陷類型，提高了缺陷評估準確率［15］，顯著提升了科研和教學演示效果。

圖8 腐蝕缺陷可視化檢測結果

4 結 語

基于PC104 平臺的結構缺陷交流電磁場可視化檢測系統(tǒng)，通過高精度的檢測探頭、集成化主機儀器完成缺陷信號的檢測、采集、處理、存儲。通過基于梯度場的缺陷形貌可視化算法及軟件完成缺陷畸變磁場信號到形貌可視化的跨越，直觀顯示試塊表面缺陷形貌。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)電磁無損檢測科研及教學設備只顯示特征信號的弊端，直接呈現(xiàn)直觀缺陷形貌信息，提高了缺陷判定和評估準確度，為電磁無損檢測的教學和科研提供可視化的實驗平臺，提高了電磁無損檢測科研實驗和教學的質量。