李文艷,李 偉,陳國明

(中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,東營 257061)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)方法是綜合交流電位降(ACPD)和渦流檢測(cè)(ET)兩種電磁檢測(cè)方法[1]的一種無損檢測(cè)方法。目前被廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)、石油化工、海上平臺(tái)和航空航天等各種場(chǎng)合的表面缺陷檢驗(yàn)。

在利用ACFM 方法對(duì)工件上的缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí),由感應(yīng)線圈檢測(cè)被測(cè)工件表面的磁場(chǎng)擾動(dòng)信息。但是檢測(cè)線圈得到的信號(hào)極其微弱,并且存在嚴(yán)重的噪聲干擾。筆者采用軟硬件結(jié)合的方法,對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理,采用信號(hào)多級(jí)放大、濾波和信號(hào)抗干擾等多種技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,從而將深埋在大量非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號(hào)檢測(cè)出來,同時(shí)達(dá)到抑制干擾的作用。

1 ACFM 技術(shù)工作原理

ACFM 技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理。當(dāng)載有交變電流的矩形激勵(lì)線圈靠近導(dǎo)體時(shí),交變電流在周圍的空間中產(chǎn)生交變磁場(chǎng),被測(cè)工件(導(dǎo)體)表面的感應(yīng)電流由于集膚效應(yīng)聚集于工件的表面。當(dāng)工件中無缺陷時(shí),電流線彼此平行,工件表面有一均勻磁場(chǎng)存在;若工件中有缺陷存在,由于電阻率的變化,勢(shì)必對(duì)電流分布產(chǎn)生影響,電流線在缺陷附近會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),工件表面的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變,這個(gè)磁場(chǎng)的變化強(qiáng)弱,就能反映出裂紋的尺寸。

建立被測(cè)試件上的感應(yīng)電流流向模型,并把磁場(chǎng)場(chǎng)量B分成三個(gè)分量B x,B y和B z進(jìn)行分析,方向如圖1 所示[2]。當(dāng)無缺陷時(shí),感應(yīng)電流順著y軸均勻流動(dòng),垂直于電流的y向磁場(chǎng)分量B x均勻無擾動(dòng),而另外兩個(gè)方向的磁場(chǎng)分量By和B z為零。故遠(yuǎn)離裂紋處,電流場(chǎng)是均勻的,電流線相互平行。當(dāng)電流流至裂紋處,由于材質(zhì)的不均勻性和分界面處電流的連續(xù)性原理,電流線會(huì)向裂紋兩端和裂紋底面偏轉(zhuǎn),使裂紋中心處電流線變疏,電流密度下降,兩端的電流線匯聚,從而導(dǎo)致工件表面磁場(chǎng)的變化。在ACFM 中,一般要測(cè)量出垂直于工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz和平行于工件表面和裂紋走向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B x這兩個(gè)相互正交的磁場(chǎng)變化量。

圖1 ACFM 原理圖

2 ACFM 信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)

ACFM 信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)硬件方面主要由信號(hào)源、傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和基于Labview 設(shè)計(jì)的軟件模塊組成,其整體框圖如圖2 所示。

圖2 ACFM 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

2.1 信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

在信號(hào)分析處理的電路設(shè)計(jì)中,信號(hào)發(fā)生電路部分的設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。筆者采用幅值為1 V,頻率為6 kHz 的正弦交流信號(hào)作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)源,其信號(hào)頻率是否穩(wěn)定,對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的工作起著十分關(guān)鍵的作用。

M AX038 是具有高頻、高精度、低輸出電阻而且驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的專用函數(shù)信號(hào)發(fā)生芯片,它能產(chǎn)生準(zhǔn)確的高頻正弦波、三角波和方波,輸出頻率和占空比可以通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別控制。系統(tǒng)采用M AX038 芯片,通過調(diào)節(jié)其它外部元件參數(shù)來產(chǎn)生符合要求的正弦信號(hào)。因?yàn)檎也óa(chǎn)生后帶負(fù)載的能力差,并不能直接作為ACFM 激勵(lì)的信號(hào)源,需要在后面接一個(gè)射級(jí)跟隨器,以提高帶負(fù)載能力。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

基于ACFM 傳感器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)可知,矩形線圈對(duì)較深裂紋的測(cè)量具有很高的靈敏度。感應(yīng)線圈只要足夠小,長(zhǎng)度(L)和寬度(D)的比值合理,即能夠滿足點(diǎn)檢測(cè)的要求[3],可以使感應(yīng)線圈的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度等于中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)的傳感器是將檢測(cè)線圈放置在激勵(lì)線圈的正下方[4],采用錳鋅鐵氧體磁芯作骨架。磁芯有使磁感應(yīng)通量集中到自己內(nèi)部的作用。沒有磁芯的載流線圈產(chǎn)生的磁通量彌散在整個(gè)空間中,若把同樣的線圈繞在一個(gè)閉合或差不多閉合的磁芯上時(shí),則不僅磁通量的數(shù)值大大增加,而且磁感應(yīng)線幾乎是沿著磁芯的。并且磁芯減小了激勵(lì)線圈的體積,同時(shí)能夠降低激勵(lì)線圈的功率,大大加強(qiáng)由激勵(lì)線圈產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)值。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

由于ACFM 探頭采集到的信號(hào)非常微弱,并且伴隨著大量的干擾噪聲信號(hào),所以對(duì)其必須進(jìn)行必要的調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路主要包括對(duì)初始信號(hào)的放大和濾波。對(duì)ACFM 微弱信號(hào)采用多級(jí)放大方式,其基本要求是實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值放大,同時(shí)信號(hào)不失真。系統(tǒng)中共有兩級(jí)信號(hào)放大電路,前置放大器選用低功耗、高精度的儀表放大器AD620[5-6],然后經(jīng)二階巴特沃斯低通濾波,后端放大采用運(yùn)算放大器搭建的一階同相放大器。

2.4 基于Labview 的數(shù)據(jù)采集

要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)到的微弱信號(hào)進(jìn)行采集,就必須把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號(hào),而A/D 數(shù)據(jù)采集卡正是執(zhí)行這一功能的元件。ACFM 檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集選用阿爾泰公司的USB2086 數(shù)據(jù)采集卡,其上裝有16 bit 分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換器,為用戶提供了16 雙/32 單的模擬輸入通道。

LabVIEW 平臺(tái)上使用的數(shù)據(jù)采集卡共有三種驅(qū)動(dòng)方法,筆者采用LabVIEW 的Functions 模板內(nèi)Advanced 子模板中的Call Library Function Node圖標(biāo),動(dòng)態(tài)鏈接USB2086 數(shù)據(jù)采集卡的DLL 庫函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)USB2086 數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)。數(shù)據(jù)采集作為后期信號(hào)分析與處理必不可少的前期工作,在整個(gè)ACFM 檢測(cè)系統(tǒng)中起到關(guān)鍵性的作用;在該模塊中,可以實(shí)現(xiàn)通道和采集方式的選擇、采樣頻率和讀取長(zhǎng)度的設(shè)定等;其前面板如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.5 基于Labview 的數(shù)據(jù)分析與處理模塊

ACFM 探頭測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)是矢量信號(hào),包括幅值和相位兩方面的信息,經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入采樣通道的信號(hào)中仍含有各種噪聲與干擾。為了提高信噪比,提高缺陷的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性,就必須對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行平滑和濾波等處理。

筆者對(duì)幅值信息主要采用了幅值和電平測(cè)量、低通濾波及逐點(diǎn)取均值等方法進(jìn)行了處理;對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè),單純利用信號(hào)調(diào)理電路不能有效地檢測(cè)出有用信號(hào),在軟件模塊中,必須再次對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,同時(shí)采用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波;筆者采用的巴特沃茲濾波器具有響應(yīng)平滑、單調(diào)衰減的特點(diǎn),但低通特性很差,階次越高,就越接近理想值,高階巴特沃茲低通濾波器的頻率響應(yīng)近似于理想低通濾波器,因?yàn)橄到y(tǒng)要求較高,選擇的階次必須在8 階以上,這樣才能夠有效地濾掉信號(hào)中的噪聲分量。

相位信息對(duì)缺陷判定也具有重要的作用,激勵(lì)電場(chǎng)在裂紋最深點(diǎn)的兩端環(huán)繞方向改變,根據(jù)右手螺旋法則, 最深點(diǎn)兩端的Bz信號(hào)的相位將發(fā)生180°變化。下面采用基于軟件的相關(guān)法測(cè)量B x,Bz的相位差[7],取激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生的正弦信號(hào)作為參考信號(hào),調(diào)用LabVIEW 的子函數(shù)求參考信號(hào)與輸入待測(cè)周期信號(hào)的互功率譜密度,對(duì)互功譜密度作坐標(biāo)變換,得到幅度譜和相位譜,取幅度譜中的最大值,將其序列號(hào)作為索引號(hào)送入索引矩陣子函數(shù),這時(shí)輸出的就是兩信號(hào)的相位差。該法不僅節(jié)約了硬件成本,并且對(duì)于采樣轉(zhuǎn)換的離散信號(hào)的自流偏移和噪聲干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。

3 ACFM 信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)測(cè)試

利用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)低碳鋼薄板試件進(jìn)行了檢測(cè)。其上含有一條長(zhǎng)度為65 mm,深度為8 mm 的半橢圓形人工裂紋,裂紋由電火花方法加工成型,保證了較高的加工精度(圖5)。

圖5 試件實(shí)物圖

當(dāng)探頭在試件上勻速掃過缺陷時(shí),隨著探頭的移動(dòng),實(shí)時(shí)繪制出磁通密度曲線和蝶形圖。根據(jù)特征信號(hào)的幅值和相位的變化幅度判定掃描區(qū)域是否有缺陷存在。缺陷報(bào)警模塊的報(bào)警燈將閃爍并發(fā)出蜂鳴警告聲(圖6 和7)。

圖6 特征信號(hào)與蝶形圖即時(shí)顯示面板

從圖6 可以看出,B x和B z信號(hào)的幅值經(jīng)放大1 000 倍后的最大值分別為1 580 和450 mV,所以由檢測(cè)線圈感應(yīng)到的實(shí)際信號(hào)幅值只有1.58 和0.45 mV,如果對(duì)此微弱信號(hào)直接進(jìn)行檢測(cè),由于干擾較多,很難得到較好的信號(hào)。經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的微弱信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng),能夠較好地抑制噪聲,實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電磁信號(hào)的檢測(cè),并且通過相位差檢測(cè)模塊得到信號(hào)相位變化圖。如圖7 所示,裂紋最深點(diǎn)兩端的Bz信號(hào)的相位變化在180°左右, 符合理論要求。

由以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知,該套ACFM 微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度,可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)并且可對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。

圖7 Bz 相位變化圖

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)毫伏級(jí)微弱感應(yīng)電壓信號(hào)的提取和對(duì)噪聲的抑制,完成對(duì)傳感器感應(yīng)到的微弱信號(hào)的檢測(cè),充分利用了計(jì)算機(jī)的功能,節(jié)約了硬件成本,縮小了儀器的體積,并且能夠測(cè)得信號(hào)的微小變化量,獲得被測(cè)信號(hào)的幅值和相位信息。

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