孫瑞虹,張小星,馬兆光,張瑞蕾,馬春紅

(1.北京新立機(jī)械有限責(zé)任公司,北京100074;2.北京動力機(jī)械研究所,北京100074; 3.中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京100074;4.河北環(huán)境工程有限公司,承德067000)

基于LabVIEW的油箱棱角處縱向裂紋漏磁檢測裝置

孫瑞虹1,張小星1,馬兆光2,張瑞蕾3,4,馬春紅4

(1.北京新立機(jī)械有限責(zé)任公司,北京100074;2.北京動力機(jī)械研究所,北京100074; 3.中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京100074;4.河北環(huán)境工程有限公司,承德067000)

針對機(jī)動車油箱等容器棱角處縱向裂紋難以檢測的問題,研制了一種基于差動式霍爾元件的多功能油箱漏磁檢測裝置。檢測探頭由兩個霍爾元件構(gòu)成差動式結(jié)構(gòu),以消除干擾磁場的影響,提高了檢測系統(tǒng)的靈敏度;通過更換不同型號的勵磁極靴分別實現(xiàn)油箱平面及棱角處縱向裂紋的檢測;通過光電編碼器使數(shù)據(jù)采集卡外觸發(fā)實現(xiàn)了空域等距采樣,進(jìn)而實現(xiàn)對裂紋的定位。對含預(yù)制縱向裂紋的機(jī)動車油箱進(jìn)行了漏磁檢測試驗,結(jié)果表明,該檢測系統(tǒng)對油箱棱角處的內(nèi)部縱向裂紋具有良好的辨識能力,能夠推廣到實際工業(yè)應(yīng)用中。

漏磁檢測;霍爾元件;差動式探頭;縱向裂紋

金屬板材的折彎屬于冷塑性加工,由于折彎處常存在較大的塑性變形,并殘存較大的殘余應(yīng)力,金屬在交變載荷作用下往往會出現(xiàn)微裂紋,進(jìn)而發(fā)生開裂。如果裂紋產(chǎn)生于容器壁內(nèi)部,在容器外側(cè)難以發(fā)現(xiàn),就會存在安全隱患[1]。因為實際折彎構(gòu)件的缺陷位置和方向無法預(yù)知,故采用傳統(tǒng)無損檢測方法難以有效識別折彎處的裂紋,當(dāng)裂紋處于檢測探頭的非敏感方向時,非常容易漏檢;如果采用工業(yè)CT方法,又不適用于構(gòu)件服役時的現(xiàn)場檢測。

漏磁檢測對突變?nèi)毕菝舾?、檢測無盲區(qū)、對環(huán)境條件要求低、檢測速度快、并且對檢測表面的粗糙度要求低,在石油、化工、航天及交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。通過漏磁檢測技術(shù)識別構(gòu)件的橫向裂紋的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但對機(jī)動車油箱折彎處縱向裂紋進(jìn)行檢測時,由于探頭提離高度不固定,漏磁信號干擾因素較多,故難以有效識別缺陷。

針對機(jī)動車油箱折彎處縱向裂紋難以檢測的問題,筆者研制了一套基于差動式霍爾元件的漏磁檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)通過兩個霍爾元件的差動式連接,可有效抑制干擾磁場的影響,提高了檢測系統(tǒng)的靈敏度。

1 差動式漏磁檢測原理

漏磁檢測時利用被檢材料為鐵磁材料的特點(diǎn),施加外激勵磁場對被檢區(qū)進(jìn)行局部磁化[3],當(dāng)該區(qū)域無裂紋時,磁力線絕大部分通過鐵磁材料,此時磁力線均勻分布;當(dāng)該區(qū)域存在裂紋時,由于裂紋處磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鐵磁材料的磁導(dǎo)率,根據(jù)磁感應(yīng)線的折射定律,磁力線將發(fā)生折射彎曲,磁力線一部分仍從鐵磁材料中通過,另一部分從裂紋缺陷處通過,還有一部分泄露出鐵磁材料表面,并滲透到空間中。漏磁檢測原理如圖1所示(左圖為無裂紋試樣檢測,右圖為有裂紋試樣檢測)。裂紋的形狀將直接影響勵磁系統(tǒng)中磁場的分布形式,利用有效的檢測手段測量磁場參量的變化情況,可以獲得各種形狀缺陷的檢測信號。通過對信號的分析,可有效還原缺陷的幾何形狀。

圖1 漏磁檢測原理示意

霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制作的一種磁電轉(zhuǎn)換元件,霍爾效應(yīng)是一種在導(dǎo)電材料中的電流與外磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應(yīng)。由于霍爾電壓和漏磁場強(qiáng)度之間具有很好的線性對應(yīng)關(guān)系,因此可用霍爾電壓表征漏磁場強(qiáng)度。為了提高檢測的靈敏度,并且消除干擾磁場的影響,檢測探頭采用差動式連接的兩個霍爾元件,即兩個霍爾元件分別采集漏磁場信號后,對檢測結(jié)果進(jìn)行差動式處理。

2 霍爾元件漏磁檢測裝置設(shè)計

漏磁檢測系統(tǒng)主要由勵磁裝置、霍爾元件、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、光電編碼器、計算機(jī)等幾部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?；魻栐⒋艌鰪?qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號,經(jīng)放大、濾波等處理后,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能,并將數(shù)字信號送入計算機(jī)后進(jìn)行顯示、保存。

圖2 漏磁檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

漏磁檢測小車結(jié)構(gòu)和外觀如圖3所示,檢測試驗時,試件、極靴及磁軛構(gòu)成了勵磁回路。檢測小車上的極靴可根據(jù)需要拆卸,即檢測平板時采用平底極靴,而檢測棱角時采用V型極靴。將差動式檢測探頭安裝在兩極靴中間,檢測時確保探頭與被測對象之間的角度和提離高度固定不變。采用光電編碼器與摩擦采樣輪相配合實現(xiàn)外觸發(fā)采集,以便對缺陷準(zhǔn)確定位。

圖3 漏磁檢測小車結(jié)構(gòu)示意及外觀

2.2 信號調(diào)理電路

由于霍爾元件輸出信號只有幾到十幾毫伏,需要對檢測信號進(jìn)行放大,以保證數(shù)據(jù)采集卡能夠得到穩(wěn)定且足夠識別的信號。信號調(diào)理電路采用了經(jīng)典的AD620芯片與UA741芯片,輸入端與傳感器相連并制作了霍爾傳感器供電電路。經(jīng)一次放大后進(jìn)行無源濾波,消除高頻噪聲。最后,將經(jīng)過放大濾波后的兩路電壓信號進(jìn)行差動式處理,使兩路干擾磁場相互抵消,提高檢測系統(tǒng)的靈敏度,信號調(diào)理流程如圖4所示。

2.3 基于Lab VIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖5所示,其中,硬件采用北京優(yōu)采公司的UA306A多通道數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡可以即插即用,帶電插拔,并且支持外部觸發(fā)采集。漏磁檢測小車移動過程中帶動摩擦采樣輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生能夠作為外部觸發(fā)源的脈沖信號,從而實現(xiàn)空域等距采樣。軟件采用圖形化編程語言Lab VIEW,其具有人性化的程序設(shè)計理念、簡易快捷的數(shù)據(jù)采集和控制功能、強(qiáng)大的分析模塊和形象完整的數(shù)據(jù)顯示等優(yōu)點(diǎn),在虛擬儀器構(gòu)建的測試系統(tǒng)中應(yīng)用極為方便,是目前國際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一[4]。

該采集系統(tǒng)選用Lab VIEW2012編寫人機(jī)交互界面,完成數(shù)據(jù)采集卡與計算機(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。程序的主要功能包括多點(diǎn)采集、多通道多點(diǎn)采集、數(shù)據(jù)顯示和保存、采樣參數(shù)及顯示設(shè)置等。

采樣前可以根據(jù)試驗需要對采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、增益等進(jìn)行設(shè)置,采樣結(jié)束后16個通道的數(shù)據(jù)會自動保存在指定文件中。最后可根據(jù)需要來選擇在軟件前面板上顯示的通道。

圖4 信號調(diào)理流程

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

3 裂紋檢測試驗及結(jié)果

3.1 試驗方法

選取機(jī)動車油箱進(jìn)行漏磁檢測試驗,該油箱由Q345鋼經(jīng)折彎加工制作而成。試驗前在油箱平面區(qū)及油箱棱角區(qū)分別預(yù)制一條40 mm×0.5 mm× 0.5 mm(長×寬×深)的縱向裂紋[5－7],檢測試件如圖6所示。試驗時對激勵線圈施加直流電壓,人工勵磁的磁場強(qiáng)度可通過改變線圈中的電流來調(diào)節(jié)。試驗過程中,首先對檢測系統(tǒng)裝卡上平板極靴,推動小車沿油箱平面區(qū)進(jìn)行掃描;然后更換為V型極靴,沿油箱棱角處進(jìn)行“騎棱”檢測。隨著摩擦采樣輪的轉(zhuǎn)動,光電編碼器發(fā)出脈沖信號,觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采集磁場信號。

3.2 油箱裂紋檢測結(jié)果

通過檢測裝置分別對油箱平面及棱角處的縱向裂紋進(jìn)行檢測,先進(jìn)行正面檢測,后對試件背面進(jìn)行檢測。正面檢測即在有裂紋的一側(cè)進(jìn)行掃描,背面檢測是將被測試件翻轉(zhuǎn),在缺陷的背面對試件進(jìn)行掃描,該檢測是為了研究該檢測系統(tǒng)對于亞表面裂紋的檢測效果。但對于如圖6所示的折彎件內(nèi)側(cè)縱向裂紋,是沒有辦法進(jìn)行正面檢測的,只能沿著外側(cè)進(jìn)行“騎棱”檢測,這也是該裝置的優(yōu)勢所在。圖7為從油箱外部檢測內(nèi)部縱向裂紋時所得的磁信號分布,其中圖7(a)為原始信號,圖7(b)為小波濾波后的信號。

圖6 檢測試件外觀

圖7 機(jī)動車油箱內(nèi)部縱向裂紋信號

由圖7可知,當(dāng)檢測系統(tǒng)經(jīng)過縱向裂紋時,信號會發(fā)生突變,并且磁場信號在突變值時所測點(diǎn)數(shù)與縱向裂紋的長度具有較好的相關(guān)性,故可根據(jù)光電編碼器的分辨率及采樣輪的半徑來估算縱向裂紋的長度,這對縱向裂紋的定量化檢測具有一定的參考意義。

4 結(jié)語

針對機(jī)動車油箱棱角處縱向裂紋難以檢測的問題,研制了一套基于霍爾元件的差動式漏磁檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)采用兩個霍爾元件差動式處理檢測信號,提高了檢測系統(tǒng)的靈敏度;并且可以通過更換不同型號的極靴,來分別實現(xiàn)油箱平面與油箱棱角處的裂紋檢測。結(jié)果表明,該檢測系統(tǒng)可以有效識別油箱內(nèi)部棱角處的內(nèi)部縱向裂紋。

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The MFL Device to Detect the Longitudinal Cracks of the Oil Tank Corners Based on Lab VIEW

SUN Rui-hong1,ZHANG Xiao-xing1,MA Zhao-guang2,ZHANG Rui-lei3,4,MA Chun-hong4
(1.Beijing Xinli Machinery Limited Liability Company,Beijing 100074,China; 2.Beijing Institute of Machinery,Beijing 100074,China; 3.China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China; 4.Hebei Aerospace Environmental Engineering Co.,Ltd.,Chengde 067000,China)

In order to overcome the difficulties in detecting the longitudinal corner cracks of containers,such as motor vehicle oil tanks,are difficult to detect,a multifunctional system used to detect magnetic flux leakages of tanks is designed and developed based on differential hall probes.The detection probe is made of two elements forming the structure of differential type,make up the detection probe,which can improve the sensitivity of detection system.By switching different pole shoes,cracks of the plane and the corners can be detected respectively.As an external trigger,the photoelectric encoder can collect data at the same distance each time,to determine where the defect exists accurately.Through carrying experiments on the fuel tank belonging to a heavy armored vehicle with prefabricated defects,acquired results show that the detection system can identify the the longitudinal cracks inside the tank,then it can be promoted to industrial applications.

Magnetic flux leakage detect;Hall probe;Differential probe;Longitudinal crack

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0071-04

10.11973/wsjc201701018

2016-03-16

孫瑞虹(1986—),男,工程師,主要從事磁粉檢測、超聲波檢測等無損檢測工作。

孫瑞虹,E-mail:sunruihong1234＠163.com。