0 引言
在当社会不断发展的过程中,各工业领域中金属的使用率不断上升。长期的承压、承力以及环境的腐蚀会使得金属材料表面易产生微小缺陷[1],在军工、石油、航空等诸多行业中,金属部件表面出现微小缺陷在工程上也是普遍存在的现象。根据统计,对于航空航天飞行器、冶金动力等重大装备,疲劳失效是其零部件的主要失效形式,疲劳断裂的比率占构件断裂的 80% 以上[2],裂纹也是服役军用飞机的零部件产生疲劳损伤最主要的表现形式[3]。在管道长期运输石油、天然气等流体的过程中,伴随管道壁发生腐蚀和老化,极易出现微小裂缝,导致发生泄露[4]。目前在役设备中的重要部位容易产生微小缺陷并不易被快速精准的发现,而对于由质量问题造成的裂缝,极易对经济造成巨大的损失,甚至引起人员的伤亡。因此,对设备关键部件进行状况评估和非破坏性检测极为重要。实现对工业设备中重要金属零件的无损检测,发现潜在缺陷,对于避免产生重大经济损失和保护人员的生命安全,具有重要意义。
无损检测技术在保证被测对象完整性的前提下,通过检测设备对待测物体进行全方位的有效探测,以获得该物体缺陷的相关信息,并依据相关技术标准对该物体进行评价的技术[5]。针对无损检测,国内外已有大量研究,涡流相关检测[6-9]、漏磁检测[10]、交流电磁场测量[11] (alternating current field measurement,ACFM)、超声导波检测[12]及射线检测等技术,上述技术在金属检测领域得到了较为广阔的应用。其中涡流检测技术因为具有检测速度快,不需要耦合剂,操作简便且成本低的优点而被广泛运用。
模块化设计的基本思想是将复杂的系统通过某种规则或方法划分成一系列模块,通过模块的不同组合得到一系列功能不同的产品[13]。其具有可独立设计以及自由创新的特点,有充分的自主性,从而能够取得最佳效益[14]。基于涡流阵列检测原理,利用模块化设计思想将互感式结构与电桥式结构相结合,设计由4线圈组成的模块化探头,最大限度结合2种激励模式的优势,减小差异,实现较强的可扩展性。旨在通过实验验证该模块化设计的可行性,达到对缺陷的存在性以及位置精准检测的目的,对其实现在线检测。
1 涡流阵列检测原理及仿真
利用电磁涡流传感器探测金属板裂纹的理论依据在于:存在缺陷的金属对电磁场的反映与完好金属板对其的反映不同。从涡流的角度看,存在缺陷的金属板在电磁场中产生的涡流大小、形状不同,从而对传感器的影响也不同。因此,通过分析传感器上测量到的信号可以推知金属板的裂纹情况[15]。
传统涡流检测依靠单个检测线圈的传感器探头易于实现自动化,检测速度较快。但检测过程是一维路径,需要二维的扫描才能覆盖待检测区域,检测时间长[16],效率较低。而涡流阵列检测则是将许多传统探头线圈结构以一定顺序排列在平面上,以一定的逻辑顺序进行分时切换,构成互感式结构,得到相应信号后通入分析仪器完成一次检测。
本研究中的模块探头在检测过程中线圈两两分别在互感式线圈与电桥式线圈2种模式中进行切换,以此来获取2种检测模式下的检测电压,对缺陷进行双重判断,能够扩大检测敏感区域。阵列排布结构示意图如图1所示。
图1 探头排列结构
Fig.1 The probe arrangement structure
2种模式检测原理为:
1) 当线圈为互感模式时,检测效果是通过得到检测线圈的电压来实现的。线圈可构成1与2、1与3、1与4、2与3、2与4、3与4,6种组合共6种检测顺序,检测时某线圈加入幅值20 V, 频率为100 kHz的正弦激励信号,由电磁感应原理在另一线圈中即可检测到电压信号。设线圈i、 j分别为激励线圈与检测线圈,Lij为此时两线圈间的互感,Uij为检测线圈中的检测电压(i, j可为上述组合中的数字)。基于电磁场中的麦克斯韦方程组推导可得到:
(1)
(2)
式(1)、式(2)中:B为磁通量密度,Ii为通入激励线圈中的电流,n为单位方向向量,A为磁场中的矢量磁位,Ψij即线圈i与j的互感磁链。
2) 当线圈为电桥模式时,可组成1与2、1与3、1与4、2与3、2与4、3与4,6种组合共6种检测顺序。通入上述激励,当线圈下方不存在缺陷时,输出的差分信号接近为零,两线圈电阻和电感均为R和L,故两线圈的阻抗均为
Zi=Zj=R+jωL
(3)
存在缺陷时,输出的差分信号不再为零,检测线圈阻抗发生变化,能够得到缺陷检测电压。平衡电桥中另外两桥臂为阻值相同且固定不变的定值电阻Rs,电桥如图2所示。当存在缺陷时两线圈阻抗分别为
图2 电桥结构
Fig.2 The bridge structure diagram
Zi=R+jωLi
(4)
Zj=R+jωLj
(5)
由电桥线圈可得到检测电压信号:
Uij=K·U·δZij
(6)
式(6)中:K为桥臂系数,与采样电阻和线圈阻抗有关;U为施加的激励电压;δZij为阻抗变化率,与两线圈的阻抗变化量有关。
当金属存在缺陷时,线圈阻抗发生变化,即可以通过桥臂差分电压信号的变化体现出来。
基于仿真与上述公式发现在电桥线圈对位于线圈正下方的缺陷能够检出明显的电压信号,互感线圈对位于线圈中间的缺陷能够检出明显电压信号。
2 探头参数整定
线圈之间的距离、线圈互感以及激励频率等因素也会影响检测结果,故针对以上影响因素做出相应的仿真来优化参数。
保持线圈尺寸为4 mm,设置线圈中心距为9 mm,线圈距离中心每次增加1 mm,记录在不同距离下线圈的输出电压,如图3所示。
图3 不同中心距时的检测线圈电压
Fig.3 The detection coil voltage at different centerdistances
较小的电压值不利于对缺陷的判断,故在中心距为9、10、11 mm时重复试验,将检测电压与无缺陷时的电压值做差值确定在10 mm时差值最大,效果最好。
为研究不同激励频率的信号对线圈之间互感的影响,对互感线圈进行不同频率下的仿真,如图4所示。
图4 不同频率下互感的影响
Fig.4 The effect of mutual inductance at different frequencies
随着频率的增大,因互感产生的电压信号越来越小,故选择100 kHz频率的激励信号。
因此确定使用如表1所示参数。由式(6)确定所连接的定值电阻Rs为50 Ω时,桥臂系数最大,电桥最灵敏。
表1 线圈与激励参数
Table 1 The parameters of coil and excitation
参数数值参数数值外径/mm4高/mm3内径/mm1.5中心距/mm10频率/kHz100幅值/V20
3 检测系统构成及测试
3.1 系统组成
涡流检测原理模型,包括3大部分:传感器探头、信号激励与信号检测。基于模块化设计思想,可以构建出检测系统的功能模型,系统的原理图框架以及检测系统实物图如图5所示。
图5 检测系统
Fig.5 The detecting system
系统对应的实物部分即图5(a)中的供电电源、信号激励源、核心板、传感器探头和PC机4部分。
检测系统原理示意图如图5(b)所示,信号激励源发出正弦激励信号驱动传感器;核心板中的分时选通模块按照一定的逻辑顺序选通不同的回路,通入激励进入线圈,也即传感器探头,在试件内部产生交变电磁场,并感生出涡流[17]。传感器线圈感应出的检测信号再次通过分时选通模块开断不同通路进行输出,然后进入前级放大电路输出并放大;随后通过信号调理对信号进行有源滤波并建立基准电压,输出单极性信号,使进入ADC中的电压在采集范围内;随后将数据发送至上位机分析并进行波形显示。
由于LabVIEW是一门编程语言,在程序的设计方面相对来说比较简单,但是它的使用灵活性和功能完整性很强大[18],因此上位机程序的设计采用LabVIEW软件,与下位机进行通信并显示。
在进行测试时,上位机给下位机发送指令,下位机开始采集检测电压值。在上位机接收到数据后将其进行处理并进行输出显示,由指示灯控件的点亮与熄灭状态直观提示有无缺陷。
3.2 检测系统测试与分析
用两块长为50 mm、宽为50 mm、厚度为5 mm的工业中常用的碳素结构钢板为试验样品模拟工业装备零件的某一部位,检测时在固定的提离高度进行检测。人工分别模拟零件中最常出现的近表面缺陷,为长约3 mm、宽约0.5 mm、深2 mm的线形缺陷,样品如图6所示。
图6 待测样品
Fig.6 The tested sample
考虑到在实际应用中缺陷位置未知,缺陷与线圈的相对位置会有所不同,由于提离高度较大时的检测信号非常微弱,故实验将探头置于距此样品上方1 mm处沿路径A、B、C、D经过缺陷进行探伤测试,检测过程中探头以不同方式扫过缺陷,缺陷偏移探头轴线不同距离。当检测到缺陷时,经过对2条信号曲线幅值变化的判断,会看到上位机软件的指示灯提示。进行检测之前,首先对一块无缺陷的相同尺寸样品进行检测,来形成对比实验。4种检测路径如图7所示。
图7 检测过程示意图
Fig.7 The schematic diagram of detection process
在对无缺陷试样与有缺陷试样进行检测时,得到检测数据如图8所示。
图8 检测结果
Fig.8 The result with defects
由图8可以看出:
1) 在对无缺陷试样测试时,2种线圈模式中的检测信号幅值变化不大,表示未检测到缺陷,此时指示灯熄灭状态。
2) 在探头经过缺陷时,A过程电桥结构会产生比B过程较弱的检测信号,互感线圈结构检测电压相比电桥检测信号更为明显;B过程1、2线圈的一侧会先后经过缺陷上方,因此会产生2次电桥检测信号,互感线圈结构也会产生明显检测信号。
3) C过程缺陷位于探头检测区域范围之外,2种结构模式均未检测到明显检测信号;而D过程中使探头按菱形排列,水平轴线与C过程探头的水平轴线相同。此时在对应路径上检测范围扩大,能够覆盖缺陷,检测过程则可以发现电桥式线圈对能够产生检测信号,互感式产生较为较弱的检测信号,判断出缺陷的存在,信号指示灯均亮起。
4) 该检测系统能够对缺陷的存在与否通过2种结构模式进行双重判断,产生缺陷信号后通过指示灯来快速直观地让操作人员发现金属表面缺陷的存在,对缺陷检测具备较高的灵敏度。
4 结论
1) 基于模块化理念实现了针对众多工业设备的模块化涡流阵列探伤系统的设计。
2) 实验表明在所选定的各项参数下能够快速通过电压信号对金属近表面常出现的缺陷做出有效直观的判断,利用2种线圈模式的组合扩大了检测灵敏区域。
3) 对检测区域内相对探头不同位置的缺陷都有较高的检测灵敏度,检测过程中只需进行线性扫描,提升了检测速度。
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