薄壁鋁型材軋痕深度的定量檢測研究

王 云，武美萍，左曉芳

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

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薄壁鋁型材軋痕深度的定量檢測研究

王 云，武美萍，左曉芳

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

針對鋁型材的軋痕工藝參數(shù)，以厚度僅為1 mm的均勻薄壁鋁型材為主，采用電渦流檢測方法，利用COMSOL有限元仿真軟件對探頭尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，搭建對應(yīng)的信號調(diào)理電路，得到最適合薄壁鋁型材軋痕深度檢測的電渦流傳感器。采集不同的軋痕深度信號并提取特征量，得到軋痕深度的定量化規(guī)律，同時搭建基于虛擬儀器LabVIEW的軋痕深度在線檢測平臺，實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時定量在線檢測,有效拓展了電渦流檢測的實(shí)用性。

薄壁鋁型材；電渦流傳感器；工藝參數(shù)；LabVIEW；定量檢測

0 引言

電渦流法既能檢測出表面軋痕,又能精確有效地通過電渦流測距的原理實(shí)現(xiàn)對表面軋痕的深度檢測，同時相對圖像法電渦流法的測量系統(tǒng)簡單且成本低[1]，因此本文將采用電渦流法對薄壁鋁型材軋痕深度進(jìn)行定量檢測。本文針對薄壁鋁型材軋痕工藝參數(shù)進(jìn)行定量研究。根據(jù)薄壁鋁型材表面軋痕的特點(diǎn)，主要從以下幾方面實(shí)現(xiàn)軋痕深度的定量檢測：首先通過有限元仿真對探頭尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到尺寸最優(yōu)化的傳感器探頭；然后采集不同深度的軋痕信號，進(jìn)行特征量提取，得到軋痕深度與傳感器輸出電壓的定量關(guān)系；最后根據(jù)定量化關(guān)系建立基于LabVIEW的軋痕深度檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時在線測量。

1 探頭優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

探頭的靈敏度主要取決于線圈的設(shè)計(jì)，線圈結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、匝數(shù)等都是影響電渦流傳感器性能的關(guān)鍵因素[2]。根據(jù)電渦流傳感器的工作原理，交變電磁場中各個參數(shù)的變化均能影響到整個檢測系統(tǒng)的精確性[3]。因此為了得到對應(yīng)系統(tǒng)的最優(yōu)化探頭線圈尺寸參數(shù)，需要利用有限元模型對其電磁場進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，為傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。本文被測試件為厚度1 mm的薄壁鋁型材，對應(yīng)的表面軋痕為直徑1 mm、深度0.1～ 0.5 mm的定位孔。

1.1 探頭線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

探頭的結(jié)構(gòu)是影響電渦流傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素之一，合理設(shè)計(jì)探頭的結(jié)構(gòu)是檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的首要步驟[4]。本文對線圈的幾何截面形狀的研究，主要是比較圓柱形探頭和矩形探頭對鋁型材工藝參數(shù)進(jìn)行檢測時的磁場強(qiáng)度大小，從而合理選擇探頭線圈的形狀，有效的提高檢測精度。圖1為對應(yīng)的2種形狀的線圈對應(yīng)的檢測示意圖。

(a)圓柱形探頭檢測示意圖

(b)矩形探頭檢測示意圖

利用Comsol有限元仿真軟件對薄壁鋁型材對應(yīng)的圓柱形線圈和矩形線圈進(jìn)行相應(yīng)的仿真。仿真時，由于圓柱形線圈具有軸對稱結(jié)構(gòu)所以采用二維軸對稱模型如圖2(a)所示；而矩形線圈只具有面對稱結(jié)構(gòu)而不具有軸對稱結(jié)構(gòu)，所以矩形線圈的仿真采用三維立體仿真，仿真模型圖如圖2(b)所示。仿真模型均由試樣域、線圈域和空氣域組成。通過仿真得到了如圖3所示的不同截面形狀下的差分信號曲線，對此曲線分析可得，針對薄壁鋁型材，圓柱形線圈傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯大于矩形線圈傳感器，但響應(yīng)速度略小于矩形線圈，即同樣的工作條件下，圓柱形線圈作用下的磁場強(qiáng)度更強(qiáng)，可以獲得更好的磁場能量，適用于位移量測量；而矩形線圈作用下的傳感器靈敏度較高，適合應(yīng)用于材料的缺陷檢測和方向性探測[5]。本文鋁型材工藝參數(shù)的檢測主要是利用位移檢測原理，目的是得到差分信號峰值特征量與對應(yīng)工藝參數(shù)的特征量關(guān)系，故應(yīng)采用圓柱線圈，對應(yīng)的靈敏度補(bǔ)償可以通過優(yōu)化線圈參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

(a)圓柱形線圈仿真模型圖

(b)矩形線圈仿真模型圖

圖3 不同截面形狀差分信號曲線

1.2 線圈尺寸參數(shù)優(yōu)化

圓柱形線圈的尺寸參數(shù)主要包括線圈的內(nèi)徑r、外徑R、高度h以及匝數(shù)N，其中線圈的內(nèi)徑根據(jù)鐵芯內(nèi)徑選定2 mm不變，而線圈的匝數(shù)取決于線圈的幾何尺寸參數(shù)，其具體的計(jì)算公式為

N=δ·h/d2

(1)

式中：δ為線圈內(nèi)外徑之差；h為線圈的高度；d為漆包線直徑。

所以線圈尺寸的仿真主要針對的是線圈的外徑和高度的仿真。仿真過程中保持提離高度和激勵條件不變，根據(jù)各工藝參數(shù)的形狀和尺寸特點(diǎn)和線圈直徑不應(yīng)大于被測體環(huán)的1.8倍原則[6]，同時利用控制變量法對軋痕的檢測線圈的尺寸參數(shù)進(jìn)行了對應(yīng)的仿真分析。仿真試驗(yàn)過程中首先固定軋痕模型，確定出最適合的線圈模型，得到激勵線圈的外徑、高度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的具體變化規(guī)律；然后在線圈模型不變的情況下改變軋痕的深度，得到軋痕深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的具體規(guī)律。

1.2.1 線圈高度的仿真

軋痕激勵線圈高度仿真時，固定線圈內(nèi)徑r=2 mm、外徑R=4 mm且軋痕深度為0.1 mm不變，使線圈高度從4 mm依次遞增，同時改變對應(yīng)的線圈匝數(shù),具體仿真數(shù)據(jù)見表1，通過仿真得到圖4的軋痕激勵線圈高度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。由此可知，激勵線圈磁場強(qiáng)度以線圈高度6 mm為分界，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，且在線圈高度為6 mm時磁場強(qiáng)度達(dá)到最大。所以軋痕深度檢測時，應(yīng)將線圈高度盡量選取在6 mm左右，使檢測信號強(qiáng)度最大且更易檢測出軋痕的具體深度。

表1 軋痕高度仿真數(shù)據(jù)

圖4 激勵線圈高度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系

1.2.2 軋痕激勵線圈外徑值仿真

軋痕激勵線圈外徑仿真時，固定線圈內(nèi)徑r=2 mm、高度h=10 mm且軋痕深度為0.1 mm不變，使線圈外徑從6 mm依次遞增，同時改變對應(yīng)的線圈匝數(shù)，具體的仿真數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)仿真得到軋痕激勵線圈外徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖5。由此曲線分析可得，激勵線圈的磁場強(qiáng)度與線圈的外徑大小總體呈負(fù)相關(guān)，隨外徑的增大線圈中的磁場強(qiáng)度逐漸減小。因此要使軋痕深度檢測時信號最明顯，應(yīng)適當(dāng)減小線圈外徑，這樣既可增大信號強(qiáng)度，又可解決空間受限問題。

表2 軋痕外徑仿真數(shù)據(jù)

圖5 軋痕激勵線圈外徑與磁場強(qiáng)度關(guān)系

1.2.3 軋痕深度值仿真

軋痕深度值仿真時，首先根據(jù)上述尺寸仿真選定了表3對應(yīng)的3組激勵線圈模型，然后在線圈模型不變的情況下，通過改變軋痕的深度，得到從0.1～0.6 mm的不同軋痕深度對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab中進(jìn)行差分、提取峰值等處理得到軋痕深度與磁感強(qiáng)度的具體規(guī)律。由仿真得到了如圖6所示的3組線圈模型對應(yīng)的軋痕深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。比較圖中3條曲線可知，檢測軋痕深度時當(dāng)激勵線圈的外徑為6 mm、高度為6 mm時，線圈的靈敏度最高，符合軋痕激勵線圈尺寸參數(shù)仿真結(jié)果。因此，對軋痕深度進(jìn)行定量化檢測時，應(yīng)選取內(nèi)徑為2 mm、外徑為6 mm、高度為6 mm，匝數(shù)為1 000匝的線圈模型，同時利用線性擬合函數(shù)得到線性擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)R-Square=0.995 8接近于1，說明軋痕深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈較好的線性關(guān)系，且其對應(yīng)的具體關(guān)系式為

y=1.997×10-5x+0.516 4×10-5

(2)

表3 軋痕線圈模型

圖6 軋痕深度與磁場強(qiáng)度關(guān)系圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軋痕的檢測總體示意圖如圖7所示，首先由信號發(fā)生器產(chǎn)生1個頻率和占空比均可調(diào)的方波脈沖激勵信號，然后將經(jīng)過功率放大的信號輸入到線圈的驅(qū)動電路，電渦流傳感器中的線圈在方波激勵下在被測體表面和內(nèi)部產(chǎn)生感生電渦流，之后由霍爾傳感器將此過程中的磁場變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，最后將此輸出電壓信號輸入到信號調(diào)理部分，經(jīng)過一系列的放大、濾波、等處理后得到能夠滿數(shù)據(jù)采集卡的動態(tài)輸入范圍要求的信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，利用Matlab對信號進(jìn)行相依的分析處理，得到軋痕深度與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時檢測。

圖7 軋痕深度檢測系統(tǒng)總體框圖

2.2 具體檢測電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)信號發(fā)生模塊采用脈沖渦流作為激勵源，由NE555定時器組成占空比和頻率均可調(diào)的信號發(fā)生電路[7]，試驗(yàn)時通過調(diào)節(jié)電位器得到占空比D=50%、頻率f=500 Hz的方波，同時利用三極管和場效應(yīng)管將脈沖方波進(jìn)行預(yù)定的放大；信號調(diào)理模塊采用LM3886對激勵信號進(jìn)行功率放大，同時利用低功耗高精度的INA129信號放大器對霍爾傳感器輸出的微小渦流信號進(jìn)行放大處理以滿足數(shù)據(jù)采集卡的動態(tài)采集范圍，同時提高信號的信噪比。對應(yīng)的整體電路信號調(diào)理過程如圖8所示。

圖8 整體信號調(diào)理過程

3 軋痕深度定量化

根據(jù)仿真結(jié)果分別設(shè)計(jì)制作與表3對應(yīng)的3個電渦流傳感器，它主要由激勵線圈和霍爾磁傳感器組成，其中霍爾傳感器是將磁場的變換轉(zhuǎn)化為電壓量且電壓信號與磁場信號成正比，同時采用黑色膠帶用于保護(hù)探頭和屏蔽其他信號[8]。試驗(yàn)中選用與仿真過程中工藝參數(shù)尺寸特性相同的薄壁鋁型材，為實(shí)現(xiàn)不同深度的定量檢測，加工了如圖9所示的不同軋痕深度的薄壁鋁型材工件，其中軋痕的深度從0.1 mm到0.6 mm變化，利用電渦流傳感器和信號調(diào)理電路，搭建了圖10所示的試驗(yàn)平臺，完成對仿真結(jié)果的驗(yàn)證以及特征量的提取和分析。該試驗(yàn)平臺主要由DF1741SB3A直流電源、信號調(diào)理電路、電渦流傳感器、薄壁鋁型材試件以及數(shù)字示波器和DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡組成，完成對工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時顯示。

圖9 軋痕深度試件尺寸示意圖

試驗(yàn)時，首先固定1個激勵線圈尺寸不變，采集到1組無軋痕的信號作為參考信號，再依次采集從0.1 mm到0.6 mm的6組軋痕深度，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到1個激勵線圈下的軋痕深度與電渦流傳感器的輸出電壓關(guān)系，然后改變激勵線圈尺寸，采用同樣的方法得到不同激勵線圈尺寸下軋痕深度與傳感器輸出電壓的關(guān)系。

圖10 電渦流薄壁鋁型材工藝參數(shù)檢測試驗(yàn)平臺

經(jīng)過試驗(yàn)得到了如圖11所示的不同尺寸激勵線圈下，軋痕深度與輸出電壓的變化關(guān)系圖。分析3條曲線可以得到在檢測軋痕深度時，外徑為6 mm、高度為6 mm的傳感器靈敏度最高，這是因?yàn)閷τ诒”阡X型材的軋痕，當(dāng)激勵線圈的高度為6 mm時電渦流強(qiáng)度最大，同時隨著線圈外徑的增大傳感器的靈敏度也相應(yīng)減小與仿真結(jié)果一致。因此，軋痕深度檢測時宜采用內(nèi)徑為2 mm、外徑為6 mm、高度為6 mm、匝數(shù)為1000的電渦流傳感器。圖12為該傳感器檢測軋痕深度時得到的不同深度下的差分信號曲線，通過對該曲線提取峰值得到軋痕深度與輸出電壓具體數(shù)值關(guān)系見表4，同時得到軋痕深度與傳感器輸出電壓的關(guān)系曲線(圖13)，可以看出軋痕深度與輸出電壓呈良好的一次線性關(guān)系，且具體定量關(guān)系為：y=0.827 4x-0.043 4，根據(jù)此定量關(guān)系在實(shí)際檢測中即可利用得到的輸出電壓實(shí)時的計(jì)算出對應(yīng)的軋痕深度。

圖11 不同激勵線圈尺寸下軋痕深度與輸出電壓的關(guān)系

圖12 不同深度下的差分信號

表4 軋痕深度與輸出電壓關(guān)系表

圖13 軋痕深度與輸出電壓擬合曲線

4 基于LabVIEW的軋痕深度在線檢測系統(tǒng)

本文利用虛擬儀器LabVIEW搭建了對應(yīng)的軋痕深度檢測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是在 LabVIEW 8.6環(huán)境下使用DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡完成的，其界面包括前面板及程序框圖[9]，為實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時檢測，前面板主要完成對采樣參數(shù)的設(shè)置和信號波形實(shí)時顯示，整個檢測系統(tǒng)的程序框圖主要包括信號數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理和信號分析3大部分組成，有效實(shí)現(xiàn)對原始信號的采集、濾波、歸一化、差分、特征值提取以及軋痕深度值的計(jì)算，對應(yīng)的主程序流程圖如圖14所示。

圖14 軋痕深度檢測主程序流程圖

為驗(yàn)證LabVIEW軋痕深度檢測系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了具體的試驗(yàn)。圖15為試驗(yàn)過程的現(xiàn)場試驗(yàn)圖，試驗(yàn)時固定薄壁鋁型材試樣不變，使電渦流傳感器沿著鋁型材運(yùn)動，試驗(yàn)過程中選用DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡a0通道，采樣率設(shè)為10 000，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為1 000。開始采集后，首先采集無軋痕時的信號作為原始信號，然后移動傳感器位置到有軋痕的地方采集軋痕深度信號，進(jìn)入軋痕深度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)對采集信號的處理過程如圖16所示，可以看出該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r的對原始信號進(jìn)行采集并對其進(jìn)行對應(yīng)的濾波去噪、歸一化以及差分處理，且檢測結(jié)果與標(biāo)定值吻合，有效地驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

圖15 軋痕深度檢測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

(a)原始信號

(b)濾波信號

(c)歸一化信號

(d)差分信號

5 結(jié)論

本文采用電渦流方法對薄壁鋁型材表面軋痕深度的定量檢測進(jìn)行了研究，主要包括對電渦流傳感器尺寸參數(shù)的優(yōu)化、信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及信號特征量的提取，得出了軋痕深度與傳感器輸出電壓呈有規(guī)律的一次線性關(guān)系，同時利用此線性關(guān)系搭建了對應(yīng)的LabVIEW軋痕深度檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軋痕深度實(shí)時讀取，提高了薄壁鋁型材軋痕深度檢測的準(zhǔn)確性和精度，為工程實(shí)踐中薄壁鋁型材相關(guān)工藝參數(shù)的電渦流檢測提供一定的參考，有效地拓展了電渦流無損檢測的范圍。

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Quantitative Detection of Thin-walled Aluminum Extrusion Process Depth

WANG Yun,WU Mei-ping ,ZUO Xiao-fang

(School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Using eddy current detection method to study thin-walled aluminum of its rolling scar process parameters with uniform thickness of only 1 mm ,with COMSOL software to optimize the size parameters of eddy current sensor,corresponding signal conditioning circuit was designed and the eddy current sensor most suitable for detecting thin-walled aluminum extrusion process depth was

.Collecting roll marks signal data of different depths and extracting the characteristic quantity,quantify rule of the depth of roll marks was received.A LabVIEW online testing platform to finish online and real-time quantitative detection of rolling scar depth was designed,thus realizing real-time quantification online detection and effectively expanding the applicability of the eddy current detection.

thin-walled aluminum; eddy current sensor；process parameters; LabVIEW；quantitative detection

國家自然科學(xué)基金青年基金(51107053/E070104)；中國博士后基金資助(2012M520994)

2014-04-10 收修改稿日期：2014-11-25

TG156

A

1002-1841(2015)04-0088-05

王云(1986—)，碩士在讀 ，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。 E-mail：zdhwhd@163.com