鐵磁性材料脈沖漏磁檢測成像系統(tǒng)的設(shè)計

周德強， 常 祥，趙 健，曹丕宇，王 華

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；2.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122 )

鐵磁性材料脈沖漏磁檢測成像系統(tǒng)的設(shè)計

周德強*1,2， 常 祥2，趙 健2，曹丕宇2，王 華2

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；2.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122 )

針對鐵磁性金屬材料損傷大范圍檢測的需求，提出了基于矩形探頭x分量檢測的方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于LabVIEW開發(fā)的檢測成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件模塊和軟件模塊2個部分，其中硬件部分主要包括信號模塊、功放模塊、分時復(fù)用模塊、信號處理與采集模塊、脈沖漏磁陣列檢測傳感器模塊等部分，軟件部分主要包括信號采集程序、信號消噪程序以及成像程序等部分。實驗證明該實驗系統(tǒng)具有較好的靈敏度，可以滿足鐵磁性缺陷成像的要求。

鐵磁性金屬；矩形線圈；陣列檢測；成像實驗

0 引言

鐵磁性材料在電站設(shè)備、鐵道與造船、石油與化工、鍋爐和壓力容器、建筑、冶金和機械制造等工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用[1-3]。對船舶、壓力容器等大體積物體進行檢測時，通常需檢測的金屬材料面積非常大。單個脈沖漏磁探頭的檢測覆蓋面積無法滿足這些大型設(shè)備的檢測任務(wù)要求[4-6]。

脈沖漏磁陣列檢測作為無損檢測中一種檢測方式，具有檢測速度快速、檢測面積廣等優(yōu)點，同時單元探頭具有與傳統(tǒng)探頭相同的分辨率和靈敏度[7-8]。此外，脈沖漏磁陣列傳感器結(jié)構(gòu)排布靈活，可以方便地對大型設(shè)備的復(fù)雜形狀缺陷進行檢測[9-10]。

鐵磁性金屬材料由于自身的磁導(dǎo)率的不均勻性特性不適合渦流大面積檢測[11]。針對這種現(xiàn)狀，需要設(shè)計出一種能夠針對鐵磁性金屬大面積檢測的陣列探頭。

1 脈沖漏磁檢測理論

根據(jù)磁場傳播原理，當(dāng)磁感應(yīng)線穿過兩種磁導(dǎo)率相差較大的磁導(dǎo)體交界面時會發(fā)生彎折，并且兩種磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率相對差值越大，則折射的角度越大。這種折射現(xiàn)象就是漏磁檢測的基本電磁學(xué)原理。由于在缺陷處磁感線依靠空氣傳播，而空氣的磁導(dǎo)率遠遠小于鐵試件，同時磁阻較大，磁感線會在缺陷周圍改變傳播路徑。磁感線改變方向后大部分都從磁阻較小的缺陷底部穿過，形成磁感線聚集壓縮的現(xiàn)象。如果試件內(nèi)磁通較強或裂紋體積較大，則磁感線經(jīng)過折射后從試件缺陷左邊上方空氣中溢出，在缺陷上方的空氣中行進一段距離，再經(jīng)缺陷另一邊進入試件，形成類似拱形形狀漏磁場，如圖1所示。脈沖漏磁技術(shù)借鑒了脈沖信號的特殊優(yōu)點，脈沖波形經(jīng)FFT變換后可以變化為基波和諧波分量。在時域上，脈沖信號提供的是周期性矩形波，在其他條件相同的情況下，增加脈沖的寬度或者周期可以增加激勵磁場的透入深度；在頻域上，由于脈沖信號具有很寬的頻譜，高頻部分對表層和近表層缺陷具有較好的檢測效果，低頻部分對深層缺陷具有較好的檢測效果，因此采用脈沖漏磁檢測方式可以有效提高不同位置缺陷的檢測識別率。

圖1 漏磁場形成示意圖Fig.1 The formation of leakage magnetic field

2 仿真理論研究

本文采用Comsol Multiphysics 4.3b軟件建立了如圖2所示的三維矩形激勵線圈檢測模型，并在AC/DC模塊的瞬態(tài)電磁場環(huán)境下進行求解和分析。在模型中，試件為長寬高為90 mm×90 mm×10 mm，矩形線圈的長寬高為32 mm×28 mm×18 mm，提離高度為0.5 mm；漆包線截面積為1 mm2，匝數(shù)為200匝；空氣域為半徑為150 mm的圓。定義邊界條件為磁感線平行于模型的邊界，對模型進行網(wǎng)格的劃分，采用計算線圈電流密度的方法向矩形線圈導(dǎo)入幅值為0.1 A，頻率為100 Hz的脈沖電流來在瞬態(tài)的環(huán)境下進行求解。仿真試樣中鐵磁性金屬材料設(shè)置為鐵，其電導(dǎo)率分別為1.12e7 S/m，相對磁導(dǎo)率為4 000。

圖3為鐵磁性試件周圍磁場分布圖，鐵磁性金屬材料上的磁感線主要分布在缺陷處附近，而且缺陷上方的磁感線不僅最為密集且存在向上凸的現(xiàn)象。圖4為鐵磁性材料缺陷處磁感線分布圖，圖4清晰顯示了鐵磁性試件缺陷處磁場的折射現(xiàn)象。矩形線圈軸線與缺陷垂直放置方式時，在鐵磁性金屬缺陷處會產(chǎn)生漏磁效應(yīng)，具有脈沖漏磁檢測的特性。

圖2 矩形線圈檢測三維仿真模型Fig.2 Three Dimensional Simulation Model of Rectangular Coil Detection

圖3 鐵磁性試件周圍磁場分布圖Fig.3 Magnetic field distribution around ferromagnetic specimen

圖5為鐵磁性金屬x分量磁感應(yīng)強度圖。x分量的磁通隨著缺陷深度的加深而呈現(xiàn)規(guī)律性的增加。這是由于在缺陷的正上方，x分量磁場是單一的漏磁場信號，單維度的漏磁場雖然強度比復(fù)合場的要小，但其強度與缺陷深度正相關(guān)，更適合作為鐵磁性缺陷深度檢測的特征量。

3 系統(tǒng)設(shè)計

陣列檢測整體實驗系統(tǒng)的框架圖如圖6所示。硬件平臺主要包括信號模塊、功放模塊、分時復(fù)用模塊、信號處理與采集模塊、陣列檢測傳感器模塊等方面；軟件平臺主要包括信號采集程序、信號消噪程序以及成像程序等方面。

圖4 鐵磁性試件缺陷處磁力線分布Fig 4 Magnetic field distribution at the defect of ferromagnetic specimen

圖5 鐵磁性金屬x分量磁感應(yīng)強度Fig.5 Ferromagnetic metal x component magnetic field strength

圖6 檢測系統(tǒng)整體框架圖Fig.6 Frame of the whole detecting system

3.1 硬件系統(tǒng)

實驗裝置主要由脈沖信號發(fā)生器、矩形激勵線圈、Hall傳感器、GMR傳感器、功率放大模塊、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和被檢試件組成。信號發(fā)生器主要采用YUANLONG VD1641函數(shù)發(fā)生器作為脈沖信號發(fā)生模塊。功率放大模塊主要使用英國Newton科技公司LPA05型功放儀器。信號調(diào)理電路主要包括濾波電路和信號放大電路。數(shù)據(jù)采集模塊選用Adlink公司推出的一款數(shù)據(jù)采集卡DAQ2010作為實驗所使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。分時復(fù)用模塊采用的是DAM1012繼電器控制電路模塊。

本實驗使用的檢測探頭如圖7所示，其中激勵線圈尺寸為32 mm×28 mm×18 mm。線圈上方為NVE公司制造的AA002-02E巨磁阻傳感器制作成的陣列PCB板傳感器，尺寸為32 mm×28 mm。圖8為待檢測鐵板試件實物圖及尺寸圖；圖9為鐵磁性金屬陣列檢測集成系統(tǒng)圖。

圖7 矩形檢測探頭實物圖Fig.7 Physical map of rectangular detection probe

圖8 鐵板試件實物及尺寸圖Fig.8 Dimensions of iron plate specimen

圖9 鐵磁性金屬陣列檢測集成系統(tǒng)圖Fig.9 Diagram of ferromagnetic metal array detection integrated system diagram

3.2 軟件系統(tǒng)

圖10是基于強度視覺識別系統(tǒng)(Visual Identity, Ⅵ)的實時成像整體程序圖。程序?qū)崿F(xiàn)的流程是：采集信號經(jīng)過物理通道進入虛擬儀器，設(shè)置采樣率進行數(shù)字采集，采集得到的信號經(jīng)過濾波器Ⅵ進行巴特沃斯低通濾波，同時分別添加信號顯示Ⅵ對濾波前和濾波后波形進行對比顯示。濾波后的信號已經(jīng)除去大部分噪聲，波形也較為平滑，可以進行特征值提取。單次實現(xiàn)特征值提取之后再對信號峰值做差分處理，峰值信號會暫時存儲在內(nèi)存之中。設(shè)置定時循環(huán)結(jié)構(gòu)，將采集程序循環(huán)9次，配合分時復(fù)用電路的定時切換，依次提取出9個通道信號的峰值。峰值信號數(shù)組輸出的形式是一維的9個數(shù)據(jù)，而強度圖Ⅵ接收端只允許二維的數(shù)據(jù)進入。因此引入MATLAB程序框，通過reshape函數(shù)將數(shù)組轉(zhuǎn)換為3×3的數(shù)組形式。最后把調(diào)整好的矩陣數(shù)組值輸入進強度圖進行成像。在成像顏色圖中，黃色代表數(shù)據(jù)范圍的最小值，紅色代表最大值，依顏色深淺可以判斷缺陷的嚴(yán)重性，依深色區(qū)域的數(shù)量可判斷缺陷的形狀大小。圖11為成像檢測軟件的采集界面。

圖10 成像整體程序圖Fig.10 Image of the whole program

圖11 陣列成像檢測界面Fig.11 Array imaging detection interface

4 實驗結(jié)果分析

4.1 九通道信號波形圖

在靜態(tài)成像之前，先將采集得到的九通道波形信號經(jīng)過濾波平滑后，利用MATLAB函數(shù)繪制成如圖12所示的九通道陣列檢測信號掃描圖。從圖12中可以看出，九組通道信號中豎排中間3個通道信號峰值較其他通道的信號要大，這是因為本實驗使用的檢測試件是帶有縱向缺陷的鐵板，在缺陷處漏磁場較強，因此缺陷通道上方的傳感器信號會接收到較大的電壓信號。2 mm缺陷處檢測到的信號峰值為0.11 V，4 mm缺陷處檢測到的信號峰值為0.21 V，6 mm缺陷處檢測到的信號峰值為0.29 V，8 mm缺陷處的信號峰值為0.41 V，符合缺陷深度的定量關(guān)系。

4.2 LABVIEW成像實驗圖

圖13為LABVIEW的成像檢測界面圖。圖13中分別顯示采集卡采集得到的原始信號和濾波后的信號。波形顯示模塊下方是九通道切換采集的信號峰值數(shù)組。右邊為成像顯示VI模塊。

圖14為2、4、6、8 mm深度缺陷的虛擬儀器成像結(jié)果圖。從圖16中可以看出：該成像系統(tǒng)對不同深度缺陷檢測具有較好的成像顯示分辨效果，區(qū)域色塊紅色越深，則代表色塊區(qū)域下方的缺陷越深，根據(jù)顏色對比可以發(fā)現(xiàn)缺陷的深淺及形狀走向。

5 結(jié)論

針對鐵磁性材料的檢測，設(shè)計了基于脈沖漏磁原理的陣列成像檢測探頭，同時設(shè)計了整個成像檢測實驗系統(tǒng)。由于該成像系統(tǒng)由于具有多個陣列探頭，相比單個檢測探頭具有檢測范圍廣等優(yōu)點。系統(tǒng)通過顏色代替特征值的方法，可以較好地顯示出缺陷的深度和形狀信息，同時具有較高的檢測精度。該系統(tǒng)采用脈沖漏磁的檢測方法，可以有效地對大面積鐵磁性金屬材料的缺陷進行檢測。

圖12 鐵板試件不同深度缺陷陣列檢測信號波形圖Fig.12 Texture of different depth defects in iron plate test signal waveform

圖13 鐵板動態(tài)成像界面圖Fig.13 Interface diagram magnetic plate dynamic imaging interface diagram

圖14 鐵板檢測強度圖動態(tài)成像圖Fig.14 Iron plate detection intensity diagram dynamic imaging

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Design of Imaging System on Ferromagnetic Material Based on Pulsed Magnetic Flux Leakage Nondestructive Testing

ZHOU De-qiang*1,2, CHANG Xiang2, ZHAO Jian2, CAO Pi-yu2, WANG Hua2

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China；2.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,WuxiJiangsu214122,China)

A test imaging system based on LabVIEW is designed using rectangular probe based onxcomponent detection, which can be large scale detection of ferromagnetic metal materials. The experiment system mainly includes the hardware modules and the software modules. The hard ware modules include the signal module, power amplifier module, time-sharing multiplexing module, signal processing and acquisition module, array detection sensor module of pulsed magnetic flux leakage and so on. Meanwhile, the software modules include the signal acquisition, the signal denoising and the imaging program and so on. The experimental results show that the system has a high sensitivity and accuracy, which can meet the requirements of ferromagnetic imaging experiments.

ferromagnetic metal; rectangular probe; array detection; imaging experiment

2017年5月20日

2017年6月30日

無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室開放基金(EW201780254)

周德強(1979年- )，男，博士，副教授,主要從事無損檢測及自動化等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.006

1673-6214(2017)04-0232-05