脈沖渦流傳感器在剎車盤表面缺陷檢測中的應(yīng)用

張華宇,劉文貝,謝鳳芹,張偉鵬

(1.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島 266590；2.山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

脈沖渦流檢測是渦流無損檢測技術(shù)中最有效的方式之一，其寬頻譜的激勵方式使其能夠提供更多關(guān)于被測試件缺陷的信息。作為一項快速發(fā)展的技術(shù)，脈沖渦流已經(jīng)應(yīng)用在金屬厚度測量、多層結(jié)構(gòu)缺陷檢測、應(yīng)力測量和腐蝕檢測等領(lǐng)域中[1-3]。

剎車盤長期使用會產(chǎn)生磨損、腐蝕等缺陷，其質(zhì)量直接影響汽車的安全性能。汽車剎車盤主要通過鑄造的方式生產(chǎn)，制造過程中容易出現(xiàn)氣孔、縮孔、縮松等常見鑄造缺陷。目前剎車盤工件的缺陷檢出方法為目視或磁粉探傷，依賴目視檢出的方法檢出率低，存在漏檢的風(fēng)險，而磁粉探傷設(shè)備體型龐大，對環(huán)境污染大[4-5]。利用脈沖渦流具有檢測設(shè)備成本低、檢測速度快等優(yōu)點，將脈沖渦流傳感器用于檢測剎車盤表面缺陷。

1 脈沖渦流無損檢測工作原理

脈沖渦流的激勵電流為具有一定占空比的方波，在激勵脈沖的上升沿和下跳沿，電流的突變使感應(yīng)磁場發(fā)生急劇變化，感生出周期性跳變的磁場稱為一次場，磁場在剎車盤中感生出的渦流產(chǎn)生一個隨時間變化的磁場，稱為二次場，傳感器拾取的磁場為一次場和二次場的疊加場并轉(zhuǎn)換為電壓信號。剎車盤表面缺陷會影響剎車盤中渦流的走向和分布，從而引起二次場的變化，最終導(dǎo)致一次場和二次場的復(fù)合場發(fā)生變化，從而導(dǎo)致磁傳感器的輸出量發(fā)生變化[6]。

2 檢測系統(tǒng)構(gòu)成

剎車盤表面缺陷脈沖渦流檢測系統(tǒng)由DG1022U函數(shù)發(fā)生器、激勵線圈、剎車盤、霍爾傳感器、放大濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡、傳動機構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和計算機組成，如圖1所示。

圖1 脈沖渦流檢測系統(tǒng)框圖

2.1 激勵線圈及檢測傳感器設(shè)計

采用線徑為0.31 mm的純銅漆包線繞制內(nèi)徑為8 mm、外徑為16 mm、高度為9 mm的圓柱形激勵線圈，匝數(shù)為240匝，阻值為3 Ω。剎車盤為鐵磁性材料，當(dāng)用矩形線圈激勵時系統(tǒng)引入了較強的漏磁信號，使得分析變得復(fù)雜，而用圓柱形線圈激勵時，漏磁信號很小可以忽略，所以實驗選用圓柱形線圈激勵[7]。

采用SS495A型霍爾傳感器，它具有高達(3.125±0.125)mV/mT的磁場檢測靈敏度。由于霍爾傳感器可以實現(xiàn)對磁場的直接測量，且測量磁場具有靈敏度高、體積小、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)點，因此采用霍爾傳感器測量磁場。傳感器探頭如圖2所示。

圖2 傳感器實物圖

2.2 放大濾波電路及數(shù)據(jù)采集

霍爾傳感器輸出的信號中含有直流分量并且磁場變化引起的電壓值變化通常為μV或mV級別，因此采用電容和電阻構(gòu)成的高通濾波電路濾除直流分量，用集成運放AD620放大微弱信號。濾波電路為采用OP07CP運算放大器組成的四階有源低通濾波器，有效地濾除高頻雜波。采用USB4711A數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，分辨率為12位，采樣速率為150 K/s。

2.3 傳動機構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)

傳動部分主要包括步進電機、皮帶輪結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸承，由于剎車盤的質(zhì)量較大,因此選擇通過皮帶輪結(jié)構(gòu)增加扭矩。支撐部分由歐標(biāo)40型材搭建。

2.4 小波去噪程序

采用MATLAB小波變換進行信號去噪。信號去噪函數(shù)選用一維信號去噪函數(shù)wden，閾值選取規(guī)則選用基于Stein的無偏似然估計原理的自適應(yīng)閾值選擇(rigrsure)。選擇軟閾值函數(shù)，閾值尺度改變的比例選擇mln(表示對不同分解層次的小波進行獨立的噪聲估計)，分解層次為10層，小波選擇sym8小波。實驗提取小波去噪信號的峰峰值和信噪比。

3 試驗結(jié)果與分析

實驗條件為：激勵頻率為10 kHz、占空比為0.5、激勵線圈提離高度為2.5 mm、數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為25 kHz，采集激勵電壓幅值分別為4、5、6、7、8、9 V，共6組數(shù)據(jù)，如圖3所示。不同激勵電壓下小波去噪信號的峰峰值和信噪比如圖4所示。

(a)4 V

(b)5 V

(c)6 V

(d)7 V

(e)8 V

(a)

(b)圖4 峰峰值和信噪比隨激勵電壓變化曲線圖

由圖3可見，在剎車盤表面無缺陷處，檢測信號波形為水平直線，上下微小波動是由剎車盤表面紋路引起，在有缺陷處，信號有較大的躍升或者下凹。由圖4可見，檢測信號信噪比(峰峰值)隨激勵電壓升高近似成線性增加(遞減)規(guī)律。激勵電壓越高，線圈中電流越大，產(chǎn)生的磁場強度更強，抵抗外界干擾信號的能力相應(yīng)增強，但是隨著激勵電壓的增加，檢測信號的峰峰值不斷減小，使得小缺陷信號變化不明顯，容易產(chǎn)生漏檢。當(dāng)電壓增大時，激勵線圈功率增加，使得線圈發(fā)熱量增大，因此電壓不能一味地增大，否則線圈溫度的變化將引入無關(guān)變量的干擾。

實驗條件為：激勵頻率為10 kHz、激勵電壓幅值為7 V、占空比為0.5、數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為25 kHz，采集激勵線圈提離高度為2、2.5、3、3.5、4、4.5 mm，共6組數(shù)據(jù)，如圖5所示。不同提離高度下小波去噪信號的峰峰值和信噪比如圖6所示。

(a)提離2 mm

(b)提離2.5 mm

(c)提離3 mm

(d)提離3.5 mm

(e)提離4 mm

(f)提離4.5 mm

(a)

(b)

由圖6可見，檢測信號峰峰值和信噪比均隨提離高度的減小而增大，這是因為提離高度越小，激勵線圈在剎車盤表面感生出的磁場越集中，磁場強度越強，抵抗外界干擾信號的能力相應(yīng)增強，同時缺陷對渦流的擾動更大。因此降低提離高度有益于檢測結(jié)果的靈敏度和信噪比的提高。

實驗條件為：激勵頻率為10 kHz、激勵電壓幅值為10 V、占空比為0.5、激勵線圈提離高度為1.5 mm、數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為25 kHz，采集占空比為0.1～0.9，每次遞增0.1，共9組數(shù)據(jù)，如圖7所示。不同占空比下小波去噪信號的峰峰值和信噪比如圖8所示。

(a)10%

(b)20%

(c)30%

(d)40%

(e)50%

(f)60%

(g)70%

(h)80%

(i)90%

(a)

(b)圖8 峰峰值和信噪比隨占空比變化曲線圖

由圖8可見，檢測信號峰峰值以占空比0.5為最低點向占空比增大和減小的方向遞增，近似呈U型分布。在占空比為0.2～0.8區(qū)間，信噪比以占空比0.5為最低點向占空比增大和減小的方向遞增，近似呈V型分布，占空比大于0.8和小于0.2時信噪比下降。兼顧檢測信號峰峰值和信噪比，占空比0.2、0.3、0.7和0.8為較佳選擇。較大的占空比對應(yīng)較大的激勵功率，大功率下激勵線圈長時間工作會產(chǎn)生大量熱量，引入溫度這一無關(guān)變量的干擾。因此，選擇占空比0.2最佳。

4 結(jié)論

實驗證明了脈沖渦流傳感器用于檢測剎車盤表面缺陷的可行性，占空比、激勵電壓和提離高度對檢測信號的影響規(guī)律如下：檢測信號信噪比(峰峰值)隨激勵電壓升高近似成線性增加(遞減)規(guī)律；檢測信號峰峰值和信噪比均隨提離高度的減小而增大；檢測信號峰峰值以占空比0.5為最低點向占空比增大和減小的方向遞增，近似呈U型分布，檢測信號在占空比0.2、0.3、0.7和0.8時具有較大信噪比。兼顧檢測信號峰峰值和信噪比，同時為避免激勵線圈產(chǎn)生較大熱量，選定0.2為最佳占空比。