電渦流薄壁鋁型材通孔個數(shù)檢測系統(tǒng)

左曉芳，尤麗華，周德強，2，李　唐，吳佳龍

(1．江南大學機械工程學院，江蘇無錫　214122；2．無錫國盛精密模具有限公司，江蘇無錫　214024)

0　引言

目前鋁型材孔檢測的方法主要有：電渦流檢測、光電檢測、超聲波檢測等[1]。光電檢測法雖然可以較快地完成通孔個數(shù)的檢測，但容易受到鋁板表面保護膜影響，對通孔的個數(shù)造成誤判[2]；超聲波檢測在檢測孔特征方面具有和光電檢測相近的原理，但是檢測距離短，需要較高的處理速度，給系統(tǒng)增加難度；針對檢測實驗過程中光電檢測法和圖像法的不足，本文利用電渦流檢測法對薄壁鋁型材通孔個數(shù)進行檢測，有效避免了保護膜反光的影響以及檢測距離的限制。

1　探頭的仿真與設計

由于一般的在線檢測用傳感器探頭均尺寸較大，不適合對通孔的檢測，而且通孔的檢測對于傳感器的安裝位置要求很高，鋁型材通孔的檢測往往因為傳感器的大小或者安裝精度的問題導致漏檢、誤檢現(xiàn)象出現(xiàn)，且由于光伏鋁型材的厚度僅為1 mm，當鋁型材對應的幾何尺寸發(fā)生微小變化時都會對信號產生影響，為提高信號的精度，在實際實驗之前必須對探頭尺寸進行必要的仿真。

文中針對長寬厚分別為14 mm、9 mm、1 mm的光伏鋁型材通孔利用COMSOL Multiphysics物理場仿真軟件對其磁場進行了有限元仿真，建立了如圖1所示的脈沖渦流通孔個數(shù)檢測的二維圓柱軸對稱模型，該模型由線圈、鋁型材以及空氣域組成，分別對對應區(qū)域進行相應參數(shù)和求解域設置，完成該模型瞬態(tài)場中的仿真。仿真過程采用控制變量法以通孔的長度和寬度為依據，通過改變線圈尺寸和提離高度，實現(xiàn)線圈尺寸和提離高度最優(yōu)化。 首先在提離高度不變的情況下，根據線圈直徑不應大于被測體環(huán)1.8倍的原則[3]，以通孔的尺寸為依據設計了內徑為2 mm，外徑R分別為6 mm、7 mm，高度h分別為10 mm、19 mm的4種線圈尺寸。圖2(a)、圖2(b)分別為提離高度為1 mm、0.5 mm時對應的4種模型的差分信號曲線，由圖2可得：

圖1　仿真模型

(a)提離1 mm差分信號

(b)提離0.5 mm差分信號

(1)提離不變時，線圈高度越小，特征信號越明顯；

(2)線圈外徑尺寸始終小于通孔的最大尺寸時，薄壁鋁型材產生的電渦流信號強度最大；

(3)提離高度為0.5 mm，線圈內徑2 mm、外徑6 mm、高度10 mm時差分信號最顯著。由此本設計最終確定出最適合薄壁通孔的探頭模型為：線圈內徑r=2 mm，線圈外徑R=6 mm，高度h=10 mm，匝數(shù)N=1 000 匝，提離高度L=0.5 mm．

圖3(a)、圖3(b)分別是上述確定的最優(yōu)化探頭模型在仿真過程中對應的線圈磁場分布和信號變化曲線，由圖3(a)可以看出此時的磁場分布集中且磁場強度較大，由圖3(b)可知在此模型下，當探頭由無孔區(qū)域向有孔區(qū)域移動時，探頭接收的信號變化非常大，由于有孔時的信號強度遠遠大于無孔時，在圖中可以看到此時參考信號即圖中無孔信號幾乎接近為零，較好地驗證了探頭的有效性。根據仿真結果，最終設計制作了尺寸為r=2 mm，R=6 mm，h=10 mm，N=1 000 匝的探頭模型，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化轉化為電壓量，且電壓信號與磁場信號成正比。

2　檢測系統(tǒng)設計

2．1檢測系統(tǒng)總體設計

針對鋁合金通孔的特點，利用脈沖渦流法建立了薄壁鋁合金通孔個數(shù)的檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)的整體框圖如圖4所示，該系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生、信號采集、信號調理、特征信號提取量化和單片機計數(shù)5個模塊。同時系統(tǒng)采用了占空比D=50%，頻率f=500 Hz的方波對電渦流傳感器進行激勵，此頻率和占空比可以有效地提高脈沖渦流的滲透深度和檢測靈敏度。由傳感器輸出的電壓檢測信號通過一系列的電路變換，將通孔的信號轉換為單片機能夠識別的高電平形式，最終通過單片機的計數(shù)功能，有效地完成通孔個數(shù)的在線統(tǒng)計功能。

(a)磁場分布

(b)信號變化曲線

圖4　檢測系統(tǒng)總體框圖

2．2信號調理模塊

電渦流檢測時檢測信號受工件的尺寸影響非常大，金屬材料越薄產生的渦流場勢必越弱，信號的信噪比也較低，有效信號的提取和處理難度也隨之增加，因此信號調理模塊是實現(xiàn)通孔個數(shù)統(tǒng)計的關鍵環(huán)節(jié)，是組成檢測系統(tǒng)的重要部分[4]。根據薄壁信號特點，設計主要從以下幾個方面對信號進行調理，如圖5所示為信號的調理過程。

(1)將傳感器探頭采集的信號經過有源高通濾波去除傳感器信號中的直流量；

(2)通過整流將信號轉變?yōu)閷膯蜗蛎}動信號，同時利用去耦電容去除信號毛刺使信號更加平滑；

(3)利用低通濾波濾掉高于截止頻率的信號，再利用運算放大器將信號處理再放大，再通過減法運算減掉信號中的部分直流量；

(4)利用遲滯比較將信號轉化為高低電平，同時利用二極管的單向導通功能將輸出信號的高低電平控制為0～5 V。

圖5　信號調理過程

2．3信號調理主要電路設計

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的信號發(fā)生電路[5]，實驗時通過調節(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管將脈沖方波進行預定的放大；信號調理模塊利用帶有差動輸入的LM324四運算放大器實現(xiàn)信號的放大、濾波、減法運算和遲滯比較。

2．3．1高通濾波電路

(1)

具體電路如圖6所示。

圖6　高通濾波電路

2．3．2整流放大電路

整流放大電路利用整流二極管組成的單相橋式電路將雙向信號變?yōu)閱蜗蛎}動信號，使輸出電壓變?yōu)閷斎腚妷旱?.9倍。為使信號變得平滑，電路中采用0.01 μF電容去除信號中毛刺，同時由RC組成具有截止頻率50 Hz的低通濾波電路，對信號進行進一步濾波，減小整流后電壓的脈動程度，并將得到的信號經過同相放大電路實現(xiàn)信號的進一步放大。具體電路如圖7所示。

2．3．3減法運算電路

減法運算電路如圖8所示，在運算放大器的同相輸入端接入整形放大電路的輸出信號，在反相端接入12 V電壓組成差分運算電路，可以有效避免共模信號，放大差分信號。該電路在檢測系統(tǒng)中用于減掉信號中的部分直流量，使信號保持在預定范圍之內，同時在電路中加入了平衡電阻R11使信號更加穩(wěn)定。

圖7　整流放大電路

圖8　減法運算電路

2．3．4遲滯比較電路

為將輸出信號轉換為單片機能夠識別的信號，檢測電路采用帶有參考電壓的下行遲滯比較電路，具體電路如圖9所示。利用式(2)、式(3)得到對應的上下門限電壓，其中uom為信號輸出最大電壓，在此處設置為單片機能夠識別的5 V電壓，使信號以±5 V的高低電平形式輸出。最后通過電路末端輸出端二極管的單向導通性能使遲滯比較電路的輸出信號最終變?yōu)?～5 V的高低電平。

(2)

(3)

圖9　遲滯比較電路

3　系統(tǒng)性能測試

為驗證檢測系統(tǒng)的有效性，試驗時采用厚度為1 mm且通孔均勻分布的鋁合金板作為檢測對象，其中通孔的尺寸與仿真模型中提到的一致，即長寬厚分別為14 mm、9 mm、1 mm．實驗中選取頻率f=500 Hz，占空比50%，幅值為12 V的脈沖電壓作為激勵信號，同時為提高檢測精度，試驗過程模擬在線檢測系統(tǒng)的運動過程，使傳感器沿著鋁合金板勻速地從無孔向有孔方向連續(xù)反復移動，得到對應的檢測信號。信號處理得到的最終信號如圖10所示，信號處理系統(tǒng)將探頭檢測的信號最終轉換成高低電平的形式輸出，每個高電平就代表對應的一個通孔，因此通過單片機的計數(shù)功能實時記錄對應高電平的個數(shù)就可以得出對應通孔的個數(shù)，有效實現(xiàn)了對通孔個數(shù)的檢測，驗證了檢測系統(tǒng)的有效性。

圖10　最終輸出信號

4　結論

設計了一種利用脈沖渦流對薄壁鋁合金板工藝參數(shù)進行檢測的系統(tǒng)，包括傳感器探頭的仿真制作，檢測系統(tǒng)總體設計以及電路搭建，并針對對應的鋁合金板通孔個數(shù)進行了相關的試驗驗證，試驗結果表明該系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)通孔個數(shù)的檢測，在實際的在線檢測過程中，只需要利用單片機統(tǒng)計輸出信號中高電平的個數(shù)就可以得到對應的通孔個數(shù)。同時該檢測系統(tǒng)不僅可以檢測薄壁鋁合金的工藝參數(shù)，還可以擴展到其他材料的相關工藝參數(shù)以及缺陷檢測中，使電渦流的應用更加廣泛。

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