一種基于無(wú)線傳輸技術(shù)的板材漏磁檢測(cè)儀的研制

聞七男，李清華，馮曉宇，孫毅博，劉世偉，孫燕華

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

目前，管道運(yùn)輸?shù)闹饕d體是大型直縫焊管，其管坯一般采用漸進(jìn)式模壓成形方法［1］，成型工藝主要有JCO法、CFE法和UOE法等［2-3］，而板材作為管道的母材，其質(zhì)量問(wèn)題時(shí)刻都要重視。板材在生產(chǎn)和加工過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)缺陷或瑕疵（如裂縫），若是不進(jìn)行檢測(cè)和質(zhì)量把控，則生產(chǎn)出來(lái)的直縫鋼管強(qiáng)度難以得到保證，為后續(xù)的安裝使用埋下了巨大的安全隱患。

目前板材檢測(cè)的主要方法有磁粉法、滲透法、超聲波法、真空泄漏法、漏磁檢測(cè)法、渦流法和機(jī)器視覺(jué)法等［4-8］。漏磁檢測(cè)因具有檢測(cè)速度快、靈敏度高和不受板材表面粗糙度影響等優(yōu)點(diǎn)，已大量應(yīng)用在板材的檢測(cè)中。對(duì)于板材缺陷的檢測(cè)問(wèn)題，國(guó)外很早就開(kāi)始關(guān)注重視，美國(guó)早在20世紀(jì)80年代末就將漏磁技術(shù)應(yīng)用于板狀鐵磁構(gòu)件的檢測(cè)［9-12］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，歐美一些國(guó)家不斷地推出了一些檢測(cè)精度更高、功能更加強(qiáng)大、使用更方便的檢測(cè)儀器，但是價(jià)格一般都比較昂貴，不利于在國(guó)內(nèi)大規(guī)模使用。我國(guó)在板材漏磁檢測(cè)方面也做了大量的研究，并研發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)儀器［13-15］，推動(dòng)了我國(guó)板材檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。隨著對(duì)漏磁檢測(cè)技術(shù)的不斷深入研究和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)一種可分離的模塊化檢測(cè)儀器來(lái)檢測(cè)現(xiàn)有的漏磁檢測(cè)儀器不方便或者不能檢測(cè)的地方，具有十分重要的意義。

1 儀器總體設(shè)計(jì)方案

基于無(wú)線傳輸技術(shù)的板材漏磁檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：底盤、無(wú)線發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)接受顯示模塊。底盤上裝有提供位置編碼的編碼器，編碼輪每轉(zhuǎn)一圈編碼器會(huì)產(chǎn)生200個(gè)脈沖，再配以相應(yīng)的軟硬件就可以精確地定位缺陷的位置。動(dòng)力方面，可以人力推動(dòng)底盤上的4個(gè)橡膠輪前進(jìn)，也可以依靠前面掛接輪轂電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。采用尺寸為 34 mm×52 mm×62 mm（高×寬×長(zhǎng)）的釹鐵硼永磁鐵作為磁源，沿高度方向充磁，將其沿長(zhǎng)度方向每5塊一合并分兩排安裝在底盤上的凹槽內(nèi)，通過(guò)前期漏磁檢測(cè)磁化器設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知兩排永磁鐵間隔28 mm時(shí)磁敏感元件的信號(hào)信噪比最好，再配合材料為工業(yè)純鐵的銜鐵、空氣及需要檢測(cè)的板材構(gòu)成磁回路，其單次掃查寬度可達(dá)310 mm（62 mm×5）。

兩排磁鐵之間安放一個(gè)不銹鋼材料的探靴，用來(lái)保護(hù)其內(nèi)部按一定規(guī)律排布的磁敏感元件，且探靴的提離值可通過(guò)腰型孔調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的檢測(cè)工況。探靴內(nèi)的磁敏感元件所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)安放在底盤上方的無(wú)線發(fā)射模塊傳送給數(shù)據(jù)接收顯示模塊，經(jīng)測(cè)試，傳送有效距離可超過(guò)100 m，信號(hào)經(jīng)過(guò)軟硬件的配合處理后即可實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的波形。此外，在設(shè)計(jì)檢測(cè)儀器的框架時(shí)還充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)的工況，可以調(diào)節(jié)角度和高度，便于在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)儀器的一大特色就是，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳送和接受模塊化設(shè)計(jì)，主體框架可以調(diào)節(jié)，兩者的配合保證了儀器可以適應(yīng)更多較復(fù)雜的工況。數(shù)據(jù)接收顯示模塊包括了一塊可觸摸的顯示屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示波形信號(hào)，一個(gè)充電接口，一個(gè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出/導(dǎo)入U(xiǎn)SB轉(zhuǎn)換接口和兩個(gè)開(kāi)關(guān)，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)分別用來(lái)控制波形顯示與采集。模塊化板材漏磁檢測(cè)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)接收顯示模塊隨檢測(cè)底盤一同工作的結(jié)果如圖1（a）所示，數(shù)據(jù)接收分析模塊不隨檢測(cè)底盤一同工作的結(jié)果如圖1（b）所示。

圖1 板材漏磁檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)示意

2 磁回路的設(shè)計(jì)與磁敏感元件的排布

漏磁檢測(cè)的原理就是通過(guò)磁化器將待檢鐵磁性材料磁化成磁飽和狀態(tài)，當(dāng)通過(guò)材料的有缺陷部位時(shí)，鐵磁性材料內(nèi)部的磁力線會(huì)發(fā)生泄漏，磁敏感元件剛好捕獲這一變化，再通過(guò)軟硬件的配合就可以輸出帶有缺陷的波形。所以通過(guò)檢測(cè)的原理就可以看出，磁化器的磁化能力及磁敏感元件的排布對(duì)檢測(cè)的精度和效果有很大的影響，要求磁化器磁化能力要足夠強(qiáng)，磁敏感元件可以捕獲較微弱的磁場(chǎng)突變而不漏檢。

儀器底盤去掉一個(gè)側(cè)板的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，前后軸上分別安裝2個(gè)輪子支撐起中間的磁化器，前后兩排永磁鐵的中間放探靴。磁化器距待檢測(cè)板材的距離會(huì)影響對(duì)板材的磁化能力，一般距離越小磁化能力越強(qiáng)，但這也會(huì)導(dǎo)致磁吸力過(guò)大，不利于儀器的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離為10 mm信號(hào)良好，而磁吸力適中。由于檢測(cè)時(shí)板材上的污垢較多，所以加大了前后軸與磁化器的距離，防止輪子被夾住而無(wú)法工作。

圖2 底盤結(jié)構(gòu)示意

探靴內(nèi)磁敏感元件的排布如圖3所示，兩排感應(yīng)線圈交錯(cuò)排列覆蓋率達(dá)到了150%，避免了漏檢。每5個(gè)感應(yīng)線圈首尾相連組成一個(gè)線圈組，將所有線圈的同名端相接構(gòu)成公共端，每個(gè)線圈組的另一端即為輸出信號(hào)線端。同時(shí)考慮到單一磁敏感元件不利于檢測(cè)多種缺陷，根據(jù)之前的試驗(yàn)，霍爾元件測(cè)截面積損失（如磨損）的信號(hào)較好，又在線圈的中間加入了霍爾元件。為了避免霍爾元件磁飽合后不能正常工作，此處霍爾元件的工作面與線圈的工作面相垂直，即霍爾元件用來(lái)檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng)的水平分量，感應(yīng)線圈檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng)的垂直分量。兩種元件相互配合保證了在檢測(cè)各種缺陷情況下不會(huì)漏檢，再通過(guò)各路模擬電壓信號(hào)之間取邏輯或，實(shí)現(xiàn)了缺陷信號(hào)較好的信噪比。

圖3 磁敏感元件排布示意

3 無(wú)線模塊

儀器工作時(shí)磁敏感元件會(huì)產(chǎn)生大量的模擬電壓信號(hào)，作為數(shù)據(jù)處理的第一步，數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定性和效率就顯得十分重要。磁敏感元件產(chǎn)生的原始模擬信號(hào)比較微弱且噪音較多，為便于信號(hào)的無(wú)線傳送和后期處理，無(wú)線發(fā)射模塊應(yīng)同時(shí)具有放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換及無(wú)線傳送的功能。為提高采集電路的穩(wěn)定性，將放大和濾波電路做成一塊電路板，再將A/D轉(zhuǎn)換電路和輸出網(wǎng)口另外單獨(dú)做成一塊電路板。兩塊電路板的外觀如圖4所示。

圖4 電路板示意

信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路采用的是STM32內(nèi)置的12位逐次趨近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有3個(gè)獨(dú)立的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），16條復(fù)用通道，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)換，支持外部觸發(fā)，支持?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)齊并通過(guò)DMA（直接內(nèi)存存儲(chǔ)）存儲(chǔ)，采樣頻率為20 kHz。存儲(chǔ)器件使用的SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），可以直接讀存芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)而不需要刷新電路，與flash（閃存）不同的是，系統(tǒng)斷電后，SRAM的內(nèi)部數(shù)據(jù)會(huì)丟失。

無(wú)線模塊（RF wireless module）是基于無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行通信的一種模塊，其廣泛應(yīng)用于無(wú)線控制、無(wú)線通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，其技術(shù)現(xiàn)在已相對(duì)較為成熟。該儀器采用HC-12無(wú)線433M串口模塊來(lái)完成轉(zhuǎn)換后信號(hào)的發(fā)射和接收功能，工作原理如圖5所示，工作頻率為433.4～474.0 MHz，多達(dá)100個(gè)通信頻道，最大可達(dá)100 MW發(fā)射功率。該儀器在測(cè)試時(shí)使用433.4 MHz的頻率，波特率為9 600 bitls，在樓內(nèi)測(cè)試傳輸距離可超過(guò)100 m，且信號(hào)信噪比依然較好。

圖5 無(wú)線模塊工作原理

4 試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)板材漏磁檢測(cè)儀樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室做了一個(gè)試驗(yàn)用的帶缺陷的試板，試驗(yàn)樣機(jī)與試板如圖6所示，試板帶缺陷的那一面與地面接觸，檢測(cè)儀器放在試板光滑的那一面上，前后推動(dòng)儀器即可檢測(cè)出缺陷。試板的材料為Q235，總厚度為10 mm，背面共做有3個(gè)Φ10 mm的盲孔來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，從平底到上表面的深度分別為2 mm，4 mm和6 mm。

為便于定位缺陷的位置，探靴內(nèi)的磁敏感元件所產(chǎn)生的信號(hào)被分成了4部分，在顯示屏上由上到下分4塊顯示，第一部分是霍爾元件的信號(hào)，第二、三、四部分分別是探靴中左、中、右3部分感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的信號(hào)，試驗(yàn)信號(hào)截屏如圖7所示。此外，為了便于大規(guī)模地檢測(cè)多塊板材，最后的檢測(cè)報(bào)表中應(yīng)分別給出每一塊板材的損傷情況，且顯示結(jié)果應(yīng)能夠表示出缺陷的當(dāng)量大小，為此在該儀器軟件開(kāi)發(fā)時(shí)又加入了彩帶圖功能。實(shí)驗(yàn)室模擬檢測(cè)所產(chǎn)生的彩帶圖如圖8所示，模擬時(shí)共來(lái)回往復(fù)推動(dòng)樣機(jī)掃查4次，每推動(dòng)1次即模擬現(xiàn)實(shí)中掃查了1塊板材，故圖8所示中共顯出了4部分區(qū)域的檢測(cè)信號(hào)。每一塊板材背面都有3個(gè)缺陷，缺陷的當(dāng)量大小（即泄漏的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大?。┮圆煌念伾硎境鰜?lái)，如紅色表示20%當(dāng)量缺陷，青色表示80%當(dāng)量缺陷，這樣即可直觀地看出每塊板材缺陷的當(dāng)量大小。

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)與試板

圖7 試驗(yàn)信號(hào)截屏

圖8 彩帶圖

同時(shí)，該儀器的軟件還可以準(zhǔn)確地定位缺陷的位置，以坐標(biāo)的形式表現(xiàn)出來(lái)，供檢測(cè)人員使用。試驗(yàn)產(chǎn)生的部分缺陷的坐標(biāo)值見(jiàn)表1，檢測(cè)完畢后打印該表即可逐一查找對(duì)應(yīng)的缺陷。

5 結(jié) 語(yǔ)

板材質(zhì)量需要時(shí)刻把控，市場(chǎng)目前急需一種智能化程度高，可減輕操作人員工作強(qiáng)度、檢測(cè)范圍較大的檢測(cè)儀器來(lái)替代現(xiàn)有的儀器。通過(guò)對(duì)磁化器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、多種磁敏感元件組合使用及調(diào)整其擺放姿態(tài)，得到了較好的檢測(cè)信噪比，保證了信號(hào)的精準(zhǔn)度。利用無(wú)線傳輸技術(shù)將現(xiàn)有的漏磁檢測(cè)儀器模塊化，便于在各種復(fù)雜工況下應(yīng)用，提高了檢測(cè)效率。同時(shí)，彩帶圖和缺陷定位功能直觀地顯示出檢測(cè)人員想要得出的結(jié)果，緩解了工作人員的工作壓力。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)，得出該儀器具有可靠性和穩(wěn)定性的結(jié)論，適合在板材的檢測(cè)方面大規(guī)模使用。

表1 部分缺陷坐標(biāo)值