一種自動化磁粉檢測系統(tǒng)的研制*

郭 晉，唐經(jīng)源，李 博，李緒豐，胡華勝，王 磊※

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東佛山 528251；2.深圳市中昌探傷器材有限公司，廣東深圳 518081）

0 引言

大型承壓類特種設(shè)備廣泛應(yīng)用于我國石油化工、化肥制造等領(lǐng)域［1－2］。針對大型承壓類特種設(shè)備進(jìn)行定期檢驗檢測，是保障其本質(zhì)安全的重要手段。固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［3］中提出，針對大型承壓類特種設(shè)備這類3類壓力容器，需要對表面進(jìn)行磁粉檢測等表面探傷。磁粉探傷屬于五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一［4］，與滲透檢測［5－6］、渦流檢測［7］同屬常用表面無損檢測技術(shù)。

目前，國內(nèi)外在對這些大型設(shè)備進(jìn)行磁粉檢測時，需要大量搭設(shè)腳手架，然后由檢測人員通過腳手架接近需要檢測部位，人工噴灑磁懸液、施加磁場，然后通過肉眼對磁痕進(jìn)行觀察，人工判別缺陷的有無，存在的不足有：（1）設(shè)備內(nèi)部搭設(shè)腳手架非常困難，而且檢測人員容易發(fā)生高空墜落等重大安全事故；（2）設(shè)備內(nèi)部通風(fēng)差，設(shè)備盛裝的有毒有害氣體會對人員造成損傷甚至致人死亡；（3）費時費力；（4）工作環(huán)境惡劣，人工實時觀測存在人為漏檢誤判現(xiàn)象［8］。

因此，本文研發(fā)一種可以根據(jù)檢驗員要求，遠(yuǎn)程操作自動進(jìn)行磁粉檢測及實時觀察、錄像的檢測系統(tǒng)，既可以減少勞動強(qiáng)度，提高檢測結(jié)果的客觀性，又可以降低操作及檢測過程中事故的發(fā)生。目前磁粉自動檢測系統(tǒng)已處于試驗階段，用樣機(jī)進(jìn)行測試并取得良好效果。

1 基本原理

基本原理如下。

（1）磁粉檢測技術(shù)。利用工件缺陷處的漏磁場與磁粉的相互作用，利用鋼鐵制品表面和近表面缺陷（如裂紋、夾渣、發(fā)紋等）磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率的差異，磁化后這些材料不連續(xù)處的磁場將發(fā)生畸變，形成部分磁通泄漏并于相應(yīng)工件表面產(chǎn)生漏磁場，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀，對這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實現(xiàn)了磁粉檢測［9－10］。

（2）數(shù)字成像技術(shù)。通過光學(xué)系統(tǒng)將影像聚焦在成像元件CCD／CMOS上。成像元件按照一定的排列方式，將拍攝物體分解成了一個一個的像素點，這些像素點以模擬圖像信號的形式轉(zhuǎn)移到A／D轉(zhuǎn)換器上，A／D轉(zhuǎn)換器將每個像素上光電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)碼信號，再經(jīng)DSP處理成數(shù)碼圖像，儲存到存儲介質(zhì)當(dāng)中。

（3）無線傳輸技術(shù)。無線傳輸有WIFI、藍(lán)牙、無線電等多種方式。其中WIFI用得最廣，也最容易接網(wǎng)，采用802.11 b國際標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸距離100 m，最大傳輸速率11 Mb／s，完全能夠進(jìn)行近距離的實時高清視頻傳輸。

（4）數(shù)字圖像處理技術(shù)。把點陣圖像經(jīng)某種或多種算法進(jìn)行濾波和計算，力求把無用的信息濾除或弱化，把有用的信息銳化，使圖像更明晰地把有用的信息以圖像的形式呈現(xiàn)在面前，經(jīng)分析計算還可確定有用信息的大小、幅值或位置，這就是數(shù)字圖像處理技術(shù)。

2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由執(zhí)行模塊、儲液模塊、控制模塊3部分組成。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the system

儲液模塊由攪拌單元、儲液單元和送液單元組成。攪拌單元的作用是把磁懸液攪拌均勻，防止磁懸液沉淀。儲液單元則儲存調(diào)配好的磁懸液。送液單元則在控制模塊的控制下按需把磁懸液通過軟管輸送到執(zhí)行模塊。

控制模塊由供電單元、主控單元和顯示單元組成。供電單元負(fù)責(zé)為各模塊供電。顯示單元顯示操作界面、執(zhí)行模塊回傳的影像、檢測結(jié)果等。主控單元是本系統(tǒng)的中樞，控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作。控制模塊通過電纜與儲液模塊及執(zhí)行模塊連接。

執(zhí)行模塊由噴灑單元、標(biāo)記單元、爬壁單元、跟蹤單元、攝像單元、照明單元、磁化單元、逆變單元組成。爬壁單元是整個執(zhí)行模塊的載體，其吸附在待檢壁面上并沿控制模塊指定的方向運動；照明單元為模塊提供可見光或紫外光，便于攝像模塊攝取影像；攝像單元攝取檢測過程影像并回傳到控制模塊進(jìn)行處理及判別檢測結(jié)果；逆變單元把控制模塊的供電變換為磁粉檢測所需要的交流方波電，并供給磁化單元；噴灑單元在控制模塊的控制下按需按指定方向噴灑磁懸液；磁化單元給待檢表面施加交流磁場，完成磁粉檢測，檢測磁痕則由攝像單元攝像并回傳到控制模塊；標(biāo)記單元的作用是在控制模塊檢測到有缺陷時，在相應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記，以方便后續(xù)的復(fù)檢及修復(fù)；跟蹤單元對焊縫位置進(jìn)行反饋，使得控制模塊能控制執(zhí)行模塊沿著焊縫爬行。

儲液模塊和控制模塊都放于地面，以方便檢測人員操作，執(zhí)行模塊則吸附于待檢表面沿焊縫運動并完成磁粉檢測。跟蹤單元實時檢測焊縫位置并反饋給控制模塊，控制模塊根據(jù)反饋信息控制爬壁單元走向，使得執(zhí)行模塊時刻以焊縫為中心線運行；控制模塊控制攪拌單元對儲液單元內(nèi)的磁懸液進(jìn)行攪拌，并控制送液單元輸送磁懸液給執(zhí)行模塊；噴灑單元在控制模塊的控制下在待檢表面噴灑磁懸液；逆變單元在控制模塊的控制下輸出交流方波給磁化單元，完成磁化過程；攝像單元則把檢測過程及結(jié)果錄成影像并傳輸?shù)娇刂颇K進(jìn)行處理和分析，當(dāng)控制模塊判別有缺陷時，則會控制標(biāo)記單元在有缺陷的位置做標(biāo)記。這樣本系統(tǒng)就自動完成磁粉檢測過程。

3 逆變單元

逆變單元原理如圖2所示，首先對控制模塊的供電進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行DC／DC升壓，一方面獲得一個理想的電壓幅值，別一方面也起到穩(wěn)壓作用，消除供電電源波動的影響。接著對升壓后的直流電進(jìn)行DC／AC變換，得到幅值和脈寬穩(wěn)定的交流方波電，供給磁化單元產(chǎn)生交流磁場。

圖2 逆變單元原理Fig.2 Block diagram of inverter unit principle

4 磁化單元

4.1 鐵芯設(shè)計

圖3所示為鐵芯布局圖，采用交叉磁場進(jìn)行磁粉檢測。

圖3 鐵芯布局Fig.3 Core layout

現(xiàn)有的交叉磁場磁探儀兩對交叉腳都是剛性固定的，由于加工裝配時也會存在誤差，4個腳不能保證在同一水平面上，同時被測表面也有曲率與不平度，所以工作時基本只有3個腳或2個腳能接觸到被檢表面，從而大大降低了經(jīng)過被檢表面的磁場強(qiáng)度，嚴(yán)重影響檢測性能。

本系統(tǒng)把磁化單元的2對交叉腳設(shè)計為相互獨立的2個U形鐵芯，一個架在另一個的上方，這樣就能保證在任何時候，4個腳都能同時接觸到被檢表面。

4.2 磁化單元機(jī)械布局

圖4 所示為磁化單元的機(jī)械布局圖。磁化單元包括外殼、彈簧、鐵芯線圈、固定柱等。鐵芯線圈套于外殼內(nèi)，可以在外殼內(nèi)上下活動。鐵芯線圈通過兩端的彈簧與外殼軟連接，外殼通過固定柱剛性連接到爬壁單元。

圖4 磁化單元機(jī)械布局Fig.4 Mechanical layout of magnetization unit

這樣，磁化單元外殼就靠彈簧的彈力把鐵芯線圈壓緊在被檢表面，并能保證4個腳同時接觸被檢表面。當(dāng)爬壁單元移動時，帶動磁化單元外殼移動，磁化單元外殼通過殼壁帶動鐵芯線圈移動。

4.3 磁化單元越障功能

圖5 所示為磁化單元越障功能示意圖?，F(xiàn)在的鐵芯由于是直邊，很容易被高低不平的焊縫或其他障礙物卡住。本系統(tǒng)中的磁化單元要不斷貼著被檢表面移動，所以必須要有越過障礙物的能力。本系統(tǒng)是在移動方向上，鐵芯4個腳兩側(cè)面都焊了一個半圓形不銹鋼管，有障礙物時，腳自動被障礙物抬起，從而跨過障礙物。經(jīng)實驗室測試，能輕松越過焊縫及類焊縫障礙物。

圖5 磁化單元越障功能Fig.5 Function diagram of the magnetization unit＇s obstacle crossing

5 爬壁單元

5.1 運動輪結(jié)構(gòu)原理

爬壁單元的運動輪結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。運動輪由護(hù)板、輪芯、永磁鐵3部分組成。輪芯外面包一層永磁鐵，由于永磁鐵比較易碎，也不能承重，兩邊護(hù)板的作用就是保護(hù)永磁鐵并承重。永磁鐵通過空氣和護(hù)板對被測表面進(jìn)行磁吸附，從而達(dá)到吸附目的。護(hù)板、輪芯、永磁鐵剛性連接組成運動輪，運動輪剛性連接到傳動軸上。這樣運動輪一方面通過磁力吸附于被測設(shè)備表面，同時也隨著傳動軸一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在任何壁面上吸附和運動兩大功能。

圖6 爬壁單元的運動輪結(jié)構(gòu)原理Fig.6 The structure schematic diagram of the moving wheel of the climbing element

5.2 爬壁單元結(jié)構(gòu)布局

圖7 所示為爬壁單元結(jié)構(gòu)布局，由承重架、4個驅(qū)動電機(jī)、4個轉(zhuǎn)動輪以及4組減速齒輪組成。磁化單元即安裝于爬壁單元的中部。4個驅(qū)動電機(jī)由控制模塊獨立控制，可以實現(xiàn)四輪驅(qū)動，使得控制模塊可以很靈活地控制爬壁單元的轉(zhuǎn)向和運動。

圖7 爬壁單元結(jié)構(gòu)布局Fig.7 Wall climbing unit structure layout

5.3 爬壁單元轉(zhuǎn)向的實現(xiàn)

爬壁單元轉(zhuǎn)向示意圖如圖8所示。

圖8 爬壁單元轉(zhuǎn)向Fig.8 Schematic diagram of wall climbing unit steering

爬壁單元上對稱安裝了4個運動輪，4個步進(jìn)電機(jī)通過各自的變速機(jī)構(gòu)和傳動軸把功率輸出到4個運運輪，以驅(qū)動爬壁單元運動。由于爬壁單元上的4個運動輪都與傳動軸剛性固定，而傳動軸與爬壁單元只能相對轉(zhuǎn)動，不能相對移動，所以爬壁單元不能像汽車一樣靠前面一對輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，只能像坦克一樣挪動轉(zhuǎn)向。當(dāng)需要爬壁單元向前或向后行駛時，4個步進(jìn)電機(jī)就以同樣的速度驅(qū)動4個運動輪向同一個方向運同。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，右邊2個運動輪以相同速度同向運動，左邊2個運動輪以相同速度同向運動，爬壁單元兩邊的4個輪運動速度相同，但運行方向相反。這樣在兩邊輪對的相互作用下，爬壁單元則繞著以4個輪心為邊緣的圓心轉(zhuǎn)動，如圖8所示，中間對角虛線的交點即為爬壁單元的轉(zhuǎn)動中心，這樣就實現(xiàn)了爬壁單元的直行和轉(zhuǎn)向。

6 焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫檢測原理如圖9所示。焊縫跟蹤單元內(nèi)部裝有位移傳感器陣列，該陣列由31個位移傳感器組成，位移傳感器線排列，且間隔為5 mm，這樣這個陣列的寬度為（31－1）×5 mm＝150 mm。位移傳感器陣列垂直于焊縫（也就是垂直于爬壁單元的運行方向）。位移傳感器活動部件由彈簧壓于被檢表面上，端部則裝有轉(zhuǎn)動輪，可以隨爬壁單元向前運動。位移傳感器零點設(shè)計于正常的被檢表面，當(dāng)有焊縫時，由于焊縫比本底高，所以其上的位移傳感器會被頂起來，從而產(chǎn)生位移信號。

圖9 焊縫檢測原理Fig.9 Schematic diagram of weld inspection

控制模塊實時采集焊縫跟蹤單元位移傳感器陣列的數(shù)據(jù)，將會得到如圖10所示的位移傳感器陣列數(shù)據(jù)。圖中，ai為傳感器編號，Si為傳感器獲得的原始位移信號值。焊縫一般寬度為30～40 mm，只有焊縫處有明顯的位移數(shù)據(jù)值。采樣得到一個數(shù)據(jù)陣列：

圖10 位移傳感器陣列數(shù)據(jù)Fig.10 Displacement sensor array data

a［i］（i＝1～31）

數(shù)據(jù)濾波及銳化。以9個數(shù)據(jù)寬度為一個窗口（覆蓋焊縫寬度）進(jìn)行平方和再平均計算，即：

其中：j＝5～27。

得到如圖11所示的銳化位移數(shù)據(jù)圖。圖中，bj為銳化參數(shù)編號，Sj為經(jīng)銳化后的位移信號值。

圖11 銳化位移數(shù)據(jù)Fig.11 Sharpen the displacement data graph

從b［j］中找出最大的5個點，則這5個點一定包括了銳化位移數(shù)據(jù)圖的頂峰，也就包括了焊縫的中心，這5個點的中心即為焊縫中心。如這5個最大點為b［16］、b［17］、b［18］、b［19］、b［20］，則焊縫中心點在從左到右第18個位移傳感器處，由于理論中心點為位列傳感器陣列中心16號位移傳感器處，所以此刻爬壁單元的中心向左偏移了焊縫中心2個傳感器的間距，也即10 mm。知道了焊縫與爬壁單元相對位置，控制模塊即可實時調(diào)整爬壁單元的運動軌跡，確保爬壁單元沿著焊縫行走，從而實現(xiàn)焊縫跟蹤。

7 樣機(jī)驗證

圖12所示為本系統(tǒng)樣機(jī)實物圖（執(zhí)行模塊部分），其可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離磁粉檢測。執(zhí)行模塊吸附于待檢表面、自動爬行、自動噴灑磁懸液、自動加磁，對檢測過程進(jìn)行錄像并顯示于終端顯示屏上。

圖12 本系統(tǒng)樣機(jī)實物（執(zhí)行模塊）Fig.12 Physical drawing of the system prototype（execution module）

圖13 所示為A1－15／100試塊自動磁粉檢測結(jié)果；圖14所示為終端顯示的A1－15／100試塊自動磁粉檢測結(jié)果。

圖13 A1－15／100試塊磁粉自動檢測結(jié)果Fig.13 Automatic test result of magnetic powder of A1－15／100 test block

圖14 終端顯示的A1－15／100試塊自動磁粉檢測結(jié)果Fig.14 Automatic magnetic particle detection results of A1－15／100 test block displayed at the terminal

8 結(jié)束語

本文研制的自動化磁粉檢測系統(tǒng)主要由執(zhí)行模塊、儲液模塊、控制模塊3部分組成，其技術(shù)特點能夠自動識別、跟蹤焊縫爬行，自動完成磁粉檢測作業(yè)，獲取的實時檢測圖像清晰，經(jīng)靈敏度試片驗證，能夠滿足磁粉檢測的基本要求，是一種切實可行的磁粉檢測系統(tǒng)。未來，隨著圖像處理技術(shù)的不斷完善和優(yōu)化，將拓展系統(tǒng)的缺陷自動辨識功能，進(jìn)一步推動自動化磁粉檢測系統(tǒng)向?qū)嵱没?、智能化邁進(jìn)。