陣列式渦流金屬缺陷檢測(cè)方法研究

金 杰，駱 洲，熊定標(biāo)，鐘耀毅

（1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司 設(shè)備管理部，浙江 嘉興 314000；2.浙江浙能數(shù)字科技有限公司 智能化事業(yè)部，浙江 杭州 310000）

1 金屬表面缺陷及檢測(cè)技術(shù)

目前可使用的金屬缺陷檢測(cè)方式主要包括：滲透檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、磁粉檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法等[1]。其中磁粉檢測(cè)法主要應(yīng)用于磁性的金屬表面缺陷檢測(cè)，在磁化被測(cè)件后，被測(cè)件的磁力線會(huì)逸出，要留意觀察表面的聚合磁痕判斷缺陷情況。超聲波檢測(cè)應(yīng)用情況相對(duì)較廣，可以用于各種金屬材料，需要在表面涂抹耦合劑，才能得到被測(cè)試件內(nèi)部缺陷的反射信息；而另一種射線檢測(cè)法與超聲波檢測(cè)類(lèi)似都需要涂抹耦合劑，并且此法還會(huì)污染環(huán)境損害人體健康。目前電廠在關(guān)鍵金屬構(gòu)件中依然多使用滲透檢測(cè)法，該方法可以用在很多非吸收性的材料試件的表面，但操作步驟繁瑣，需要使用特殊的液態(tài)染料和顯色劑涂抹在材料表面，對(duì)其表面缺陷進(jìn)行滲透著色，再刮去表面的多余色劑，讓滲透進(jìn)缺陷的顯色劑顯色。相比于其他方法，渦流檢測(cè)法無(wú)需涂抹任何制劑和材料就能檢測(cè)金屬表面和內(nèi)部缺陷，檢測(cè)速度快、靈敏度高。

目前的市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品都是使用單通道的渦流檢測(cè)方式，西安理工大學(xué)改進(jìn)傳統(tǒng)單線圈設(shè)計(jì)了一種基于雙線圈差動(dòng)電路的非接觸式測(cè)量裝置，同時(shí)通過(guò)差分阻抗可以在一定程度上抑制提離效應(yīng)影響。國(guó)內(nèi)的蘇州德斯森電子有限公司實(shí)現(xiàn)對(duì)使用單通道渦流檢測(cè)技術(shù)手段，檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)管道類(lèi)金屬構(gòu)件。曼徹斯特大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型的電感電容組合式傳感器，該傳感器的直徑可以從傳感器的電容測(cè)量值中反演。國(guó)外EDDYFI的脈沖渦流缺陷檢測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)76 mm深度的金屬缺陷檢測(cè)。本研究提出一種陣列式渦流檢測(cè)方式，基于單通道渦流檢測(cè)技術(shù)，主要在利用阻抗原理檢測(cè)的單通道渦流金屬缺陷檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，將原有的單通道模塊升級(jí)為多通道模塊，利用高速切換數(shù)據(jù)通道信號(hào)，達(dá)成多通道信號(hào)處理的效果，再配合使用多通道采集設(shè)計(jì)的陣列式檢測(cè)探頭，實(shí)現(xiàn)快速掃描和大面積檢測(cè)的功能效果。

2 陣列式渦流檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)框架

陣列式渦流檢測(cè)硬件系統(tǒng)主要圍繞多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。渦流信號(hào)處理模塊發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)探頭產(chǎn)生磁場(chǎng)從而使待測(cè)試件產(chǎn)生感應(yīng)渦流。當(dāng)被測(cè)金屬件產(chǎn)生感應(yīng)電磁渦流時(shí)，由于本身存在缺陷，導(dǎo)致渦流場(chǎng)的分布會(huì)產(chǎn)生變化，從而影響檢測(cè)探頭輸出的感應(yīng)電壓[2]。檢測(cè)探頭將采集的信號(hào)電壓反饋給渦流信號(hào)處理模塊，電路再對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行放大、解調(diào)、濾波等處理，得到垂直和水平兩組相位信號(hào)，由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)n組信號(hào)進(jìn)行高速采集，采集率可以人為調(diào)節(jié)，最后傳送給由上位機(jī)顯示部分對(duì)兩組信號(hào)進(jìn)行直觀顯示和放大。

圖1 陣列式渦流檢測(cè)硬件系統(tǒng)

2.2 電路模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)電路模塊以FPGA為核心，搭配數(shù)據(jù)渦流信號(hào)處理電路完成高速的數(shù)據(jù)采集。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電路模塊設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

2.2.1 渦流信號(hào)處理模塊

渦流信號(hào)處理模塊由多個(gè)相同的渦流信號(hào)處理電路組成，每個(gè)信號(hào)處理電路分別控制一個(gè)檢測(cè)探頭收發(fā)信號(hào)，單個(gè)電路接受來(lái)自多通道數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的DDS信號(hào)，再由DAC9767芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，以保證激勵(lì)信號(hào)頻率、幅值和相位的穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)DDS頻率在線可調(diào)，輸出的正弦信號(hào)一共產(chǎn)生四組，每一組之間的相位相差90°[3]。選擇其中相反的兩組信號(hào)，經(jīng)過(guò)芯片AD8066AR實(shí)現(xiàn)信號(hào)的差動(dòng)放大，再進(jìn)行功率放大后作為激勵(lì)信號(hào)傳到探頭，剩下的兩組信號(hào)留作解調(diào)模塊的參考信號(hào)。

接收到探頭的反饋信號(hào)后，先是采用同頻多組信號(hào)復(fù)合電路設(shè)計(jì)，將多組反饋信號(hào)，進(jìn)行濾波穩(wěn)壓處理，之后再對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大后的信號(hào)需要使用PGA芯片[4]。由PGA將信號(hào)放大后，AD9240對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)接一個(gè)數(shù)據(jù)緩存芯片，作為后續(xù)的多通道信號(hào)開(kāi)關(guān)芯片，最后連接到多通道數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理。

2.2.2 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

陣列式渦流檢測(cè)硬件系統(tǒng)的核心是多通道數(shù)據(jù)采集模塊，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)多個(gè)渦流信號(hào)處理模塊檢測(cè)到的相位信號(hào)進(jìn)行采集和緩存，并通過(guò)總線與主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是以FPGA為核心，搭配數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片完成數(shù)據(jù)的高速采集[5]。

實(shí)時(shí)控制模塊控制FPGA接受來(lái)自渦流信號(hào)處理模塊的多組信號(hào)，利用FPGA的高速處理能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集通道的切換。FPGA的控制引腳連接每一個(gè)解調(diào)信號(hào)的ADC后的芯片的引腳，命名為CHANNEL[1～n]，每個(gè)數(shù)據(jù)緩存芯片的轉(zhuǎn)接的解調(diào)信號(hào)的15組引腳數(shù)據(jù)則公用同一組FPGA上的引腳，通過(guò)依次高速切換數(shù)據(jù)緩存芯片的使能信號(hào)CHANNELn，來(lái)獲得不同的ADC信號(hào)數(shù)據(jù)。具體的控制時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 FPGA控制時(shí)序

FRE引腳拉低，則代表數(shù)據(jù)讀取功能開(kāi)啟，之后按照一定周期接受多組來(lái)自渦流信號(hào)處理模塊的信號(hào)，當(dāng)FPGA的FRE引腳接收到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的高電平后，即代表轉(zhuǎn)換完成，表示一次周期同一組數(shù)據(jù)的讀取完成。每次周期開(kāi)始后，依次控制每一個(gè)CHANNELn的使能，拉低電平開(kāi)啟數(shù)據(jù)緩存芯片的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)其他的CHANNEL引腳處于關(guān)閉狀態(tài)，再拉高電平，表示本次該單通道的數(shù)據(jù)讀取完畢，同時(shí)ADC也會(huì)再繼續(xù)等待CHANNELn信號(hào)的下降沿引腳使能信號(hào)，以此類(lèi)推，依次完成剩下的ADC數(shù)據(jù)。FRE的讀取周期可根據(jù)上位機(jī)處理的速度來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

3 陣列式渦流探頭設(shè)計(jì)

陣列式前置探頭的設(shè)計(jì)會(huì)影響到檢測(cè)效果，金屬的表面在焊接處或微小臺(tái)階等不平整界面時(shí)，傳統(tǒng)的探頭會(huì)檢測(cè)方向不垂直或提離高度過(guò)高，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)弱，甚至導(dǎo)致故障[6]。

使用FPC（柔性電路板）制作的線圈繞制在小型鐵氧體上，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)探頭的小型化設(shè)計(jì)，在縱向的設(shè)計(jì)位移穩(wěn)定的情況下，在探頭的后部加裝彈簧，實(shí)現(xiàn)探頭Z軸方向的縱向位移，此種情況下的陣列式探頭可以保證在掃描過(guò)程中，處理焊接點(diǎn)或其他不平整金屬面都可以得到更精準(zhǔn)的信號(hào)，便于后續(xù)的電路進(jìn)行信號(hào)處理[7]。探頭示意如圖4所示。

圖4 陣列式渦流探頭設(shè)計(jì)

4 渦流檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

利用所構(gòu)建的陣列式渦流檢測(cè)系統(tǒng)，使用信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)代替DDS發(fā)生器的感應(yīng)信號(hào)，測(cè)試多通道檢測(cè)設(shè)備的可行性。整個(gè)系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、FPGA核心及多通道開(kāi)關(guān)板、上位機(jī)、顯示屏等，檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。利用簡(jiǎn)化的上位機(jī)顯示界面調(diào)取和優(yōu)化采集到的數(shù)據(jù)勘察檢測(cè)結(jié)果的可行性。

圖5 系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)使用不同深度的缺陷檢測(cè)試件對(duì)傳感器的功能進(jìn)行測(cè)試，在厚度為3.5 mm的鋼板上等間距加工了5條深度不同的焊縫，缺陷試塊見(jiàn)圖6所示。使用試驗(yàn)探頭掃過(guò)被測(cè)金屬試件的缺陷處，觀察上位機(jī)是否能處理多通道硬件系統(tǒng)收集的多路信號(hào)，并處理成線性圖形進(jìn)行表示。

圖6 金屬缺陷檢測(cè)試塊

通過(guò)對(duì)實(shí)虛部?jī)?yōu)化分析，對(duì)線圈阻抗的分析加以量化顯示，在正常情況下檢測(cè)波形平穩(wěn)，如果所示波形發(fā)生較大抖動(dòng)時(shí)，則表示此時(shí)檢測(cè)的位置存在缺陷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，如圖7所示，可以觀察到，在檢測(cè)到金屬件內(nèi)存在缺陷時(shí)，檢測(cè)波形發(fā)生了較大波動(dòng)，檢測(cè)結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。即在金屬表面的缺陷實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)可以正確檢測(cè)出被測(cè)件的缺陷。

圖7 波形對(duì)比分析

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)金屬構(gòu)件中存在的缺陷，本研究分析了常用的金屬缺陷檢測(cè)手段，并就渦流檢測(cè)方式著重進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，提出了陣列式渦流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)，對(duì)陣列式渦流檢測(cè)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究與設(shè)計(jì)，有望為金屬缺陷檢測(cè)的市場(chǎng)提供新的解決方案。