基于差分柔性渦流探頭的鐵軌裂紋檢測(cè)方法

許 鵬 劉柏霖 陳亞雄

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京,211106

0 引言

鐵路作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和大眾化交通工具,近幾年發(fā)展迅速,無(wú)論是運(yùn)輸規(guī)模、里程還是行車速度都有了質(zhì)的飛躍[1]。但是在飛速發(fā)展的同時(shí)伴隨著嚴(yán)峻的安全保障問(wèn)題[2-3]。在鋼軌服役的過(guò)程中,表面會(huì)出現(xiàn)各種各樣的缺陷裂紋,主要分為滾動(dòng)接觸疲勞裂紋、內(nèi)部核傷、焊縫傷損、軌底腐蝕等形式[4-6]?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)的鐵道工人沿線檢視工作效率低,且難以發(fā)現(xiàn)鋼軌細(xì)小的或內(nèi)部的損傷,使列車運(yùn)行具有較大隱患[7-8]。渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼軌檢測(cè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9],一是采用非接觸式測(cè)量方式,不需要緊貼試件表面,傳感器探頭不會(huì)受到鋼軌上的鐵銹、油污等介質(zhì)影響,對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求不高,能適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)和高速檢測(cè);二是檢測(cè)用的渦流探頭制作方便,尺寸多樣,還可以制成陣列探頭以滿足各種不同結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需求[10];三是不需要耦合劑、滲透液等化學(xué)物質(zhì),既降低了成本又保證了檢測(cè)人員的安全,對(duì)環(huán)境亦無(wú)污染[11-13]。然而傳統(tǒng)的電渦流傳感器普遍存在以下問(wèn)題:①傳感器的檢測(cè)信號(hào)易受提離等因素的影響,定量檢測(cè)效果差;②檢測(cè)效率與檢測(cè)分辨力存在矛盾,難以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè);③復(fù)雜結(jié)構(gòu)受檢件的誤檢率高[14-16]。

近年國(guó)內(nèi)外對(duì)新型電渦流傳感器開(kāi)展了大量研究。有學(xué)者采取改變渦流探頭的激勵(lì)方式來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)渦流傳感器檢測(cè)效果,例如趙瑩等[17]提出了選頻帶脈沖渦流檢測(cè)方法,比較了傳統(tǒng)方波脈沖渦流與選頻帶脈沖渦流對(duì)一定深度范圍的局部減薄缺陷的檢測(cè)靈敏度,并考察了選頻帶脈沖渦流的提離交叉點(diǎn)特征。有學(xué)者提出將平面型電渦流傳感器制作在柔性印刷電路板(flexible printed circuit board,FPCB)上,這種新型傳感器貼合鐵軌檢測(cè)提離小,對(duì)裂紋的靈敏度高,有檢測(cè)復(fù)雜表面幾何形狀的可能[18-19]。MACHADO等[20]開(kāi)發(fā)了5種新穎的柔性渦流探頭以檢測(cè)管道內(nèi)表面上的任意方向的亞毫米缺陷,并使用有限元方法模擬了任意方向缺陷的探測(cè)響應(yīng)。吳斌等[21]通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)分析了圓形線圈處于不同彎曲角度時(shí),柔性渦流傳感器對(duì)模擬裂紋缺陷方向角及深度的檢測(cè)能力變化規(guī)律。

FPCB線圈可以根據(jù)特定需求設(shè)計(jì)尺寸樣式,也能更好地貼合被測(cè)對(duì)象,并且對(duì)以大尺寸線圈傳感器為基礎(chǔ)的渦流檢測(cè)方法中難以識(shí)別的簇狀密集缺陷的檢測(cè)表現(xiàn)優(yōu)異。本文主要通過(guò)仿真分析設(shè)計(jì)并搭建了基于FPCB差分線圈的高速軌道檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)不同激勵(lì)頻率和速度下的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征提取和缺陷狀況分析,研究激勵(lì)頻率和速度對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響及各組檢測(cè)速度下缺陷的量化評(píng)估方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了FPCB線圈尺寸與檢測(cè)密集缺陷能力的關(guān)系。

1 FPCB渦流檢測(cè)仿真分析

1.1 FPCB渦流仿真模型

使用仿真軟件建立FPCB渦流檢測(cè)3D仿真模型仿真模型。實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)臺(tái)密集缺陷間距為2,4,8,16 mm,為了能夠達(dá)到良好的檢測(cè)效果,將FPCB線圈尺寸與密集缺陷間距相匹配,檢測(cè)線圈采用邊長(zhǎng)4 mm的方形單層線圈。

建立的模型如圖1所示,兩個(gè)完全相同的FPCB線圈構(gòu)成一個(gè)差分對(duì),實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的差分渦流信號(hào)檢測(cè),每個(gè)FPCB線圈形狀為邊長(zhǎng)4 mm的正方形,線寬0.08 mm,共10匝,厚度約0.02 mm,材料設(shè)置為copper,與鐵軌之間的提離為0.03 mm。鐵軌的材料設(shè)置為Steel-1008,缺陷寬0.4 mm,深4 mm。采用有限元法計(jì)算FPCB線圈的電感值,研究FPCB渦流檢測(cè)的缺陷信號(hào)特征。采用靜態(tài)渦流場(chǎng)分析方式,在FPCB線圈上施加交流激勵(lì)電流,分別計(jì)算出前后兩個(gè)線圈經(jīng)過(guò)缺陷的電感變化曲線。

圖1 FPCB渦流檢測(cè)三維仿真模型

1.2 FPCB差分線圈渦流場(chǎng)分析

給兩個(gè)FPCB線圈施加相同頻率、相同方向的激勵(lì)電流,利用有限元法對(duì)線圈在樣軌試件表面產(chǎn)生的渦流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,仿真結(jié)果如圖2所示,圖中給出的是兩個(gè)線圈正下方的渦流場(chǎng)分布。由于差分線圈對(duì)是兩個(gè)完全相同的矩形線圈,所以它們?cè)跇榆壉砻娈a(chǎn)生的渦流分布基本一致,都為近似矩形的渦流場(chǎng),且主要集中分布于兩個(gè)線圈的正下方。值得注意的是,兩個(gè)線圈的間隙下方?jīng)]有渦流分布。經(jīng)過(guò)分析可知,這是由同向激勵(lì)電流造成的,兩個(gè)線圈在鄰近位置處激發(fā)的磁場(chǎng)相互抵消,導(dǎo)致在中間部分的正下方試件表面并沒(méi)有產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流場(chǎng)。

圖2 FPCB差分線圈在樣軌表面產(chǎn)生的渦流場(chǎng)

1.3 FPCB渦流檢測(cè)仿真信號(hào)分析

對(duì)FPCB渦流檢測(cè)模型進(jìn)行仿真分析,選取缺陷中心點(diǎn)為基準(zhǔn),將渦流探頭的中心即兩個(gè)FPCB線圈的中點(diǎn)相對(duì)于缺陷中心在Y軸方向的位置定義為l,分別計(jì)算兩個(gè)FPCB線圈在經(jīng)過(guò)缺陷過(guò)程中不同位置處的電感值L1、L2,模擬實(shí)際檢測(cè)中的檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)仿真得到的電感值繪制曲線,圖3示出了FPCB渦流探頭沿著Y軸負(fù)方向經(jīng)過(guò)缺陷的過(guò)程中兩個(gè)線圈電感的變化曲線。

圖3 FPCB線圈檢測(cè)缺陷的仿真結(jié)果

由于有相同的激勵(lì)電流同時(shí)通入兩個(gè)激勵(lì)線圈中,當(dāng)缺陷依次經(jīng)過(guò)兩個(gè)線圈下方時(shí),靠前的感應(yīng)線圈會(huì)先受到缺陷影響,它所感應(yīng)的電流大小發(fā)生變化,兩個(gè)感應(yīng)線圈所感應(yīng)的電壓不能相互抵消,會(huì)對(duì)外輸出一個(gè)差分信號(hào),該差分信號(hào)表現(xiàn)為線圈電感的差分信號(hào)。將兩個(gè)FPCB線圈的電感信號(hào)作差,即ΔL=L2-L1,如圖4所示,得到的曲線即為缺陷的正負(fù)峰差分信號(hào)曲線,用以模擬實(shí)際中FPCB線圈對(duì)的缺陷檢測(cè)信號(hào);提取差分信號(hào)的峰峰值ΔLP作為特征值用于后續(xù)仿真結(jié)果分析。

圖4 兩個(gè)FPCB線圈電感作差后的變化曲線

1.4 不同激勵(lì)頻率仿真分析

由于FPCB線圈電感值很小(約為400 nH),如果激勵(lì)頻率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致線圈阻抗過(guò)小,流過(guò)的電流超限,很可能燒毀線圈,因此設(shè)置FPCB線圈的交流激勵(lì)頻率f分別為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MHz,研究激勵(lì)頻率與檢測(cè)信號(hào)ΔLP的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖5所示。隨著激勵(lì)頻率的增大,FPCB線圈對(duì)的電感差值ΔL也在增大,將ΔLP整理繪圖,得到圖6。可以看出,當(dāng)激勵(lì)頻率低于1 MHz時(shí),ΔLP增長(zhǎng)的速度較快;而當(dāng)激勵(lì)頻率高于1 MHz時(shí),ΔLP增長(zhǎng)的速度放緩。

圖5 不同激勵(lì)頻率缺陷檢測(cè)的ΔL變化曲線

圖6 不同激勵(lì)頻率缺陷檢測(cè)的ΔLP變化曲線

由此可得,增大激勵(lì)頻率可以有效增大檢測(cè)信號(hào)的峰峰值ΔLP,進(jìn)而提高檢測(cè)信號(hào)信噪比,優(yōu)化檢測(cè)效果,但是,該增益效果隨著激勵(lì)頻率的增大而衰減。另外,由于趨膚效應(yīng),激勵(lì)頻率越高,電流越會(huì)集中在導(dǎo)體的表面,近表面的電流密度越大,渦流檢測(cè)的分辨率越高,但是檢測(cè)越趨于表面,不利于檢測(cè)較深的缺陷,因此需要針對(duì)待檢缺陷的特征選擇合適的激勵(lì)頻率。

1.5 不同深度缺陷仿真分析

采用1 MHz的交流電作為激勵(lì)頻率,保證其他參數(shù)不變,樣本缺陷深度d分別為0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,6.0,8.0 mm,仿真結(jié)果如圖7所示。隨著缺陷深度的增大,FPCB線圈對(duì)的電感差值ΔL也在增大,通過(guò)圖中各曲線的間距變化可以看出增大的趨勢(shì)在減緩。為了更直觀地看出增長(zhǎng)速度的變化,繪制電感差值的峰峰值ΔLP隨著缺陷深度變化的曲線,如圖8所示?？梢钥闯?當(dāng)缺陷深度d小于4 mm時(shí),ΔLP的增長(zhǎng)速度較快;當(dāng)缺陷深度d大于4 mm時(shí),ΔLP的增長(zhǎng)速度變緩。說(shuō)明FPCB線圈在1 MHz激勵(lì)頻率下,對(duì)深度為4 mm以內(nèi)的垂直缺陷分辨率較高,而對(duì)深度為4 mm以上的垂直缺陷分辨率較低。

圖7 不同深度缺陷檢測(cè)的ΔL變化曲線

圖8 不同深度缺陷檢測(cè)的ΔLP變化曲線

1.6 密集缺陷仿真分析

為了研究FPCB差分線圈探頭的靈敏度,建立了圖9所示的密集缺陷仿真模型,圖中一個(gè)樣軌上有兩個(gè)距離較近的缺陷,缺陷間距分別設(shè)為0.5,1.0,1.5,2.0 mm。在仿真分析中,選取缺陷1的中心點(diǎn)為基準(zhǔn),將渦流探頭的中心即兩個(gè)FPCB線圈的中點(diǎn)相對(duì)于缺陷1中心在Y軸方向的位置定義為p。

圖9 FPCB渦流檢測(cè)密集缺陷三維仿真模型

仿真結(jié)果如圖10所示,圖10a和圖10b分別展示了線圈1和線圈2對(duì)密集缺陷的仿真結(jié)果,圖10c為差分信號(hào)。結(jié)果表明,間距X為0.5 mm和1.0 mm的兩個(gè)缺陷基本識(shí)別不出來(lái),而間距為1.5 mm時(shí)可以初步判別出兩個(gè)峰值,間距為2.0 mm時(shí)可以識(shí)別出兩個(gè)密集缺陷。通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)該檢測(cè)結(jié)果與線圈尺寸有關(guān),柔性線圈1、2都為邊長(zhǎng)4 mm的正方形,通過(guò)仿真分析得出,單個(gè)線圈針對(duì)密集缺陷的最小檢測(cè)間距為2 mm。這是由FPCB線圈的尺寸(FPCB線圈橫截面為邊長(zhǎng)4 mm的正方形)決定的,即最小檢測(cè)間距為線圈邊長(zhǎng)的一半。

(a)線圈1仿真結(jié)果

根據(jù)已定FPCB線圈尺寸設(shè)計(jì)新的密集缺陷區(qū)缺陷參數(shù),建立了對(duì)應(yīng)的仿真模型,探究FPCB線圈檢測(cè)不同間距缺陷的能力與線圈尺寸之間的關(guān)系,改進(jìn)后的模型如圖11所示。在同一鐵軌樣本上有5個(gè)完全相同的缺陷,其間距從右往左依次為2,4,8,16 mm。

圖11 多間距密集缺陷三維仿真模型

仿真分析依舊選取缺陷1的中心點(diǎn)為基準(zhǔn),將渦流探頭的中心相對(duì)于缺陷1中心在Y軸方向的相對(duì)位置仍定義為變量p。對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖12所示。圖12a和圖12b分別示出線圈1和線圈2對(duì)5個(gè)不同間距密集缺陷的仿真結(jié)果,圖12c為差分信號(hào)。圖12a和圖12b所示符合上文所述單個(gè)線圈針對(duì)密集缺陷的最小檢測(cè)間距為2 mm的結(jié)論,最佳檢測(cè)間距為4 mm及以上;通過(guò)圖12c可以看出,對(duì)應(yīng)的最佳差分信號(hào)檢測(cè)間距為8 mm及以上,即可完整地檢測(cè)出缺陷4、缺陷5的差分信號(hào)。

(a)線圈1仿真結(jié)果

綜上可得,若已知待測(cè)的一片密集缺陷區(qū)域中相鄰缺陷的最小間距為X,要設(shè)計(jì)出能夠有效識(shí)別出這組密集缺陷的FPCB線圈,則該FPCB方形線圈的尺寸應(yīng)該根據(jù)檢測(cè)效果需求進(jìn)行調(diào)整:①單個(gè)線圈的邊長(zhǎng)D滿足X≤D≤2X即可基本識(shí)別出最小間距的密集缺陷;②邊長(zhǎng)滿足X/2≤D≤X可獲得完整較佳的單線圈檢測(cè)效果;③邊長(zhǎng)滿足D≤X/2可以獲得最佳差分信號(hào)檢測(cè)結(jié)果。

2 高速轉(zhuǎn)臺(tái)軌道檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 FPCB渦流探頭設(shè)計(jì)

考慮到FPCB線圈更加精細(xì),尺寸更小,能夠檢測(cè)鋼軌表面細(xì)小的裂紋,而且檢測(cè)線圈可以陣列擺放,縮短掃描時(shí)間、提高效率,再加上材料柔軟且耐磨,適應(yīng)各種復(fù)雜曲面,可以抑制渦流的提離效應(yīng),提高檢測(cè)效果的可靠性,因此采用FPCB即柔性印刷電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從更經(jīng)濟(jì)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮,采用了四通道陣列式設(shè)計(jì),即在同一片柔性基底材料上進(jìn)行四路差分線圈布線,這樣既最大程度地利用了空間,也為后續(xù)陣列式FPCB渦流探頭的研究作鋪墊。

參考前文的仿真工作進(jìn)行探頭結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì),每個(gè)FPCB檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)為邊長(zhǎng)4 mm的正方形,共10匝,線寬為0.08 mm,厚度約0.02 mm。激勵(lì)線圈采用與之匹配的邊長(zhǎng)為4 mm的正方形,激勵(lì)線圈的線寬受電流限制,不能設(shè)計(jì)得如同檢測(cè)線圈一般精細(xì),否則會(huì)燒毀線圈。根據(jù)渦流儀器輸出的激勵(lì)信號(hào)以及阻抗分析,激勵(lì)線圈的線寬設(shè)計(jì)為1 mm,共1匝。FPCB探頭的線圈布線如圖13所示。

(a)激勵(lì)線圈布線圖

探頭實(shí)物如圖14所示,激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈各在一層貼片上,將這兩層貼片緊緊疊放在一起組成一個(gè)FPCB陣列渦流探頭。方形激勵(lì)線圈直徑4 mm,寬度為1 mm,保證激勵(lì)電流不會(huì)燒毀線圈。檢測(cè)線圈邊長(zhǎng)同樣為4 mm,與激勵(lì)線圈對(duì)應(yīng),以便更好地檢測(cè)激勵(lì)線圈在鋼軌表面產(chǎn)生的感應(yīng)渦流場(chǎng),檢測(cè)線圈共10匝。探頭整體厚度僅0.1 mm,可以緊貼待測(cè)鐵軌。陣列中一共有4組差分線圈對(duì),每組輸出差分缺陷檢測(cè)信號(hào)。

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

以實(shí)驗(yàn)室的高速鋼軌轉(zhuǎn)臺(tái)為基礎(chǔ),搭建了FPCB渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。高速轉(zhuǎn)臺(tái)由大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)最高350 km/h的轉(zhuǎn)速。圖15為轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物圖,轉(zhuǎn)臺(tái)上的鋼軌表面均勻分布人工切割的缺陷,這些缺陷是根據(jù)實(shí)際鋼軌中的裂紋形狀尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)切割的,包括不同寬度及不同深度的垂直缺陷、表面傾斜及內(nèi)部?jī)A斜的缺陷、埋藏盲孔等,具體的缺陷分布情況見(jiàn)圖16。

圖15 高速鋼軌轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物圖

圖16 轉(zhuǎn)臺(tái)鋼軌的表面缺陷分布圖

高速轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)的流程如圖17所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由高速轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、FPCB渦流檢測(cè)探頭、智能數(shù)字探傷儀以及PC端的渦流儀器軟件和LabVIEW信號(hào)處理部分組成。

圖17 高速鋼軌轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

2.3 不同激勵(lì)頻率檢測(cè)信號(hào)分析

將激勵(lì)頻率設(shè)置為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MHz,保持各組實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)臺(tái)速度一致。選取垂直深度4 mm缺陷的檢測(cè)信號(hào),提取電壓信號(hào)正負(fù)峰的峰峰值ΔUP進(jìn)行分析,如圖18所示?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著激勵(lì)頻率的增大,FPCB線圈對(duì)垂直深度4 mm缺陷檢測(cè)信號(hào)的ΔUP也在逐漸增大,當(dāng)激勵(lì)頻率低于1 MHz時(shí),ΔUP增長(zhǎng)的速度較快;而當(dāng)激勵(lì)頻率高于1 MHz時(shí),ΔUP增長(zhǎng)的速度放緩,與仿真結(jié)果一致。

圖18 4 mm垂直缺陷檢測(cè)信號(hào)ΔUP隨激勵(lì)頻率變化曲線

2.4 不同速度檢測(cè)信號(hào)分析

我國(guó)在役的高鐵動(dòng)車類型包括:L字頭的臨時(shí)列車,一般速度范圍在80～140 km/h之間;K字頭的快速列車,時(shí)速一般在120 km/h;T字頭的特快列車,時(shí)速一般在140 km/h;Z字頭的直達(dá)特快列車,時(shí)速一般在160 km/h;D字頭的動(dòng)車組列車,時(shí)速一般在200～250 km/h,甚至達(dá)到300 km/h;G字頭的高速動(dòng)車組,運(yùn)行時(shí)速達(dá)到300 km/h以上。

參考列車的正常運(yùn)行速度,再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室高速轉(zhuǎn)臺(tái)的高速性能,取時(shí)速為40,80,120,160,200 km/h進(jìn)行激勵(lì)頻率為1 MHz的缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。設(shè)定激勵(lì)頻率為1 MHz進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn),既可以降低解調(diào)難度,又能保證檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量。分析垂直深度d為2,4,6,8 mm的4個(gè)缺陷檢測(cè)信號(hào)的ΔUP,結(jié)果如圖19所示。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨著速度的增大,4個(gè)缺陷檢測(cè)信號(hào)的ΔUP統(tǒng)一呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);速度到達(dá)200 km/h之后,信號(hào)衰減比超過(guò)50%,即以40 km/h速度下的信號(hào)值為基準(zhǔn),200 km/h的檢測(cè)信號(hào)值衰減到了其一半以下。說(shuō)明隨著速度的增大,檢測(cè)信號(hào)的幅值在近似線性下降。

2.5 不同深度缺陷檢測(cè)信號(hào)分析

選取轉(zhuǎn)臺(tái)上垂直深度為2,4,6,8 mm,其他參數(shù)都相同的4個(gè)缺陷,提取分析檢測(cè)信號(hào)的ΔUP,結(jié)果如圖20所示。隨著缺陷深度的增大,FPCB線圈檢測(cè)信號(hào)的ΔUP也在增大?？梢钥闯?當(dāng)缺陷深度d小于6 mm時(shí),ΔUP增長(zhǎng)的速度較快;而當(dāng)缺陷深度d大于6 mm時(shí),ΔUP增長(zhǎng)的速度變緩,這與仿真結(jié)果略有出入,但在可接受范圍內(nèi),因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件與仿真環(huán)境有一定區(qū)別。本文設(shè)計(jì)的FPCB線圈采用1 MHz激勵(lì)頻率時(shí),對(duì)深度6 mm以內(nèi)的垂直缺陷分辨率較高,而對(duì)深度6 mm以上的垂直缺陷分辨率相對(duì)較低。這一結(jié)論可以指導(dǎo)后續(xù)對(duì)探頭最佳的深度檢測(cè)區(qū)間的研究。

圖20 不同深度缺陷檢測(cè)的ΔUP變化曲線

2.6 密集缺陷檢測(cè)信號(hào)分析

轉(zhuǎn)臺(tái)上有間距為2,4,8,16 mm的5個(gè)垂直密集缺陷,具體參數(shù)由表1給出,寬度、深度完全一致。實(shí)物圖見(jiàn)圖21。在低速狀態(tài)下對(duì)這些缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

表1 密集缺陷具體參數(shù)

圖21 轉(zhuǎn)臺(tái)密集缺陷實(shí)物圖

將轉(zhuǎn)臺(tái)上編號(hào)為20～24的5個(gè)缺陷的檢測(cè)信號(hào)從一個(gè)周期中單獨(dú)提取出來(lái),對(duì)波形進(jìn)行詳細(xì)分析,提取各個(gè)缺陷信號(hào)的峰間距,結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速及周長(zhǎng)計(jì)算缺陷間距,驗(yàn)證通過(guò)檢測(cè)信號(hào)得出的間距與實(shí)際距離是否一致。實(shí)驗(yàn)采用單線圈檢測(cè),理論上可以檢出間距為2 mm以上的密集缺陷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖22所示,檢測(cè)出了這5個(gè)密集缺陷的單峰信號(hào),驗(yàn)證了之前通過(guò)仿真結(jié)果分析得出的猜想,邊長(zhǎng)為2 mm的FPCB線圈確實(shí)可以檢測(cè)出間距為2 mm及以上的密集缺陷。測(cè)量得到轉(zhuǎn)臺(tái)半徑約為0.425 m,算得周長(zhǎng)約為2.67 m,這樣根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期所經(jīng)過(guò)的采樣點(diǎn)數(shù)可以推算出轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速v,再用實(shí)際轉(zhuǎn)速乘以各峰值之間的時(shí)間差T,可得到密集缺陷的實(shí)際間距Q:

圖22 轉(zhuǎn)臺(tái)密集缺陷單峰檢測(cè)信號(hào)

Q=vT

表2給出的計(jì)算結(jié)果表明,該評(píng)估方法得到的密集缺陷間距基本都與實(shí)際間距一致,可以確定FPCB單線圈對(duì)密集缺陷的檢測(cè)效果很好,也證實(shí)了仿真結(jié)論是合理的,可以用來(lái)指導(dǎo)不同間距密集缺陷的檢測(cè)探頭尺寸設(shè)計(jì)。

表2 密集缺陷各峰值估算間距

按照上文仿真的結(jié)論,邊長(zhǎng)為4 mm的FPCB線圈對(duì)最佳差分信號(hào)檢測(cè)間距為8 mm及以上,即能完整檢測(cè)出23號(hào)、24號(hào)的缺陷。在低速情況下,使用差分信號(hào)檢測(cè)該密集缺陷區(qū),同樣截取實(shí)驗(yàn)檢測(cè)信號(hào),結(jié)果如圖23所示?？梢钥闯?間距在8 mm以內(nèi)的20～22號(hào)缺陷對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)都混雜在一起,很難辨認(rèn)出各個(gè)缺陷,但是與鄰近缺陷相距在8 mm以上的23與24號(hào)缺陷的差分信號(hào)幾乎完整顯現(xiàn)。差分信號(hào)對(duì)密集缺陷間距的檢測(cè)能力同樣也是由FPCB線圈的尺寸決定的,不過(guò)與單線圈檢測(cè)信號(hào)不同的是,差分信號(hào)的最佳密集缺陷檢測(cè)間距為單個(gè)方形線圈尺寸的兩倍及以上,這也驗(yàn)證了前文仿真的結(jié)論。

圖23 轉(zhuǎn)臺(tái)密集缺陷差分檢測(cè)信號(hào)結(jié)果圖

綜合仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,FPCB線圈檢測(cè)不同間距密集缺陷的能力與線圈尺寸相關(guān),其中單線圈最佳檢測(cè)間距為線圈邊長(zhǎng)的值及以上,而差分線圈最佳檢測(cè)間距為線圈邊長(zhǎng)的兩倍及以上。當(dāng)已知一片密集缺陷區(qū)域中相鄰缺陷的最小間距時(shí),可以根據(jù)具體檢測(cè)效果需求設(shè)計(jì)FPCB方形線圈的尺寸,有效識(shí)別出密集缺陷。

3 結(jié)論

本文主要研究了一種基于FPCB渦流的高速軌道缺陷檢測(cè)及量化評(píng)估方法,進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出FPCB線圈對(duì)密集缺陷的檢測(cè)結(jié)果與線圈尺寸有關(guān):若已知相鄰缺陷的最小間距為X,則FPCB方形線圈的邊長(zhǎng)D滿足X≤D≤2X即可基本識(shí)別出最小間距的密集缺陷;邊長(zhǎng)滿足X/2≤D≤X可獲得完整較佳的單線圈檢測(cè)效果;邊長(zhǎng)滿足D≤X/2可以獲得最佳差分信號(hào)檢測(cè)結(jié)果。