ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在汽車罐車定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

摘 要：汽車罐車定期檢驗(yàn)是移動(dòng)式壓力容器安全管理工作中的重要部分，對(duì)提高汽車罐車使用壽命和安全性具有重要作用?，F(xiàn)行方法檢驗(yàn)結(jié)果置信度較低且漏檢率較高，無(wú)法達(dá)到預(yù)期檢驗(yàn)效果。本文針對(duì)現(xiàn)行方法存在的不足和缺陷，提出在汽車罐車定期檢驗(yàn)中應(yīng)用ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)汽車罐車ACFM電磁進(jìn)行無(wú)損掃描，采集罐車表面ACFM電磁信號(hào)，采用中值濾波技術(shù)對(duì)ACFM電磁信號(hào)進(jìn)行濾波處理。根據(jù)麥克斯韋理論分析ACFM電磁信號(hào)，識(shí)別、檢測(cè)汽車罐車表面缺陷長(zhǎng)度與深度。試驗(yàn)證明，本文方法檢驗(yàn)結(jié)果置信度超過(guò)96%，漏檢率低于1%，ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在汽車罐車定期檢驗(yàn)方面具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；汽車罐車；定期檢驗(yàn)；中值濾波技術(shù)；麥克斯韋理論

中圖分類號(hào)：TG 115" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展，作為一種重要的運(yùn)輸工具，汽車罐車在石油、化工和食品等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，在運(yùn)輸過(guò)程中汽車罐車可能會(huì)受各種因素的影響，如制造缺陷、道路狀況、駕駛習(xí)慣和運(yùn)輸介質(zhì)等，這些因素都可能導(dǎo)致罐車結(jié)構(gòu)或性能出現(xiàn)損傷。定期檢驗(yàn)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)這些潛在問(wèn)題，確保罐車在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)罐車的整體使用壽命。如果罐車存在安全隱患而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，一旦發(fā)生事故，后果會(huì)非常嚴(yán)重。定期檢驗(yàn)?zāi)芙档褪鹿曙L(fēng)險(xiǎn)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。各國(guó)政府對(duì)道路運(yùn)輸車輛的安全性都有嚴(yán)格的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。作為道路運(yùn)輸車輛的一種，汽車罐車必須按照相關(guān)法規(guī)要求進(jìn)行定期檢驗(yàn)。不進(jìn)行定期檢驗(yàn)或檢驗(yàn)不合格的車輛將無(wú)法上路行駛。因此，對(duì)汽車罐車進(jìn)行定期檢驗(yàn)至關(guān)重要。但是現(xiàn)行的檢驗(yàn)方法在實(shí)際應(yīng)用中效果不佳，不僅檢驗(yàn)結(jié)果置信度較低，而且漏檢率較高，因此需要研發(fā)一種新的檢驗(yàn)方法。ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有非接觸、高精度和高效率等優(yōu)點(diǎn)，可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出金屬材料中的缺陷和損傷。目前，ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在汽車工業(yè)中具有廣泛應(yīng)用，為汽車零部件的檢測(cè)和維修提供了新的解決方案，因此本文提出了ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在汽車罐車定期檢驗(yàn)中應(yīng)用的研究。

1 基于ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的汽車罐車定期檢驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

1.1 汽車罐車ACFM電磁無(wú)損掃描

完整的物體與表面存在缺陷的物體的磁場(chǎng)特征存在較大差異，ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)就是利用該特征對(duì)物體表面進(jìn)行ACFM電磁無(wú)損掃描，獲取電磁信號(hào)，通過(guò)分析電磁信號(hào)特征，識(shí)別并檢測(cè)物體表面是否存在缺陷。汽車罐車定期檢驗(yàn)的主要內(nèi)容為罐體表面是否存在裂紋、裂縫等缺陷。因此本文利用ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)罐車進(jìn)行ACFM電磁無(wú)損掃描，采集罐車電磁信號(hào)[1]。ACFM電磁無(wú)損掃描檢測(cè)技術(shù)是利用磁場(chǎng)傳感器將罐車缺陷上方的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓信號(hào)，在此基礎(chǔ)上對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理與分析。汽車罐車ACFM電磁無(wú)損掃描示意圖如圖1所示。

汽車罐車周圍布設(shè)了電磁傳感器，考慮罐車體積與面積比較大，采用陣列式布設(shè)傳感器，2個(gè)相鄰傳感器間距為500mm，電磁傳感器與汽車罐車距離為1000mm.考慮傳感器掃描到的罐車缺陷周圍的電壓信號(hào)非常微弱，在實(shí)際掃描過(guò)程中利用功率放大器將信號(hào)放大[2]。由ACFM電磁信號(hào)發(fā)生器生成原始的正弦激勵(lì)信號(hào)，功率放大器將其放大后，提高了信號(hào)的帶負(fù)載能力。將放大后的信號(hào)加載到“U”形激勵(lì)上。“U”形激勵(lì)是由銅材質(zhì)漆線包和“U”形錳鋅鐵氧體組成的信號(hào)激勵(lì)裝置。信號(hào)經(jīng)過(guò)“U”形激勵(lì)后被電磁傳感器接收，經(jīng)信號(hào)調(diào)解電路傳輸?shù)経SB采集卡上，最后由USB采集卡發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，用于后續(xù)信號(hào)處理和缺陷識(shí)別。整個(gè)ACFM電磁無(wú)損掃描流程由開(kāi)關(guān)電源供電。

1.2 掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理

考慮汽車罐車ACFM電磁無(wú)損掃描過(guò)程中傳感器輸出的信號(hào)中有大量電磁耦合與工頻等干擾信號(hào)，為了保證汽車罐車檢驗(yàn)精度，對(duì)掃描到的汽車罐車ACFM電磁信號(hào)進(jìn)行中值濾波處理。中值濾波的基本原理是將一段連續(xù)的數(shù)字信號(hào)序列進(jìn)行排序，將中間值作為輸出[3]。在數(shù)字信號(hào)處理中，中值濾波器通常由一個(gè)滑動(dòng)窗口組成，窗口內(nèi)的所有信號(hào)值按照大小排序，取中間值作為輸出。先初始化一個(gè)滑動(dòng)窗口，窗口的大小可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇[4]。窗口內(nèi)的所有信號(hào)值需要存儲(chǔ)在內(nèi)存中。再將窗口內(nèi)的所有ACFM電磁信號(hào)值按照大小進(jìn)行排序。排序可以采用不同的算法，如快速排序、歸并排序等[2]。將排序后的ACFM電磁信號(hào)值取中間值作為輸出，如公式（1）所示。

（1）

式中：ε表示ACFM電磁信號(hào)中間值；δ表示濾波窗口內(nèi)ACFM電磁信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差；μ表示濾波窗口內(nèi)ACFM電磁信號(hào)數(shù)量[5]。

如果窗口內(nèi)ACFM電磁信號(hào)值的數(shù)量是奇數(shù)，直接取中間值；如果窗口內(nèi)ACFM電磁信號(hào)值的數(shù)量是偶數(shù)，則將中間2個(gè)值的平均值作為輸出。將滑動(dòng)窗口向右移動(dòng)一個(gè)單位，窗口內(nèi)的所有信號(hào)值更新為新的輸入信號(hào)。重復(fù)上述步驟，直到處理完所有輸入ACFM電磁信號(hào)，以此完成對(duì)ACFM電磁信號(hào)的預(yù)處理。

1.3 汽車罐車缺陷識(shí)別檢驗(yàn)

在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)理論，即麥克斯韋理論，對(duì)預(yù)處理后的ACFM電磁信號(hào)進(jìn)行分析，估測(cè)汽車罐車缺陷長(zhǎng)度與深度[6]。ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用交變電流的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。假設(shè)罐車為導(dǎo)體，當(dāng)罐車靠近磁場(chǎng)時(shí)會(huì)受電流的趨膚效應(yīng)影響，罐車感應(yīng)電流會(huì)聚集于罐體表面，在電磁場(chǎng)作用下各介質(zhì)間的關(guān)系如公式（2）所示。

（2）

式中：?×表示旋度算子；H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度；J表示罐車感應(yīng)電流密度；D表示電位移；E表示罐車感應(yīng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度；B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度；?·表示散度算子；υ表示汽車罐車體電荷密度。

如果罐車表面沒(méi)有缺陷，則匯聚于表面的感應(yīng)電流處于平行狀態(tài)，如果罐車表面存在缺陷，感應(yīng)電流經(jīng)缺陷兩端就會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。缺陷上方的電磁場(chǎng)由激勵(lì)電流產(chǎn)生的原生磁場(chǎng)和罐體表面缺陷引起的次生磁場(chǎng)組成，根據(jù)電磁原理有公式（3）。

（3）

式中：h表示集膚深度，即汽車罐車缺陷長(zhǎng)度；j表示罐車缺陷上方電場(chǎng)強(qiáng)度向量；表示罐車缺陷上方磁場(chǎng)強(qiáng)度向量；u表示電導(dǎo)率；c表示真空磁導(dǎo)率；Bz表示汽車罐車缺陷水平方向ACFM電磁信號(hào)強(qiáng)度；γ表示汽車罐車缺陷長(zhǎng)度深度；Bx表示汽車罐車缺陷垂直方向ACFM電磁信號(hào)強(qiáng)度；ψ表示相對(duì)磁導(dǎo)率；g表示“U”形激勵(lì)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；k表示角頻率。

將預(yù)處理后的ACFM電磁信號(hào)代入公式（3），即可估測(cè)汽車罐車缺陷深度與長(zhǎng)度，以此完成基于ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在汽車罐車定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

2 試驗(yàn)論證

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

以某汽車罐車為試驗(yàn)對(duì)象，該罐車罐體容積為12.25m3，整車外形尺寸為7700mm×2480mm×3150mm，材料為鋼，軸距為3800mm+1311mm+1311mm，最高車速為90km/h，額定功率為475kW。從2022年1月5日開(kāi)始利用本文方法對(duì)該汽車罐車進(jìn)行定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)周期為30d。利用陣列式ACFM探頭沿掃描路徑方向?qū)捃嚤砻嫒毕葸M(jìn)行檢測(cè)，在陣列式探頭掃描方向上布設(shè)8個(gè)無(wú)線傳感器，因此ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)信號(hào)包括8列數(shù)據(jù)。掃描到的ACFM電磁信號(hào)圖如圖2所示。

從圖2可以看出，罐車表面的缺陷引起了傳感器信號(hào)擾動(dòng)，Bx信號(hào)發(fā)生了缺陷，而B(niǎo)z信號(hào)出現(xiàn)了雙峰值特征，說(shuō)明汽車罐車表面存在缺陷。2種信號(hào)分別反映罐車表面缺陷的深度和長(zhǎng)度。分析ACFM電磁信號(hào)，確定汽車罐車表面缺陷長(zhǎng)度和深度，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)該汽車罐車進(jìn)行8個(gè)月的定期檢驗(yàn)，共檢測(cè)到124個(gè)缺陷，記錄檢驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，一邊對(duì)本文方法性能進(jìn)行評(píng)測(cè)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)汽車罐車定期檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本文方法檢驗(yàn)結(jié)果置信度和漏檢率進(jìn)行評(píng)價(jià)。置信度是評(píng)價(jià)檢驗(yàn)結(jié)果可靠程度與可信程度的重要指標(biāo)，如公式（4）所示。

（4）

式中：RTDG表示汽車罐車檢驗(yàn)結(jié)果置信度；ertwt表示汽車罐車缺陷長(zhǎng)度檢驗(yàn)誤差；eeoui表示汽車罐車缺陷深度檢驗(yàn)誤差；ρ表示汽車罐車缺陷檢驗(yàn)最大允許誤差。

置信度值越高，說(shuō)明檢驗(yàn)結(jié)果可信度越高，檢驗(yàn)精度越高。漏檢率是指未檢驗(yàn)到缺陷樣本與總?cè)毕輼颖镜谋壤绻剑?）所示。

（5）

式中：OKUF表示汽車罐車缺陷檢驗(yàn)漏檢率；Nasgshs表示未檢驗(yàn)到汽車罐車缺陷樣本數(shù)量；Nsdsmgjafg表示汽車罐車缺陷樣本總量。

將本文方法、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢驗(yàn)方法和基于數(shù)據(jù)挖掘的檢驗(yàn)方法進(jìn)行比較和分析，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，本文方法檢驗(yàn)結(jié)果置信度最高，平均置信度水平為97.86%，比基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢驗(yàn)方法高近22%，比基于數(shù)據(jù)挖掘的檢驗(yàn)方法高近34%。從漏檢率方面來(lái)看，基于數(shù)據(jù)挖掘的檢驗(yàn)方法漏檢率最高，本文方法漏檢率最低，當(dāng)檢驗(yàn)樣本數(shù)量為800個(gè)時(shí)，本文方法漏檢率僅為0.16%。上述試驗(yàn)指標(biāo)比較證明了本文方法在汽車罐車定期檢驗(yàn)中具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在該方面具有良好的應(yīng)用前景，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車罐車缺陷的精準(zhǔn)檢驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，探討了汽車罐車定期檢驗(yàn)的方法。通過(guò)采用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和科學(xué)的方法，能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估汽車罐車的結(jié)構(gòu)和性能，確保其運(yùn)行的安全性和可靠性?；贏CFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的汽車罐車定期檢驗(yàn)方法設(shè)計(jì)為保障道路交通安全、提高運(yùn)輸效率提供了有力支持。在未來(lái)的發(fā)展中，將繼續(xù)關(guān)注ACFM電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展，不斷優(yōu)化和完善汽車罐車定期檢驗(yàn)方法。

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