金属表面裂纹涡流检测系统

!""#年第!"卷第$期测试技术学报%&’(!")&($!""#($+, *总第$+期,-./0123.456752189627/06961556:;1.3.<=*>?@)&A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A AA 文章编号BC#D C E D F F+*!""#,"$E"F#D E"F金属表面裂纹涡流检测系统张方H郭顺生H程松波*武汉理工大学信息工程学院H湖北武汉F I""D I,摘要B针对现实生活中由于金属裂纹引发的众多灾难性事故H研究设计了一种结构简单J灵敏度高而且便于携带的金属表面裂纹涡流检测装置(该装置应用涡流探伤的基本原理H采用磁性材料H制作了一种精细的涡流传感器H用于前端提取微弱的裂纹信号K后台应用单片机控制电路H处理提取的滤波J放大J L M N转换等信号H最后由单片机驱动声J光报警H显示裂纹缺陷的相对大小H实现了防患于未然的目的(关键词B涡流检测K裂纹K传感器K交变磁场K单片机中图分类号B O P!"#(C文献标识码B L0Q R S T U R V T W XW Y8Q V Q Z V T X[7\]V Q^_R]Q‘W X6‘‘\Y W a7b a Y R Z Q:a R Z cW Y7V Q Q S9R V Q a T R Sd e L)f g h i j H f k l>m?i n m o i j H p e q)f>&i j r&*>s m&&’&t u i t&v@h w x&i H y?m h ik i x z o v n x w{&t O o s m i&’&j{H y?m h i F I""D"H p m x i h,2|]V a R Z V B u i&v}o v w&h z&x}w m oh s s x}o i w n s h?n o}r{~o o i x os v h s!n&iw m on?v t h s o&t@o w h’H h!x i}&t n x@"’o h i}n o i n x w x z o"&s!o w h r’o o#?x"@o i w t&v}o w o s w x i jn?s ms v h s!~h n}o n x j i o}(O m o o#?x"@o i w h""’x o n w m o t?i}h@o i w h’&t o}}{w o n w x i j*q O,h i}h}&"w n h"v o s x n o o}}{n o i n&v@h}o&t@h j i o w x s@h w o v x h’n h n x w n t v&i w n w h w ow&j o w w m ot h x i w s v h s!n x j i h’(L@&i&’x w m x sx i w o j v h w o}s&i w v&’s x v s?x w x ns m&n o ih nw m or h s! n w h j o w&"v&s o n n w m o t h x i w n x j i h’n x i s’?}x i jt x’w o v x i j H h@"’x t{x i jh i}L M Ns&i z o v n x&i(O m o i H w m o v o’h w x z o n x$o&t s v h s!x n}o@&i n w v h w o}h i}w m o n&?i}E’x j m w h’h v@}o z x s o x n}v x z o iw&i x"h s s x}o i w n s h?n o}r{~o o i x o s v h s!n&iw m o n?v t h s o&t@o w h’x iw m o r?}(%Q\&W a‘]B o}}{w o n w x i j*q O,K s v h s!n K@?w h w x z o@h j i o w x s t x o’}K n x i j’o s m x"在金属材料的使用中存在大量的断裂现象H特别是材料与构件的脆性断裂H为人们带来了很多灾难性的事故H其中涉及舰船J飞机J轴类J压力容器J宇航器J核设备和各类武器等多方面(因此H断裂问题始终是研究各种材料的一个重要课题(为了避免金属构件在加工和使用过程中发生断裂H除了要加强材料本身的强度以外H更重要的是要及时发现隐患H在裂纹未构成威胁前检测出来(常用的导磁材料的表面裂纹检测方法有B磁粉检测J漏磁检测和涡流检测(磁粉检测的灵敏度高H但是难以对疵病进行定量H不易实现检测自动化H且对表面有涂层及潮湿的工件检测效果很不理想K漏磁检测由于采用直流磁化时无高频信号存在H故探头几乎没有零电势存在H给信号处理带来方便H但是对很窄的裂纹检测灵敏度不高H且磁敏元件易损H检测速度低(这两种方法还有一个不足之处就是检测后的构件都必须作退磁处理(涡流检测是近年来发展较快的万方数据G收稿日期B!""$E"’E C F作者简介B张方*C+’!(,H女H硕士生H主要从事信息化安全H制造业信息化等研究(通讯作者B郭顺生*C+#I(,H男H教授H博士生导师H主要从事机电一体化J制造业信息化等研究(一种无损检测技术!对表面开口裂纹很灵敏!在表面涂层"潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作!具有结构简单"灵敏度高"频率响应特性好以及测试电路简单等优点!特别适用于钢铁焊缝的疲劳裂纹和焊接时产生的表面应力裂纹#$!%&’本文介绍了一种前端使用涡流传感器检测采集裂纹信号!后端应用单片机作信号处理!并发出警报信息的涡流探伤系统’$涡流探伤系统总体设计图$涡流检测的原理()*’$+,-./0120.3-45-6678-9801:$’$涡流探伤的基本原理#;&涡流检测是建立在电磁感应基础上的!它利用交变磁场作用下被测工件表面产生不同的涡流分布"大小来反映工件的材料"物理性能和缺陷的差异’如图$所示!给一个线圈通入交流电<$时!线圈的周围将产生交变的磁场=$’如果把线圈靠近被试工件!像船在水中那样!工件内会感应出涡流<%!而且由于集肤效应>?集肤效应@就是当高频电流通过导体时!电流将集中在导体表面流通的现象A !涡流集中在金属板的表面B 涡流<%又会产生交变的磁场=%反作用于=$!使线圈电流发生变化’由于涡流的分布"大小随工件内缺陷的有无而不同!所以线圈电流的变化能反映工件表面是否存在缺陷’$’%系统总体结构设计裂纹探伤系统总体结构如图%所示’图%裂纹检测系统总体设计框图()*’%C -90:1D 342E60F :/F G 452/F 2E8-98由单片机产生周期性的触发脉冲!通过H I 振荡电路!在激励线圈中产生正弦激励信号’检测线圈输出的电压信号通过信号检出电路提取出对裂纹缺陷比较敏感的部分!再经过放大"J K C 转换送入单片机进行处理"判断!由单片机驱动声"光报警!并显示裂纹缺陷的相对大小’%硬件设计#L &%’$传感器的设计#M &传感器设计是整个系统开发过程中最重要的环节!传感器的性能对测量电路的设计以及测试的精度和可靠性有着重要的影响’该系统采用了如图;所示的传感器结构!采用此结构能够很好地降低提离效应!提高测试的精度!并且能反映裂纹的相对深度’所谓?提离效应@!是传感器与试件之间因距离变化而引起检测线圈阻抗变化的现象!当传感器在工N O L 测试技术学报%P P O 年第M 期万方数据件表面扫查时!由于工件表面的凹凸不平!粗糙和操作不当等均会产生"#提离效应$是一种干扰信号!图%传感器结构示意图&’("%)*+,-./+0*+,12-..345**-678-681*会对检测结果带来影响!因此!需要加以抑制"传感器是由一个9形的激励线圈:匝数;<<=和一个检测线圈:匝数%><?@<<=组成的:所给数据仅供参考="传感器中!两线圈正交!检测线圈靠近磁芯的开口中点处"在激励线圈上通以一定频率的正弦波!当传感器沿着试件表面移动时!试件表面在交变磁场作用下会产生一定分布和大小的涡流A 当有裂纹时!涡流分布和大小会发生相应的改变!检测线圈感应涡流反磁场的变化!由硬件电路转化为电信号!从而使其通过变化反映缺陷的情况"影响传感器性能的因素有很多!主要有激励线圈B检测线圈的匝数!激励线圈与检测线圈之间的相对距离!磁芯的尺寸等等"在传感器的设计中!可以应用正交试验的方法获得传感器参数的最佳组合!使其达到较好的性能!即具有较小的提离效应以及较高的灵敏度";";激励信号的产生图@是激励信号的产生电路!C D 为激励线圈A C ;为检测线圈"激励信号是由单片机产生的周期性触发脉冲通过一个由电阻和三极管组成的开关电路!送到由激励线圈组成的C E 振荡电路而形成的"激励信号是一个近似的正弦波"C E 振荡电路的优点是F 结构简单!容易起振!频率便于调整"图@振荡电路和激励信号波形&’("@G 84/H H +7/164/*45/7+6.7I -J +K -12-L 4/7/608/06+H;"%检测信号处理由传感器送来的检测信号中混杂着很多干扰!要从中提取有用的信号首先要通过滤波电路作信号选择!然后将采集到的微弱的有用信号适当放大得到信号波形!如图M 所示"当传感器经过裂纹处时!检测信号的峰值就会发生变化!图N 表现了裂纹处的检测信号波形变化"然后信号经过峰值运算电路转换成直流信号!经过O P Q 转换!送到单片机中处理"图>检测信号处理流程图&’(">)H 1J 4I +*712.-+H /607-878/06+HR M @:总第>R 期=金属表面裂纹涡流检测系统:张方等=万方数据图!非裂纹处的检测信号波形"#$%!&’()*+,*-.’/0)102,3123,’/图4裂纹处的检测信号波形"#$%4&’()*+0)102,3123,’/*()-5-’567%8缺陷显示和报警系统报警系统由一个蜂鸣器和一排9:;组成%单片机通过软件对送入的直流信号进行处理%当送入的信号大于某个设定的安全值时<就送出信号<驱动蜂鸣器发出声音警报<并同时驱动点亮不同个数的9:;<显示裂纹的相对深度%=软件设计软件设计是该系统设计的另外一个很重要的部分%该系统采用的单片机是只有7>个引脚的?@A B C7>D E 芯片<它是整个硬件电路的核心<嵌入其中的软件部分支配着整个系统的运作<但是软件的设计依赖硬件<且服务于系统的需要%软件采用前F 后台系统设计<为等待中断的方式%程序初始化后<就设置定时器<等待中断%该系统中一共有二个中断处理<一个定时器中断<定时产生激励信号G 一个外部中断<用来按键调零%内部定时器中断程序如图A 所示H H H H I I I I %"#$%J K /*L 5M ’-0*+2,,)-2,0)--N O 0图A 内部中断程序流程图报警显示信号处理放电?F ;转换等待启动?F ;软件延时设置开关发射脉冲从图A 中可以看出<系统的子程序还包括?F ;P 信号处理和报警显示驱动等等%8结论本文介绍的涡流探伤系统<已经在实际工程中得到了应用%经实际验证<对一般铁磁性材料的表面缺陷裂纹P 焊缝质量的检测速度快P 灵敏度高%除此之外<该装置还具有使用简单P 便于携带和显示直观的优点<适用的范围很广泛%参考文献QR E S 谭祖根<汪乐宇%电涡流检测技术R T S%北京Q 原子能出版社<E B A !%R 7S 陈积懋%无损检测新技术7>年回顾R US %无损检测<E B B A <4V 7>W QE A E X E A D %C M ),U 2.’*%@M )-)5),07>Y )’-1-)(2)L *+0M ))Z Z Y0)102,3R U S %[*,Z )10-N 502()@)10<E B B A <4V 7>W QE A E X E A D %V 2,C M 2,)1)W R =S 任吉林%涡流检测技术近7>年的进展R US %无损检测<E B B A <7>V D W QD D 7X D D 4%\),U 2/2,%@M )-)5),07>Y )’-1Z )()/*O .),0*+0M ))Z Z Y 0)102,3R U S %[*,Z )10-N 502()@)10<E B B A <7>V D W Q D D 7X D D 4%V 2,C M 2,)1)W R 8S 张毅坤<陈善久<裘雪红%单片微型计算机原理与应用R T S%西安Q 西安电子科技大学出版社<7>>7%R D S 杨风<吴其洲%金属表面裂纹深度定量标定系统R US %华北工学院学报<7>>8<7D V =W Q774X 7=>%]’,3K ),3<&N^2_M *N %^N ’,020’02()‘,Z 25’02*,a Y 10).+*-C -’56;)O 0M*,0M )a N -+’5)*+a 0))/T’0)-2’/R U S %U *N -,’/*+[*-0MC M 2,’‘,1020N 0)*+@)5M ,*/*3Y <7>>8<7D V =W Q774X 7=>%V 2,C M 2,)1)W >48测试技术学报7>>!年第D 期万方数据。