李文艷,李 偉,陳國明

(中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,東營 257061)

交流電磁場檢測(ACFM)方法是綜合交流電位降(ACPD)和渦流檢測(ET)兩種電磁檢測方法[1]的一種無損檢測方法。目前被廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)、石油化工、海上平臺和航空航天等各種場合的表面缺陷檢驗。

在利用ACFM 方法對工件上的缺陷進行檢測時,由感應(yīng)線圈檢測被測工件表面的磁場擾動信息。但是檢測線圈得到的信號極其微弱,并且存在嚴重的噪聲干擾。筆者采用軟硬件結(jié)合的方法,對采集的信號進行處理,采用信號多級放大、濾波和信號抗干擾等多種技術(shù)對信號進行調(diào)理,從而將深埋在大量非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號檢測出來,同時達到抑制干擾的作用。

1 ACFM 技術(shù)工作原理

ACFM 技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理。當載有交變電流的矩形激勵線圈靠近導(dǎo)體時,交變電流在周圍的空間中產(chǎn)生交變磁場,被測工件(導(dǎo)體)表面的感應(yīng)電流由于集膚效應(yīng)聚集于工件的表面。當工件中無缺陷時,電流線彼此平行,工件表面有一均勻磁場存在;若工件中有缺陷存在,由于電阻率的變化,勢必對電流分布產(chǎn)生影響,電流線在缺陷附近會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),工件表面的磁場會發(fā)生畸變,這個磁場的變化強弱,就能反映出裂紋的尺寸。

建立被測試件上的感應(yīng)電流流向模型,并把磁場場量B分成三個分量B x,B y和B z進行分析,方向如圖1 所示[2]。當無缺陷時,感應(yīng)電流順著y軸均勻流動,垂直于電流的y向磁場分量B x均勻無擾動,而另外兩個方向的磁場分量By和B z為零。故遠離裂紋處,電流場是均勻的,電流線相互平行。當電流流至裂紋處,由于材質(zhì)的不均勻性和分界面處電流的連續(xù)性原理,電流線會向裂紋兩端和裂紋底面偏轉(zhuǎn),使裂紋中心處電流線變疏,電流密度下降,兩端的電流線匯聚,從而導(dǎo)致工件表面磁場的變化。在ACFM 中,一般要測量出垂直于工件表面的磁感應(yīng)強度Bz和平行于工件表面和裂紋走向的磁感應(yīng)強度B x這兩個相互正交的磁場變化量。

圖1 ACFM 原理圖

2 ACFM 信號檢測處理系統(tǒng)

ACFM 信號檢測處理系統(tǒng)硬件方面主要由信號源、傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機和基于Labview 設(shè)計的軟件模塊組成,其整體框圖如圖2 所示。

圖2 ACFM 檢測系統(tǒng)實物圖

2.1 信號發(fā)生電路設(shè)計

在信號分析處理的電路設(shè)計中,信號發(fā)生電路部分的設(shè)計是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。筆者采用幅值為1 V,頻率為6 kHz 的正弦交流信號作為整個檢測系統(tǒng)的信號源,其信號頻率是否穩(wěn)定,對整個檢測系統(tǒng)的工作起著十分關(guān)鍵的作用。

M AX038 是具有高頻、高精度、低輸出電阻而且驅(qū)動能力很強的專用函數(shù)信號發(fā)生芯片,它能產(chǎn)生準確的高頻正弦波、三角波和方波,輸出頻率和占空比可以通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別控制。系統(tǒng)采用M AX038 芯片,通過調(diào)節(jié)其它外部元件參數(shù)來產(chǎn)生符合要求的正弦信號。因為正弦波產(chǎn)生后帶負載的能力差,并不能直接作為ACFM 激勵的信號源,需要在后面接一個射級跟隨器,以提高帶負載能力。

2.2 傳感器設(shè)計

基于ACFM 傳感器設(shè)計的經(jīng)驗可知,矩形線圈對較深裂紋的測量具有很高的靈敏度。感應(yīng)線圈只要足夠小,長度(L)和寬度(D)的比值合理,即能夠滿足點檢測的要求[3],可以使感應(yīng)線圈的平均磁感應(yīng)強度等于中心點的磁感應(yīng)強度。

設(shè)計的傳感器是將檢測線圈放置在激勵線圈的正下方[4],采用錳鋅鐵氧體磁芯作骨架。磁芯有使磁感應(yīng)通量集中到自己內(nèi)部的作用。沒有磁芯的載流線圈產(chǎn)生的磁通量彌散在整個空間中,若把同樣的線圈繞在一個閉合或差不多閉合的磁芯上時,則不僅磁通量的數(shù)值大大增加,而且磁感應(yīng)線幾乎是沿著磁芯的。并且磁芯減小了激勵線圈的體積,同時能夠降低激勵線圈的功率,大大加強由激勵線圈產(chǎn)生的激勵磁場值。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 信號調(diào)理電路

由于ACFM 探頭采集到的信號非常微弱,并且伴隨著大量的干擾噪聲信號,所以對其必須進行必要的調(diào)理。信號調(diào)理電路主要包括對初始信號的放大和濾波。對ACFM 微弱信號采用多級放大方式,其基本要求是實現(xiàn)信號幅值放大,同時信號不失真。系統(tǒng)中共有兩級信號放大電路,前置放大器選用低功耗、高精度的儀表放大器AD620[5-6],然后經(jīng)二階巴特沃斯低通濾波,后端放大采用運算放大器搭建的一階同相放大器。

2.4 基于Labview 的數(shù)據(jù)采集

要實現(xiàn)計算機對檢測到的微弱信號進行采集,就必須把模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以接受的數(shù)字信號,而A/D 數(shù)據(jù)采集卡正是執(zhí)行這一功能的元件。ACFM 檢測系統(tǒng)的信號采集選用阿爾泰公司的USB2086 數(shù)據(jù)采集卡,其上裝有16 bit 分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換器,為用戶提供了16 雙/32 單的模擬輸入通道。

LabVIEW 平臺上使用的數(shù)據(jù)采集卡共有三種驅(qū)動方法,筆者采用LabVIEW 的Functions 模板內(nèi)Advanced 子模板中的Call Library Function Node圖標,動態(tài)鏈接USB2086 數(shù)據(jù)采集卡的DLL 庫函數(shù),實現(xiàn)對USB2086 數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動。數(shù)據(jù)采集作為后期信號分析與處理必不可少的前期工作,在整個ACFM 檢測系統(tǒng)中起到關(guān)鍵性的作用;在該模塊中,可以實現(xiàn)通道和采集方式的選擇、采樣頻率和讀取長度的設(shè)定等;其前面板如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.5 基于Labview 的數(shù)據(jù)分析與處理模塊

ACFM 探頭測得的磁場信號是矢量信號,包括幅值和相位兩方面的信息,經(jīng)過信號調(diào)理電路進入采樣通道的信號中仍含有各種噪聲與干擾。為了提高信噪比,提高缺陷的檢測靈敏度和準確性,就必須對采集到的信號進行平滑和濾波等處理。

筆者對幅值信息主要采用了幅值和電平測量、低通濾波及逐點取均值等方法進行了處理;對于微弱信號檢測,單純利用信號調(diào)理電路不能有效地檢測出有用信號,在軟件模塊中,必須再次對其進行預(yù)處理,同時采用數(shù)字濾波器進行濾波;筆者采用的巴特沃茲濾波器具有響應(yīng)平滑、單調(diào)衰減的特點,但低通特性很差,階次越高,就越接近理想值,高階巴特沃茲低通濾波器的頻率響應(yīng)近似于理想低通濾波器,因為系統(tǒng)要求較高,選擇的階次必須在8 階以上,這樣才能夠有效地濾掉信號中的噪聲分量。

相位信息對缺陷判定也具有重要的作用,激勵電場在裂紋最深點的兩端環(huán)繞方向改變,根據(jù)右手螺旋法則, 最深點兩端的Bz信號的相位將發(fā)生180°變化。下面采用基于軟件的相關(guān)法測量B x,Bz的相位差[7],取激勵信號源產(chǎn)生的正弦信號作為參考信號,調(diào)用LabVIEW 的子函數(shù)求參考信號與輸入待測周期信號的互功率譜密度,對互功譜密度作坐標變換,得到幅度譜和相位譜,取幅度譜中的最大值,將其序列號作為索引號送入索引矩陣子函數(shù),這時輸出的就是兩信號的相位差。該法不僅節(jié)約了硬件成本,并且對于采樣轉(zhuǎn)換的離散信號的自流偏移和噪聲干擾具有較強的抑制能力。

3 ACFM 信號檢測處理系統(tǒng)測試

利用設(shè)計的系統(tǒng)對低碳鋼薄板試件進行了檢測。其上含有一條長度為65 mm,深度為8 mm 的半橢圓形人工裂紋,裂紋由電火花方法加工成型,保證了較高的加工精度(圖5)。

圖5 試件實物圖

當探頭在試件上勻速掃過缺陷時,隨著探頭的移動,實時繪制出磁通密度曲線和蝶形圖。根據(jù)特征信號的幅值和相位的變化幅度判定掃描區(qū)域是否有缺陷存在。缺陷報警模塊的報警燈將閃爍并發(fā)出蜂鳴警告聲(圖6 和7)。

圖6 特征信號與蝶形圖即時顯示面板

從圖6 可以看出,B x和B z信號的幅值經(jīng)放大1 000 倍后的最大值分別為1 580 和450 mV,所以由檢測線圈感應(yīng)到的實際信號幅值只有1.58 和0.45 mV,如果對此微弱信號直接進行檢測,由于干擾較多,很難得到較好的信號。經(jīng)過本文設(shè)計的微弱信號檢測與處理系統(tǒng),能夠較好地抑制噪聲,實現(xiàn)對微弱電磁信號的檢測,并且通過相位差檢測模塊得到信號相位變化圖。如圖7 所示,裂紋最深點兩端的Bz信號的相位變化在180°左右, 符合理論要求。

由以上試驗結(jié)果分析可知,該套ACFM 微弱信號檢測系統(tǒng)具有較高的靈敏度,可有效地實現(xiàn)對微弱信號的檢測并且可對噪聲進行抑制。

圖7 Bz 相位變化圖

4 結(jié)語

設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)對毫伏級微弱感應(yīng)電壓信號的提取和對噪聲的抑制,完成對傳感器感應(yīng)到的微弱信號的檢測,充分利用了計算機的功能,節(jié)約了硬件成本,縮小了儀器的體積,并且能夠測得信號的微小變化量,獲得被測信號的幅值和相位信息。

[1] Chen K, Brennan F P, Dover W D.Thin-skin AC field in anisotropic tectangular bar and ACPD stress measurement[J] .NDT&E International, 2000(33):317-323.

[2] 陳建忠, 史耀武.無損檢測交變磁場測量法[J] .無損檢測, 2001,23(3):96-99.

[3] Chen Guo-ming, Li Wei.S tructural optimization of 2-D array probe for alternating current field measurement[J] .NDT&E International,2007(40):455-461.

[4] 李偉,陳國明.U 型ACFM 激勵探頭仿真研究[J] .系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(14):3131-3134.

[5] 崔體人.電子元器件選用大全[M] .杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[6] 曹茂永, 王霞, 孫農(nóng)亮.儀器放大器AD620 及其應(yīng)用[J] .電測與儀表,2000,37(10):49-52.

[7] 王澤新, 陳國明.基于Labview 的交流電磁場檢測信號處理方法[J] .石油工程建設(shè),2008,34(2):1-4.