楊理踐，劉　斌，高松巍

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽　110870)

0　引言

應(yīng)力集中是金屬構(gòu)件損壞的根源，因此能夠有效地檢測(cè)金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)保證金屬構(gòu)件的安全使用有著積極的意義。目前，應(yīng)力檢測(cè)方法很多，大致可以分為兩大類：一類是有損檢測(cè)方法，如盲孔法，雖然該類應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)精度高，但對(duì)被測(cè)構(gòu)件造成不同程度的損壞，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。另一類是無損檢測(cè)方法，如超聲波法、X射線衍射法、金屬磁記憶法等，這些方法是利用材料物理特性的變化來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域的檢測(cè)，雖然對(duì)被測(cè)構(gòu)件不會(huì)造成損壞，但是對(duì)應(yīng)力檢測(cè)的精度很低，很容易受外界因素影響[1-6]。

工程實(shí)踐證明，電磁應(yīng)力檢測(cè)作為鐵磁構(gòu)件應(yīng)力檢測(cè)的一種有效方法，成功實(shí)現(xiàn)了鐵磁構(gòu)件上殘余應(yīng)力、形變應(yīng)力和焊縫應(yīng)力的測(cè)量，為應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)揭開了新的篇章。

1　檢測(cè)原理

在磁場(chǎng)作用下，鐵磁性材料會(huì)發(fā)生磁化，其磁導(dǎo)率將會(huì)隨應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的變化而變化。這就是逆磁致伸縮效應(yīng)。電磁應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)在這一現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，利用磁疇模型實(shí)現(xiàn)的。

無外加磁場(chǎng)時(shí)，由于磁疇取向的隨機(jī)性，在宏觀上不呈現(xiàn)磁性效果，這時(shí)物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M為：

(1)

對(duì)于非永磁體，磁化強(qiáng)度M與外加磁場(chǎng)H之間存在關(guān)系：

(2)

式中χm為材料的磁化率。

由于應(yīng)力的存在，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，即ΔV發(fā)生變化，進(jìn)而磁化強(qiáng)度M和H發(fā)生變化。通過測(cè)量H的變化值來判斷應(yīng)力的集中情況。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電磁應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、濾波器電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。由信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生一定頻率和幅值的交流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后輸入到傳感器的激勵(lì)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變的磁場(chǎng)會(huì)在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓經(jīng)濾波器后進(jìn)入PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡，最后將采集的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析來判定被測(cè)試件的應(yīng)力集中情況。

2．1信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生電路采用單片機(jī)來制作，使用靈活，攜帶方便，使得檢測(cè)的局限性進(jìn)一步減小。如圖1所示，以單片機(jī)89C52作為核心來控制DAC0832工作，進(jìn)而產(chǎn)生不同頻率的正弦波。DAC0832的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 s，工作電壓為+5～+15 V，它主要由2個(gè)8位寄存器和1個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。由于DAC0832為電流輸出型D/A，當(dāng)輸入端全為1時(shí)，電流為最大值，即Iout1端輸出最大電流，Iout2端的輸出電流與Iout1的輸出電流之和為常數(shù)，該常數(shù)約為330 μA．檢測(cè)系統(tǒng)需要的是電壓信號(hào)，需要將Iout1的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。DAC0832的9號(hào)端口為反饋電阻端，芯片內(nèi)部此端與Iout1接有15 kΩ的電阻。因此將這個(gè)電阻作為運(yùn)算放大器OP07的反饋電阻，Iout1直接接到OP07的反向輸入端，即實(shí)現(xiàn)了電流到電壓的轉(zhuǎn)換。

圖1　正弦波信號(hào)發(fā)生電路原理圖

2．2傳感器的設(shè)計(jì)

圖2為傳感器結(jié)構(gòu)，在一個(gè)U型鐵氧體上面纏繞2組線圈，一組作為激勵(lì)線圈，另一組作為檢測(cè)線圈。激勵(lì)線圈通上一定頻率和幅值的正弦信號(hào)，這樣傳感器與鋼板形成一個(gè)磁回路，回路的總磁阻為：

R=R1+R2

(3)

式中：R1為鐵氧體鐵芯的磁阻；R2為被測(cè)鋼板的磁阻。

當(dāng)激勵(lì)線圈提供恒定的磁動(dòng)勢(shì)時(shí)，由于缺陷或應(yīng)力集中引起磁通的變化，進(jìn)而引起被測(cè)鋼板的磁阻R2發(fā)生變化，這時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)出的感生電動(dòng)勢(shì)的變化將轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力的測(cè)量。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)

2．3濾波電路的設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)力測(cè)量中，系統(tǒng)會(huì)不可避免地受到各種干擾，因此，將信號(hào)進(jìn)行濾波后再采集是必要的手段。圖3為狀態(tài)可變?yōu)V波器電路，它比一般的VCVS(壓控電壓源)濾波器電路復(fù)雜很多，但是其穩(wěn)定性有了很大的提高，其中U1、U2、U3是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，失調(diào)電壓為0.5 μV/℃，失調(diào)偏置電流為1.8 nA，供電電壓范圍為±3～±22 V，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到0.17 V/μs，增益帶寬積高達(dá)0.6 MHz；RF，RQ，RG為濾波器電路中的4個(gè)編程電阻，其中RF決定了中心頻率，RQ和RG一起決定了Q值和通帶的中心增益。計(jì)算公式如下：

RF=5.03×107/f0

(4)

RQ=105/(3.48Q+G-1)

(5)

RG=3.16×104Q/G

(6)

式中：f0為帶通濾波器的中心頻率；G為帶通濾波器的通帶增益；Q為帶通濾波器的品質(zhì)因素，即f=f0時(shí)電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)之比，對(duì)于帶通濾波器，Q為f0與通帶寬之比。

通過改變RF，RQ，RG的阻值可以改變?yōu)V波電路的輸出特性。

圖3　濾波器電路原理圖

2．4高精度數(shù)據(jù)采集卡的使用

鐵磁性材料處于應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，其傳感器檢測(cè)線圈所感生出來電動(dòng)勢(shì)為mV級(jí)，因此需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有足夠的精度。PCI-1716是高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡。它采用基于FPGA的16位A/D轉(zhuǎn)換器，具有1 K的FIFO緩沖器，最高能夠達(dá)到250 KS/s的采樣速率。PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，可以單一使用也可以組合輸入。同時(shí)，PCI-1716提供的API函數(shù)能夠與LabVIEW對(duì)接，實(shí)現(xiàn)編程控制。以PCI-1716為硬件平臺(tái)，通過32位33 MHz的PCI總線與工控機(jī)相連，借助LabVIEW的DAQ驅(qū)動(dòng)程序提供接口，采用LabVIEW圖形化編程語言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI-1716的硬件控制，完成數(shù)據(jù)高速高精度采集、傳輸及存儲(chǔ)。

在通道波形采集控件(AI Acquire Waveform)中設(shè)定采集卡的各項(xiàng)參數(shù)，如采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、通道選擇、采集電壓的上限和下限。然后將AI Acquire Waveform的輸出連接到波形圖控件的輸入端即可以實(shí)現(xiàn)采集波形的實(shí)時(shí)顯示，采集數(shù)據(jù)也能夠通過數(shù)據(jù)至電子表格字符串轉(zhuǎn)換控件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，最后讓數(shù)據(jù)進(jìn)入當(dāng)前VI路徑控件，再拆分路徑，將數(shù)據(jù)按事先創(chuàng)建好的路徑進(jìn)行存儲(chǔ)。

3　信號(hào)處理

在管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的惡劣環(huán)境中，由于檢測(cè)儀器本身和外界環(huán)境的干擾，檢測(cè)系統(tǒng)獲取的信號(hào)通常含有一些附加的噪聲，這些噪聲使信號(hào)本身產(chǎn)生畸變，給信號(hào)識(shí)別和分析工作帶來極大的困難，因此，選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)，將有用信號(hào)有效地分離出來是極為關(guān)鍵的。傳統(tǒng)的傅立里變換消噪方法，適用于信號(hào)和噪聲頻帶重疊部分非常小或者兩者完全分開的情況下，通過濾波的方法將信號(hào)和噪聲分開，而實(shí)際獲取的應(yīng)力信號(hào)譜和噪聲是任意重疊的，顯然使用傅立里方法不能達(dá)到有效的去噪效果。相比之下，小波變換具有良好的自動(dòng)對(duì)焦功能，能有效地區(qū)分有用信號(hào)和噪聲。

3．1離散小波變換原理

對(duì)于任意能量有限信號(hào)f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為：

(7)

式中：*號(hào)表示取共軛；a為尺度因子；b為平移因子。

將a和b離散化之后的分析小波為：

(8)

式中：j為伸縮參數(shù)或尺度參數(shù)；n為沿時(shí)間軸的平移參數(shù)；j，n∈Z。

將式(8)帶入式(7)中可得：

(9)

cj，n實(shí)際上是連續(xù)小波變換Wf(a，b)在時(shí)間-尺度平面的離散網(wǎng)格上的抽樣。

如由小波函數(shù)族構(gòu)成的正交規(guī)范基，即：

〈Ψj，n(t)，Ψl，k(t)〉=δj，lδn，k

(10)

任意f(t)∈L2(R)可展開為正交規(guī)范基的線性組合：

(11)

將式(11)展開得式(9)，由式(9)，式(10)，式(11)不難得到：

(12)

‖f(t)‖=‖cj，n‖

可見，離散小波變換將尺度因子或平移因子離散化，可以有效減少信息的冗余度，滿足工程檢測(cè)信號(hào)處理的要求。

3．2試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室中，用Q235鋼條在提拉機(jī)上進(jìn)行彈性范圍內(nèi)的拉伸，使其產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，用電磁應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。圖4為檢測(cè)信號(hào)的離散小波分析，原始信號(hào)中對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的體現(xiàn)不明顯，通過離散小波分析后，信號(hào)波動(dòng)較大的區(qū)域明顯體現(xiàn)出來，即應(yīng)力集中區(qū)域。將檢測(cè)到的應(yīng)力集中區(qū)域做好標(biāo)記，然后對(duì)鋼條進(jìn)行破壞性拉伸，斷裂位置和應(yīng)力集中位置吻合，誤差小于5 mm，證明了電磁應(yīng)力檢測(cè)的可行性。

(a)原始信號(hào)

(b)小波去噪后的信號(hào)

4　系統(tǒng)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性，利用該系統(tǒng)對(duì)新疆克拉瑪依-烏魯木齊Ф457輸油管道進(jìn)行了應(yīng)力檢測(cè)。在距克拉瑪依金龍首站30～47 km范圍內(nèi)，對(duì)7個(gè)可能有應(yīng)力集中的管段，采用不同的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行開挖驗(yàn)證。

檢測(cè)過程：根據(jù)數(shù)字化管道信息和內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)確定問題(應(yīng)力集中)管段的地理坐標(biāo)，挖出該管道后，將其表面的防腐層去掉，將管道周向按時(shí)鐘分為12個(gè)方位，然后分別用電磁應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備、超聲應(yīng)力檢測(cè)儀、俄羅斯TSC-2M-8智能金屬磁記憶應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)該管段進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，確定此管道應(yīng)力集中的具體位置。從表1中可以看出3種方法對(duì)應(yīng)力集中情況的判斷吻合程度大90%以上。

表1　檢測(cè)結(jié)果

5　結(jié)論

在鐵磁材料的逆磁致伸縮效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，利用法拉第電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可工程應(yīng)用的電磁應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)鐵磁構(gòu)件的殘余應(yīng)力、形變應(yīng)力和焊縫應(yīng)力進(jìn)行有效的排查。試驗(yàn)證明了電磁應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。同時(shí)該系統(tǒng)在工程應(yīng)用中，體現(xiàn)了檢測(cè)速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

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