左曉芳，尤麗華，周德強(qiáng)，2，李　唐，吳佳龍

(1．江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫　214122；2．無錫國盛精密模具有限公司，江蘇無錫　214024)

0　引言

目前鋁型材孔檢測的方法主要有：電渦流檢測、光電檢測、超聲波檢測等[1]。光電檢測法雖然可以較快地完成通孔個(gè)數(shù)的檢測，但容易受到鋁板表面保護(hù)膜影響，對通孔的個(gè)數(shù)造成誤判[2]；超聲波檢測在檢測孔特征方面具有和光電檢測相近的原理，但是檢測距離短，需要較高的處理速度，給系統(tǒng)增加難度；針對檢測實(shí)驗(yàn)過程中光電檢測法和圖像法的不足，本文利用電渦流檢測法對薄壁鋁型材通孔個(gè)數(shù)進(jìn)行檢測，有效避免了保護(hù)膜反光的影響以及檢測距離的限制。

1　探頭的仿真與設(shè)計(jì)

由于一般的在線檢測用傳感器探頭均尺寸較大，不適合對通孔的檢測，而且通孔的檢測對于傳感器的安裝位置要求很高，鋁型材通孔的檢測往往因?yàn)閭鞲衅鞯拇笮』蛘甙惭b精度的問題導(dǎo)致漏檢、誤檢現(xiàn)象出現(xiàn)，且由于光伏鋁型材的厚度僅為1 mm，當(dāng)鋁型材對應(yīng)的幾何尺寸發(fā)生微小變化時(shí)都會(huì)對信號產(chǎn)生影響，為提高信號的精度，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)之前必須對探頭尺寸進(jìn)行必要的仿真。

文中針對長寬厚分別為14 mm、9 mm、1 mm的光伏鋁型材通孔利用COMSOL Multiphysics物理場仿真軟件對其磁場進(jìn)行了有限元仿真，建立了如圖1所示的脈沖渦流通孔個(gè)數(shù)檢測的二維圓柱軸對稱模型，該模型由線圈、鋁型材以及空氣域組成，分別對對應(yīng)區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)和求解域設(shè)置，完成該模型瞬態(tài)場中的仿真。仿真過程采用控制變量法以通孔的長度和寬度為依據(jù)，通過改變線圈尺寸和提離高度，實(shí)現(xiàn)線圈尺寸和提離高度最優(yōu)化。 首先在提離高度不變的情況下，根據(jù)線圈直徑不應(yīng)大于被測體環(huán)1.8倍的原則[3]，以通孔的尺寸為依據(jù)設(shè)計(jì)了內(nèi)徑為2 mm，外徑R分別為6 mm、7 mm，高度h分別為10 mm、19 mm的4種線圈尺寸。圖2(a)、圖2(b)分別為提離高度為1 mm、0.5 mm時(shí)對應(yīng)的4種模型的差分信號曲線，由圖2可得：

圖1　仿真模型

(a)提離1 mm差分信號

(b)提離0.5 mm差分信號

(1)提離不變時(shí)，線圈高度越小，特征信號越明顯；

(2)線圈外徑尺寸始終小于通孔的最大尺寸時(shí)，薄壁鋁型材產(chǎn)生的電渦流信號強(qiáng)度最大；

(3)提離高度為0.5 mm，線圈內(nèi)徑2 mm、外徑6 mm、高度10 mm時(shí)差分信號最顯著。由此本設(shè)計(jì)最終確定出最適合薄壁通孔的探頭模型為：線圈內(nèi)徑r=2 mm，線圈外徑R=6 mm，高度h=10 mm，匝數(shù)N=1 000 匝，提離高度L=0.5 mm．

圖3(a)、圖3(b)分別是上述確定的最優(yōu)化探頭模型在仿真過程中對應(yīng)的線圈磁場分布和信號變化曲線，由圖3(a)可以看出此時(shí)的磁場分布集中且磁場強(qiáng)度較大，由圖3(b)可知在此模型下，當(dāng)探頭由無孔區(qū)域向有孔區(qū)域移動(dòng)時(shí)，探頭接收的信號變化非常大，由于有孔時(shí)的信號強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無孔時(shí)，在圖中可以看到此時(shí)參考信號即圖中無孔信號幾乎接近為零，較好地驗(yàn)證了探頭的有效性。根據(jù)仿真結(jié)果，最終設(shè)計(jì)制作了尺寸為r=2 mm，R=6 mm，h=10 mm，N=1 000 匝的探頭模型，它主要由激勵(lì)線圈和霍爾磁傳感器組成，其中霍爾傳感器是將磁場的變化轉(zhuǎn)化為電壓量，且電壓信號與磁場信號成正比。

2　檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對鋁合金通孔的特點(diǎn)，利用脈沖渦流法建立了薄壁鋁合金通孔個(gè)數(shù)的檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)的整體框圖如圖4所示，該系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生、信號采集、信號調(diào)理、特征信號提取量化和單片機(jī)計(jì)數(shù)5個(gè)模塊。同時(shí)系統(tǒng)采用了占空比D=50%，頻率f=500 Hz的方波對電渦流傳感器進(jìn)行激勵(lì)，此頻率和占空比可以有效地提高脈沖渦流的滲透深度和檢測靈敏度。由傳感器輸出的電壓檢測信號通過一系列的電路變換，將通孔的信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識別的高電平形式，最終通過單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能，有效地完成通孔個(gè)數(shù)的在線統(tǒng)計(jì)功能。

(a)磁場分布

(b)信號變化曲線

圖4　檢測系統(tǒng)總體框圖

2．2信號調(diào)理模塊

電渦流檢測時(shí)檢測信號受工件的尺寸影響非常大，金屬材料越薄產(chǎn)生的渦流場勢必越弱，信號的信噪比也較低，有效信號的提取和處理難度也隨之增加，因此信號調(diào)理模塊是實(shí)現(xiàn)通孔個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是組成檢測系統(tǒng)的重要部分[4]。根據(jù)薄壁信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面對信號進(jìn)行調(diào)理，如圖5所示為信號的調(diào)理過程。

(1)將傳感器探頭采集的信號經(jīng)過有源高通濾波去除傳感器信號中的直流量；

(2)通過整流將信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的單向脈動(dòng)信號，同時(shí)利用去耦電容去除信號毛刺使信號更加平滑；

(3)利用低通濾波濾掉高于截止頻率的信號，再利用運(yùn)算放大器將信號處理再放大，再通過減法運(yùn)算減掉信號中的部分直流量；

(4)利用遲滯比較將信號轉(zhuǎn)化為高低電平，同時(shí)利用二極管的單向?qū)üδ軐⑤敵鲂盘柕母叩碗娖娇刂茷?～5 V。

圖5　信號調(diào)理過程

2．3信號調(diào)理主要電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)信號發(fā)生模塊采用脈沖渦流作為激勵(lì)源，由NE555定時(shí)器組成占空比和頻率均可調(diào)的信號發(fā)生電路[5]，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過調(diào)節(jié)電位器得到占空比D=50%，頻率f=500 Hz的方波，同時(shí)利用三極管和場效應(yīng)管將脈沖方波進(jìn)行預(yù)定的放大；信號調(diào)理模塊利用帶有差動(dòng)輸入的LM324四運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號的放大、濾波、減法運(yùn)算和遲滯比較。

2．3．1高通濾波電路

(1)

具體電路如圖6所示。

圖6　高通濾波電路

2．3．2整流放大電路

整流放大電路利用整流二極管組成的單相橋式電路將雙向信號變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)信號，使輸出電壓變?yōu)閷?yīng)輸入電壓的0.9倍。為使信號變得平滑，電路中采用0.01 μF電容去除信號中毛刺，同時(shí)由RC組成具有截止頻率50 Hz的低通濾波電路，對信號進(jìn)行進(jìn)一步濾波，減小整流后電壓的脈動(dòng)程度，并將得到的信號經(jīng)過同相放大電路實(shí)現(xiàn)信號的進(jìn)一步放大。具體電路如圖7所示。

2．3．3減法運(yùn)算電路

減法運(yùn)算電路如圖8所示，在運(yùn)算放大器的同相輸入端接入整形放大電路的輸出信號，在反相端接入12 V電壓組成差分運(yùn)算電路，可以有效避免共模信號，放大差分信號。該電路在檢測系統(tǒng)中用于減掉信號中的部分直流量，使信號保持在預(yù)定范圍之內(nèi)，同時(shí)在電路中加入了平衡電阻R11使信號更加穩(wěn)定。

圖7　整流放大電路

圖8　減法運(yùn)算電路

2．3．4遲滯比較電路

為將輸出信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識別的信號，檢測電路采用帶有參考電壓的下行遲滯比較電路，具體電路如圖9所示。利用式(2)、式(3)得到對應(yīng)的上下門限電壓，其中uom為信號輸出最大電壓，在此處設(shè)置為單片機(jī)能夠識別的5 V電壓，使信號以±5 V的高低電平形式輸出。最后通過電路末端輸出端二極管的單向?qū)ㄐ阅苁惯t滯比較電路的輸出信號最終變?yōu)?～5 V的高低電平。

(2)

(3)

圖9　遲滯比較電路

3　系統(tǒng)性能測試

為驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的有效性，試驗(yàn)時(shí)采用厚度為1 mm且通孔均勻分布的鋁合金板作為檢測對象，其中通孔的尺寸與仿真模型中提到的一致，即長寬厚分別為14 mm、9 mm、1 mm．實(shí)驗(yàn)中選取頻率f=500 Hz，占空比50%，幅值為12 V的脈沖電壓作為激勵(lì)信號，同時(shí)為提高檢測精度，試驗(yàn)過程模擬在線檢測系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，使傳感器沿著鋁合金板勻速地從無孔向有孔方向連續(xù)反復(fù)移動(dòng)，得到對應(yīng)的檢測信號。信號處理得到的最終信號如圖10所示，信號處理系統(tǒng)將探頭檢測的信號最終轉(zhuǎn)換成高低電平的形式輸出，每個(gè)高電平就代表對應(yīng)的一個(gè)通孔，因此通過單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能實(shí)時(shí)記錄對應(yīng)高電平的個(gè)數(shù)就可以得出對應(yīng)通孔的個(gè)數(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了對通孔個(gè)數(shù)的檢測，驗(yàn)證了檢測系統(tǒng)的有效性。

圖10　最終輸出信號

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種利用脈沖渦流對薄壁鋁合金板工藝參數(shù)進(jìn)行檢測的系統(tǒng)，包括傳感器探頭的仿真制作，檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及電路搭建，并針對對應(yīng)的鋁合金板通孔個(gè)數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)通孔個(gè)數(shù)的檢測，在實(shí)際的在線檢測過程中，只需要利用單片機(jī)統(tǒng)計(jì)輸出信號中高電平的個(gè)數(shù)就可以得到對應(yīng)的通孔個(gè)數(shù)。同時(shí)該檢測系統(tǒng)不僅可以檢測薄壁鋁合金的工藝參數(shù)，還可以擴(kuò)展到其他材料的相關(guān)工藝參數(shù)以及缺陷檢測中，使電渦流的應(yīng)用更加廣泛。

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