【摘要】本文基于渦流磁感原理，介紹了對(duì)鋼制交通安全設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)方法，即研制一種快速、準(zhǔn)確、較高精度的無(wú)損檢測(cè)儀。該探傷儀可以實(shí)現(xiàn)小巧輕便、自動(dòng)運(yùn)行和報(bào)警的功能，對(duì)精度范圍內(nèi)的鋼材裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和數(shù)據(jù)輸出。經(jīng)驗(yàn)證該類探傷儀實(shí)際應(yīng)用效果良好，填充了國(guó)內(nèi)目前便攜式無(wú)損探傷領(lǐng)域的空白，對(duì)交通安全起到一定的保障作用。

【關(guān)鍵詞】渦流磁感；無(wú)損檢測(cè)；安全設(shè)施

0.引言

近年來(lái)，伴隨著交通運(yùn)輸領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，事故率逐年增長(zhǎng)，人們對(duì)于安全出行的需求顯得更加迫切。交通安全設(shè)施作為出行的保障，其建成之后的及時(shí)維護(hù)和更換會(huì)直接影響到人和貨物的運(yùn)輸安全及效率。由于大部分的交通安全設(shè)施都是有鋼材制造而成，在各種荷載、化學(xué)物質(zhì)等作用下，會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂縫或缺陷。

目前，我國(guó)金屬表面探傷基本采用人工觀測(cè)法，即用人的肉眼來(lái)區(qū)分和觀測(cè)鋼材表面的細(xì)微裂痕。由于人的眼睛在燈光下長(zhǎng)時(shí)間觀察光度很高的鋼材極易產(chǎn)生疲勞，加之人的視覺(jué)只對(duì)缺陷的寬度敏感，故對(duì)又細(xì)又深得裂紋、折疊等缺陷難以發(fā)現(xiàn)，極易漏檢 [1] 。

本文所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于鋼制安全設(shè)施的便攜式探傷儀，基于渦流磁感原理，在探頭經(jīng)過(guò)裂縫時(shí)，通過(guò)檢測(cè)輸出電流的變化即可判斷有無(wú)裂縫以及裂縫的位置，再通過(guò)一定的評(píng)價(jià)等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行交通安全設(shè)施的修復(fù)或更換。同時(shí)，相比于國(guó)內(nèi)外大型檢測(cè)的超聲波無(wú)損探傷而言，本文研究的渦流無(wú)損檢測(cè)方法既節(jié)約了探傷儀的成本，也提高了日常人工檢測(cè)的精度，還擁有小巧、輕便、低成本等特點(diǎn)。

1.渦流檢測(cè)的基本原理

渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是金屬檢測(cè)的常用方法，既不破壞被測(cè)物件，又能達(dá)到較高的精度要求。渦流檢測(cè)技術(shù)主要是基于電磁感應(yīng)原理，當(dāng)被檢測(cè)金屬物件處于均勻的交變磁場(chǎng)中，其表面會(huì)形成封閉回路式的電流。

2.渦流檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此渦流探傷系統(tǒng)整體構(gòu)架分為兩個(gè)模塊，傳感器模塊及信號(hào)處理模塊。傳感器模塊由渦流探頭、用于激勵(lì)探頭工作的的信號(hào)產(chǎn)生電路以及濾波放大電路組成；信號(hào)處理模塊由主控核心版STM32、液晶顯示，人機(jī)交互，以及聲光報(bào)警電路組成。

系統(tǒng)工作中，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定交流信號(hào)，由放大電路將信號(hào)放大，通入傳感器，并在被檢測(cè)物件表面產(chǎn)生渦流信號(hào)。當(dāng)有缺陷時(shí)，傳感器檢測(cè)到反饋的信號(hào)由單片機(jī)接收，與正常信號(hào)進(jìn)行比較，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)在顯示器上以數(shù)字呈現(xiàn)。

其具體功能指標(biāo)如下：

1）裂縫性質(zhì)：寬度0.1mm，深度1mm，長(zhǎng)度30mm的簡(jiǎn)單線性縫隙；

2）自動(dòng)報(bào)警：采用語(yǔ)言提示報(bào)警和工業(yè)用警燈；

3）數(shù)據(jù)記錄和顯示：數(shù)據(jù)記錄在隨即佩帶的內(nèi)部掉電非易失性的存儲(chǔ)器；

4）裂縫定位：精度達(dá)到2/1000，每公里絕對(duì)誤差+/-2m；

硬件系統(tǒng)主要由STM32作為核心主板，各模塊包括函數(shù)發(fā)生器、濾波放大電路、報(bào)警模塊等。

2.1 函數(shù)發(fā)生器模塊

本文研究的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)正弦信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)的要求并不苛刻，只需要能夠穩(wěn)定產(chǎn)生10～15KHz的正弦信號(hào)即可。本文選用集成電路振蕩器配合少量分立元件產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦信號(hào)，常見(jiàn)有ICL8038。ICL8038可得到頻率從0.001Hz到300KHz內(nèi)的任何頻率的信號(hào)，占空比范圍為2%到98%[3]。ICL8038使用先進(jìn)的單片集成技術(shù)制造，因此其輸出信號(hào)可以在很大的溫度范圍和電源變化范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，同時(shí)ICL8038能夠使用的電源電壓范圍較寬。采用單電源供電時(shí)，V+～GND的電壓變化范圍是+10～30V；采用雙電源供電時(shí)，V-～V+的電壓可在±5～±15V范圍內(nèi)選取。電源電流約為15mA[4]。

2.2 信號(hào)放大模塊

信號(hào)功率放大電路由兩部分組成：第一部分是由AD811集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器對(duì)輸出信號(hào)的電壓進(jìn)行放大；第二部分是乙類推挽式功率放大電路，對(duì)信號(hào)的功率放大從而驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈。

2.3 人機(jī)界面模塊

本文設(shè)計(jì)的人機(jī)界面模塊由控制機(jī)器、報(bào)警裝置、鍵盤、顯示器和指示燈等部分組成。

主要功能如下：

（1）控制機(jī)器主要功能是輸入?yún)?shù)和命令。

（2）鍵盤采用那種小型的數(shù)字和功能鍵盤，功能類似于手機(jī)鍵盤，負(fù)責(zé)輸入?yún)?shù)。

（3）顯示器為黑白的LCD屏。

（4）報(bào)警裝置可以采用蜂鳴器和警燈，同時(shí)顯示屏上會(huì)有漢字顯示，能夠指出報(bào)警類型、時(shí)間、位置、等信息。

工作過(guò)程為：當(dāng)未檢測(cè)到損傷時(shí)，檢測(cè)輸出的信號(hào)應(yīng)為零的電壓信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到損傷時(shí)會(huì)有較大的檢測(cè)信號(hào)輸出。利用電壓比較器對(duì)發(fā)現(xiàn)的損傷進(jìn)行判斷，并用蜂鳴器結(jié)合發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警。若設(shè)置電壓比較器的比較電壓為0V，則對(duì)輕微的干擾信號(hào)就報(bào)警，所以設(shè)置的報(bào)警電壓應(yīng)高于零點(diǎn)，同時(shí)略高于檢測(cè)到損傷后輸出電壓的最小值。由于干擾多來(lái)自漏磁和表面不平等原因，它所引起的信號(hào)輸出與檢測(cè)到的損傷信號(hào)相比是很小的，可使用二極管的導(dǎo)通電壓作為此處的比較電壓。

3.軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，集成顯示屏，結(jié)合中值濾波算法進(jìn)行信號(hào)處理，完成渦流探傷的檢測(cè)。

渦流傳感器經(jīng)過(guò)濾波放大轉(zhuǎn)換電路，將裂痕信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，作為核心控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入，在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，得到此時(shí)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)的平滑鐵軌閾值進(jìn)行比較，從而判斷檢測(cè)的部分是否有裂痕，控制外圍的聲光報(bào)警電路，同時(shí)配合語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測(cè)與報(bào)警功能，

4.影響因素

本文所研究的交通安全設(shè)施無(wú)損檢測(cè)儀的靈敏度主要與以下兩個(gè)因素有關(guān)：

（1）線圈參數(shù)：傳感器探頭是由一個(gè)勵(lì)磁線圈與測(cè)量線圈組成。探頭的靈敏程度與測(cè)量線圈的匝數(shù)、直徑等線圈參數(shù)有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)中采用示波器觀察鋼材裂縫的示值幅度和相位。

（2）磁芯材料：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用了硅鋼條和材料均勻的鐵芯。不同磁導(dǎo)率的磁芯在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，在相同參數(shù)的函數(shù)發(fā)生器頻率（f=15khz）作用下，探測(cè)簡(jiǎn)單裂縫的靈敏度沒(méi)有太大差別。

5.結(jié)論

本文所研究的基于渦流磁感原理的交通安全設(shè)施無(wú)損檢測(cè)方法采用先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)交通安全設(shè)施疲勞裂紋缺陷進(jìn)行高效而可靠的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)潛在事故的早期預(yù)報(bào)，檢測(cè)部件與路測(cè)安全設(shè)施有相匹配的外形結(jié)構(gòu)，裝有固定輪，能夠自行檢測(cè)或者裝于車載設(shè)備，對(duì)裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和報(bào)警。滿足了日常無(wú)損檢測(cè)的需求量和高精度的要求，對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)陌踩?、交通工程乃至?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有十分重要的意義。

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