Nondestructive Detector Based on Eddy Current Effect for Gear Blanks

孫　燕　董浩斌　葛　健

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動化學(xué)院，湖北 武漢　430074)

基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無損檢測儀

Nondestructive Detector Based on Eddy Current Effect for Gear Blanks

孫燕董浩斌葛健

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動化學(xué)院，湖北 武漢430074)

摘要：針對超聲波在齒輪裂縫檢測過程中操作復(fù)雜、成本高的問題，研究實現(xiàn)了基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無損檢測儀。為提高檢測可靠性和精度，設(shè)計了一種馬蹄型激勵線圈和巨磁阻元件構(gòu)成的專用渦流傳感器。通過COMSOL有限元軟件仿真，輔助確定傳感器的各個參數(shù)；提出了將正交鎖相放大器應(yīng)用于渦流無損檢測的方案。通過被測信號的幅值和相位，有效抑制了提離效應(yīng)對檢測結(jié)果的影響，成功檢測到齒輪毛坯件表面的裂縫。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可檢測深度大于0.5 mm的裂縫，具有較高的靈敏度和可靠性。

關(guān)鍵詞：無損檢測渦流正交鎖相有限元分析COMSOL提離效應(yīng)

Abstract：Aiming at the problems existing in cracks detection process for gears by using ultrasonic, e.g., high cost and complex operation, the nondestructive detector based on eddy current effect for gear blanks is researched. In order to enhance the reliability and accuracy of the detection, dedicated eddy current sensor that is consists of horseshoe excitation coil and giant magneto resistance element is designed; various parameters of the sensor are determined through COMSOL finite element software simulation, and the scheme of applying orthogonal lock-in amplifier in eddy nondestructive detection is proposed. By detecting the amplitude and phase of the measured signal, the influence of lift-off effect on testing result is effectively suppressed, and the cracks on surface of gear blank can be detected successfully. The test results show that the system can detect the cracks with the depth of larger than 0.5mm; it possesses higher sensitivity and reliability.

Keywords：Nondestructive detectionEddy currentOrthogonal phase lockedFinite element analysisCOMSOLLift-off effect

0引言

齒輪是各交通工具和工業(yè)設(shè)備中的必要零件，其在生產(chǎn)焊接過程中可能存在未焊透、夾雜物、未熔合等現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生裂縫[1]，存在嚴重的安全隱患。因此，嚴格控制齒輪質(zhì)量，對避免災(zāi)難性事故的發(fā)生具有重要意義。齒輪的生產(chǎn)包括多個流程，若能在齒輪毛坯件階段檢測出裂縫，便可節(jié)約后續(xù)操作，節(jié)約時間與資本。當(dāng)前普遍應(yīng)用的檢測方法有超聲波法、射線法和磁粉法，然而超聲波檢測需要對齒輪進行打磨拋光、涂抹耦合劑，操作復(fù)雜；射線輻射危害人體健康；磁粉檢測同樣需要清潔試件[2]，均不適用。

基于此，提出基于渦流無損檢測的齒輪毛坯件裂縫檢測方法，該方法檢測速度快，靈敏度高[3]。渦流傳感器是構(gòu)成渦流檢測系統(tǒng)的重要組成部分，對檢測結(jié)果的好壞起著重要的作用。傳統(tǒng)的渦流檢測通常采用棒型激勵線圈產(chǎn)生激勵場，采用檢測線圈檢測磁場變化[4]，靈敏度低。針對齒輪毛坯件的特點，設(shè)計了馬蹄型傳感器，并采用巨磁阻傳感器代替檢測線圈，提高了檢測靈敏度[5]。基于正交鎖相放大器的檢測電路，不僅增強了微弱信號的提取能力，同時實現(xiàn)了幅值和相位的測量。當(dāng)傳感器在齒輪表面移動時，觀察幅值和相位的變化，判斷裂縫的存在，有效抑制提離效應(yīng)引入的干擾[6]，提高檢測準確性和可靠性。

1渦流無損檢測原理

渦流檢測是建立在法拉第電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的無損檢測方法，其原理如圖1所示。

圖1　渦流無損檢測原理

在激勵線圈中通入交變電流，產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)激勵線圈靠近被檢工件時，工件表面會感生出渦流，渦流產(chǎn)生一個與原磁場方向相反的磁場。若金屬工件存在缺陷，渦流感生磁場的強度及分布會改變,導(dǎo)致疊加總磁場發(fā)生變化[7]；磁敏元件感應(yīng)磁場的變化，并將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號；通過觀察電信號的變化判斷是否存在裂縫。

進一步研究磁場在空間及工件中的分布，列出磁場滲透方程：

2H=jωμσH

(1)

為方便研究，只觀察Z軸方向磁場分布，其磁場分布如式(2)所示：

(2)

解得：

(3)

由此可見，磁場由實部和虛部組成，磁場的幅值隨著磁場進入導(dǎo)體深度的增加而呈指數(shù)減小，同時磁場相位滯后。

因此，可通過檢測感應(yīng)電壓的幅值和相位變化來檢測工件存在裂縫時總磁場的變化。

2電渦流傳感器設(shè)計

渦流傳感器是系統(tǒng)的核心，根據(jù)檢測對象的不同,其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同,類型繁多。

2.1　渦流傳感器物理模型

根據(jù)渦流檢測原理,傳感器首先需要一個激勵線圈,以便交變電流通過并在其周圍和受檢工件內(nèi)激勵形成電磁場；同時,需要磁敏元件，以拾取磁場的變化，如霍爾元件、磁敏二極管、檢測線圈等，以反映工件各種特征。

傳感器結(jié)構(gòu)模型具體如圖2所示。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)模型

2.2　傳感器最佳激勵頻率選擇

趨膚效應(yīng)是影響渦流檢測深度的關(guān)鍵因素。它是指導(dǎo)體表面的交變電流密度大于導(dǎo)體內(nèi)部電流密度的現(xiàn)象。選取電流密度衰減到其表面值的1/e時的滲透深度作為渦流在導(dǎo)體內(nèi)的趨膚深度。如式(4)所示。

(4)

式中：σ為金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率；μ為金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；f為線圈上激勵信號的頻率。

趨膚深度與激勵頻率密切相關(guān)，頻率越大，滲透深度越小，只能檢測工件淺表面的裂縫。但是，若激勵頻率過低，會使線圈與導(dǎo)體之間的能量耦合效率降低，從而降低渦流檢測系統(tǒng)的靈敏度。因此在實際渦流檢測中，要綜合考慮靈敏度與檢測深度，擇中選擇恰當(dāng)?shù)募铑l率。

2.3　傳感器參數(shù)有限元分析

影響渦流無損檢測的因素很多，除上述激勵頻率外，還包括工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀；缺陷形狀、尺寸和位置；渦流傳感器的尺寸和形狀；工件與傳感器之間的距離[8]。

為了得到以上因素對檢測結(jié)果的影響，就必須知道反磁場的空間分布規(guī)律,即研究被測導(dǎo)體上的渦流分布規(guī)律。這是一個極其復(fù)雜難解的三維渦流方程的問題[9]。

為此，引入有限元分析法，一方面，通過有限元仿真可以模擬渦流傳感器作用下磁場和渦流的分布，彌補實驗中看不到的現(xiàn)象；另一方面，通過有限元法對渦流傳感器不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行仿真,優(yōu)化傳感器設(shè)計。設(shè)置激勵電流為1A，激勵線圈為100匝，仿真結(jié)果如圖3所示。圖中的面表示渦流密度(A/m2)，流線表示磁通量密度(T)。

圖3(a)、圖3(b)分別為激勵頻率為100Hz、1 000Hz時工件附近磁場的分布和工件表面的渦流強度分布。由圖可以看出，激勵頻率越低，磁場的滲透深度越深，渦流強度越低，有利于檢測深處的縫隙，但不利于傳感器的靈敏度。因此，必須根據(jù)實際待檢測工件的特性，選擇合適的激勵頻率。

進一步改變傳感器半徑、高度等參數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

對比圖3(a)和圖3(c)可看出，增加傳感器的高度，渦流強度減小，不利于靈敏度；對比圖3(a)和圖3(d)可看出，傳感器的半徑越大，檢測的范圍越大，但靈敏度降低；對比圖3(a)和圖3(e)可知，當(dāng)激勵線圈從100匝增至1 000匝時，渦流強度變?yōu)樵瓉淼?0倍；對比圖3(a)和圖3(f)可知，當(dāng)傳感器離工件表面的距離增大時，渦流強度減小，檢測靈敏度降低。

圖3　激勵頻率對磁場及渦流強度分布影響

2.4　傳感器實現(xiàn)

根據(jù)檢測原理與仿真結(jié)果設(shè)計傳感器。激勵采用馬蹄型鐵氧體作為磁芯，鐵氧體的磁導(dǎo)率較高，使磁場更加集中，提高傳感器的靈敏度。再在磁芯上繞上直徑為0.15 mm的漆包線，通過感應(yīng)線圈、霍爾傳感器或者巨磁阻傳感器拾取磁場的變化。感應(yīng)線圈的制作工藝高，靈敏度低;霍爾傳感器的線性度雖好，但靈敏度較低；巨磁阻傳感器的線性度不及霍爾傳感器，但是分辨力非常高。

鑒于探測裂縫的深度非常小，導(dǎo)致磁場的擾動變化很小，采用國產(chǎn)VA100F2巨磁阻傳感器，它的靈敏度為36 mV/(V·mT)，分辨力可達22 nT，測量范圍為±0.3 mT，可感應(yīng)微小的磁場變化。

3儀器設(shè)計

根據(jù)渦流檢測原理，電路的設(shè)計目標為實現(xiàn)感應(yīng)信號幅值和相位的測量，通過觀察幅值和相位的變化，判斷工件是否存在裂縫。

在第二節(jié)傳感器設(shè)計基礎(chǔ)上,分析傳感器輸出信號，設(shè)計系統(tǒng)電路。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要包括三部分，分別為激勵信號模塊、以正交鎖相放大器為核心的信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互界面設(shè)計。

3.1　信號激勵模塊

系統(tǒng)采用正弦波作為激勵信號。由傳感器參數(shù)仿真可知，增大激勵電流，能增大渦流強度，提高傳感器的靈敏度。但由于系統(tǒng)中渦流傳感器尺寸精小且巨磁阻傳感器的飽和磁場較小，因此激勵電流不需要很大。普通的運放輸出電流為十幾毫安，無法驅(qū)動傳感器，所以正弦信號必須先經(jīng)功率放大。為了方便改變激勵電流的大小，設(shè)計幅值可調(diào)的正弦波，通過功率放大后激勵線圈，具體如圖4中信號激勵模塊設(shè)計。為簡化電路設(shè)計，系統(tǒng)采用LM1875集成音頻功放，音頻功放的頻率范圍為20 Hz~20 kHz，輸出功率為25 W，符合設(shè)計要求。

3.2　信號檢測模塊

鎖相放大器是信號檢測模塊的核心，它基于互相關(guān)原理，將被大量噪聲淹沒的微弱信號和與該待測信號同頻的參考信號進行互相關(guān)，從而提取出有用信號。正交型鎖相放大器對檢測信號的測量不受參考信號的影響，避免了由于參考信號的自相關(guān)運算帶來的測量誤差[10]，最終輸出Uoi和Uoq兩路直流信號，依此求出幅值和相位。

3.2.1正交鎖相放大器原理

正交鎖相放大器的基本原理如圖4中所示信號檢測模塊。待測信號通過濾波放大處理后，利用相敏檢波器與參考信號相乘，最終經(jīng)低通濾波器輸出直流信號。

待測信號：

x(t)=Uscos(ω0t+θ)

(5)

參考方波：

(6)

式中：Us為待測信號的幅值；ω0為待測信號的頻率；θ為待測信號與參考信號的相位差；Ur為參考信號的幅值。

濾波放大后的待測信號經(jīng)AD630，將待測信號與參考信號相乘，得到式(7)：

{cos[(2n-2)ω0t-θ]+cos(2nω0t+θ)}

(7)

經(jīng)過低通濾波器作用后，n>1的差頻項和所有和頻項均被濾除，只剩n=1的差頻項。

(8)

(9)

由式(8)、式(9)得出：

(10)

(11)

3.2.2正交方波信號實現(xiàn)

兩路相位差為90°的參考方波的穩(wěn)定性在正交鎖相放大器中至關(guān)重要，若正交方波相位不穩(wěn)定，將直接影響最終求出的相位的準確性。

正交方波的產(chǎn)生方法很多，可以通過DDS、AD9854同時產(chǎn)生0°和90°方波，但其成本較高；也可將D觸發(fā)器與非門結(jié)合，將0°方波移相90°，但是該方法輸出的方波頻率為輸入的二分之一，輸入信號必須先倍頻鎖相，電路復(fù)雜。本系統(tǒng)采用單片機定時器編程產(chǎn)生正交方波，輸出穩(wěn)定，最大程度地簡化了電路。

3.2.3信號檢測電路實現(xiàn)

傳感器輸出的信號時常不穩(wěn)定，幅值小，含有直流偏置和各項諧波。因此不能直接對該信號進行鎖相，必須先進行放大濾波處理。巨磁阻傳感器輸出為差分模式，因此采用INA128差分放大器進行放大，抑制共模噪聲；再通過高Q值帶通濾波器，提高信號的穩(wěn)定性和純凈度；然后經(jīng)過相敏檢波和低通濾波器，得到直流信號。相敏檢波器采用高精度同步解調(diào)器AD630，將待測信號和參考信號進行相乘，最終經(jīng)過低通濾波器輸出直流信號。

要保證系統(tǒng)輸出幅值和相位的準確性，低通濾波器的濾波效果是關(guān)鍵所在。為使輸出交流噪聲盡量小，采用美信公司的MAX291，8階開關(guān)集成低通濾波器，截止頻率可達0.5 Hz，具有很好的濾波效果。MAX291內(nèi)部集成運放，利用該集成運放搭建二階低通濾波器，配合MAX291濾波，可進一步改善濾波效果。采統(tǒng)采用24位雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCM1804進行數(shù)據(jù)采集，采集得到的數(shù)字量通過串口上傳至主控芯片STM32，進行進一步的數(shù)據(jù)處理。

3.3　人機交互界面

儀器采集的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至計算機，計算機實時顯示幅值和相位。系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程語言編寫串口接收程序，編寫簡單，界面清晰，便于觀測電渦流傳感器在檢測過程中信號的實時變化。

4測試結(jié)果

4.1　雙通道同步測試

為保證測試結(jié)果的準確性，A/D雙通道同步至關(guān)重要。若兩通道不同步，則會導(dǎo)致實部和虛部采集數(shù)據(jù)錯位，影響檢測結(jié)果。A/D同步測試如圖5所示。從圖5可以看出雙通道數(shù)據(jù)采集完全同步。

圖5　A/D同步測試

4.2　整體檢測性能測試

將傳感器置于待測齒輪毛坯件表面，當(dāng)傳感器經(jīng)過深度為1 mm的裂縫處時，感應(yīng)信號幅值明顯增大，相位減小，如圖6所示。

圖6　感應(yīng)信號變化曲線

由圖6可見，當(dāng)傳感器位于裂縫上方時，激勵磁場與渦流感生磁場共同作用下的磁場強度增大，相位滯后。同步觀察幅值和相位，使反映的裂縫信息更豐富，降低噪聲干擾，提高檢測準確度。實驗測試結(jié)果表明,系統(tǒng)可檢測深度大于0.5 mm的裂縫。

5結(jié)束語

針對當(dāng)前超聲波檢測在毛坯件、在役鑄件的裂縫檢測中操作復(fù)雜、成本高的問題，設(shè)計了基于渦流效應(yīng)的齒輪毛坯件無損檢測儀。測試結(jié)果表明，儀器可識別深度大于0.5 mm的裂縫，具有較高的分辨率和靈敏度。

系統(tǒng)以提高檢測靈敏度和降低提離效應(yīng)等干擾噪聲為目的，從傳感器和檢測電路兩方面進行研究設(shè)計。傳感器設(shè)計方面，采用馬蹄型線圈和高精度、高分辨率的巨磁阻傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)線圈，使系統(tǒng)可以識別微小的縫隙。在信號檢測電路方面，設(shè)計基于互相關(guān)原理的正交鎖相放大器，不僅提高了對微弱信號的檢測能力，還可以實現(xiàn)幅值和相位的測量。相對于傳統(tǒng)渦流檢測，引入相位信息并同步觀察幅值和相位的變化，能有效抑制干擾噪聲。利用儀器樣機對工廠提供的齒輪毛坯件進行裂縫檢測，測試結(jié)果表明，在裂縫處，傳感器感應(yīng)信號的幅值明顯增大，相位明顯減小，驗證了理論分析的正確性和方案的可行性。

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中圖分類號：TH13;TP274+.5

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508024

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：41474158)；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助項目(編號：CUG110822)；

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教學(xué)實驗室開放基金資助項目(編號：skj2014149)。

修改稿收到日期：2015-04-13。

第一作者孫燕(1991-)，女，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)儀器與科學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事自動化儀表、弱磁檢測技術(shù)、地球物理儀器方面的研究。