王 云，武美萍，左曉芳

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

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薄壁鋁型材軋痕深度的定量檢測(cè)研究

王 云，武美萍，左曉芳

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

針對(duì)鋁型材的軋痕工藝參數(shù)，以厚度僅為1 mm的均勻薄壁鋁型材為主，采用電渦流檢測(cè)方法，利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)探頭尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，搭建對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，得到最適合薄壁鋁型材軋痕深度檢測(cè)的電渦流傳感器。采集不同的軋痕深度信號(hào)并提取特征量，得到軋痕深度的定量化規(guī)律，同時(shí)搭建基于虛擬儀器LabVIEW的軋痕深度在線檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時(shí)定量在線檢測(cè),有效拓展了電渦流檢測(cè)的實(shí)用性。

薄壁鋁型材；電渦流傳感器；工藝參數(shù)；LabVIEW；定量檢測(cè)

0 引言

電渦流法既能檢測(cè)出表面軋痕,又能精確有效地通過(guò)電渦流測(cè)距的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)表面軋痕的深度檢測(cè)，同時(shí)相對(duì)圖像法電渦流法的測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單且成本低[1]，因此本文將采用電渦流法對(duì)薄壁鋁型材軋痕深度進(jìn)行定量檢測(cè)。本文針對(duì)薄壁鋁型材軋痕工藝參數(shù)進(jìn)行定量研究。根據(jù)薄壁鋁型材表面軋痕的特點(diǎn)，主要從以下幾方面實(shí)現(xiàn)軋痕深度的定量檢測(cè)：首先通過(guò)有限元仿真對(duì)探頭尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到尺寸最優(yōu)化的傳感器探頭；然后采集不同深度的軋痕信號(hào)，進(jìn)行特征量提取，得到軋痕深度與傳感器輸出電壓的定量關(guān)系；最后根據(jù)定量化關(guān)系建立基于LabVIEW的軋痕深度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

1 探頭優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

探頭的靈敏度主要取決于線圈的設(shè)計(jì)，線圈結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、匝數(shù)等都是影響電渦流傳感器性能的關(guān)鍵因素[2]。根據(jù)電渦流傳感器的工作原理，交變電磁場(chǎng)中各個(gè)參數(shù)的變化均能影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精確性[3]。因此為了得到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的最優(yōu)化探頭線圈尺寸參數(shù)，需要利用有限元模型對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，為傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。本文被測(cè)試件為厚度1 mm的薄壁鋁型材，對(duì)應(yīng)的表面軋痕為直徑1 mm、深度0.1～ 0.5 mm的定位孔。

1.1 探頭線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

探頭的結(jié)構(gòu)是影響電渦流傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素之一，合理設(shè)計(jì)探頭的結(jié)構(gòu)是檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的首要步驟[4]。本文對(duì)線圈的幾何截面形狀的研究，主要是比較圓柱形探頭和矩形探頭對(duì)鋁型材工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，從而合理選擇探頭線圈的形狀，有效的提高檢測(cè)精度。圖1為對(duì)應(yīng)的2種形狀的線圈對(duì)應(yīng)的檢測(cè)示意圖。

(a)圓柱形探頭檢測(cè)示意圖

(b)矩形探頭檢測(cè)示意圖

利用Comsol有限元仿真軟件對(duì)薄壁鋁型材對(duì)應(yīng)的圓柱形線圈和矩形線圈進(jìn)行相應(yīng)的仿真。仿真時(shí)，由于圓柱形線圈具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)所以采用二維軸對(duì)稱模型如圖2(a)所示；而矩形線圈只具有面對(duì)稱結(jié)構(gòu)而不具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以矩形線圈的仿真采用三維立體仿真，仿真模型圖如圖2(b)所示。仿真模型均由試樣域、線圈域和空氣域組成。通過(guò)仿真得到了如圖3所示的不同截面形狀下的差分信號(hào)曲線，對(duì)此曲線分析可得，針對(duì)薄壁鋁型材，圓柱形線圈傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯大于矩形線圈傳感器，但響應(yīng)速度略小于矩形線圈，即同樣的工作條件下，圓柱形線圈作用下的磁場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，可以獲得更好的磁場(chǎng)能量，適用于位移量測(cè)量；而矩形線圈作用下的傳感器靈敏度較高，適合應(yīng)用于材料的缺陷檢測(cè)和方向性探測(cè)[5]。本文鋁型材工藝參數(shù)的檢測(cè)主要是利用位移檢測(cè)原理，目的是得到差分信號(hào)峰值特征量與對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)的特征量關(guān)系，故應(yīng)采用圓柱線圈，對(duì)應(yīng)的靈敏度補(bǔ)償可以通過(guò)優(yōu)化線圈參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

(a)圓柱形線圈仿真模型圖

(b)矩形線圈仿真模型圖

圖3 不同截面形狀差分信號(hào)曲線

1.2 線圈尺寸參數(shù)優(yōu)化

圓柱形線圈的尺寸參數(shù)主要包括線圈的內(nèi)徑r、外徑R、高度h以及匝數(shù)N，其中線圈的內(nèi)徑根據(jù)鐵芯內(nèi)徑選定2 mm不變，而線圈的匝數(shù)取決于線圈的幾何尺寸參數(shù)，其具體的計(jì)算公式為

N=δ·h/d2

(1)

式中：δ為線圈內(nèi)外徑之差；h為線圈的高度；d為漆包線直徑。

所以線圈尺寸的仿真主要針對(duì)的是線圈的外徑和高度的仿真。仿真過(guò)程中保持提離高度和激勵(lì)條件不變，根據(jù)各工藝參數(shù)的形狀和尺寸特點(diǎn)和線圈直徑不應(yīng)大于被測(cè)體環(huán)的1.8倍原則[6]，同時(shí)利用控制變量法對(duì)軋痕的檢測(cè)線圈的尺寸參數(shù)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的仿真分析。仿真試驗(yàn)過(guò)程中首先固定軋痕模型，確定出最適合的線圈模型，得到激勵(lì)線圈的外徑、高度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的具體變化規(guī)律；然后在線圈模型不變的情況下改變軋痕的深度，得到軋痕深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的具體規(guī)律。

1.2.1 線圈高度的仿真

軋痕激勵(lì)線圈高度仿真時(shí)，固定線圈內(nèi)徑r=2 mm、外徑R=4 mm且軋痕深度為0.1 mm不變，使線圈高度從4 mm依次遞增，同時(shí)改變對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù),具體仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，通過(guò)仿真得到圖4的軋痕激勵(lì)線圈高度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。由此可知，激勵(lì)線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度以線圈高度6 mm為分界，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，且在線圈高度為6 mm時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。所以軋痕深度檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將線圈高度盡量選取在6 mm左右，使檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最大且更易檢測(cè)出軋痕的具體深度。

表1 軋痕高度仿真數(shù)據(jù)

圖4 激勵(lì)線圈高度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系

1.2.2 軋痕激勵(lì)線圈外徑值仿真

軋痕激勵(lì)線圈外徑仿真時(shí)，固定線圈內(nèi)徑r=2 mm、高度h=10 mm且軋痕深度為0.1 mm不變，使線圈外徑從6 mm依次遞增，同時(shí)改變對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù)，具體的仿真數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)仿真得到軋痕激勵(lì)線圈外徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。由此曲線分析可得，激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈的外徑大小總體呈負(fù)相關(guān)，隨外徑的增大線圈中的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。因此要使軋痕深度檢測(cè)時(shí)信號(hào)最明顯，應(yīng)適當(dāng)減小線圈外徑，這樣既可增大信號(hào)強(qiáng)度，又可解決空間受限問(wèn)題。

表2 軋痕外徑仿真數(shù)據(jù)

圖5 軋痕激勵(lì)線圈外徑與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系

1.2.3 軋痕深度值仿真

軋痕深度值仿真時(shí)，首先根據(jù)上述尺寸仿真選定了表3對(duì)應(yīng)的3組激勵(lì)線圈模型，然后在線圈模型不變的情況下，通過(guò)改變軋痕的深度，得到從0.1～0.6 mm的不同軋痕深度對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab中進(jìn)行差分、提取峰值等處理得到軋痕深度與磁感強(qiáng)度的具體規(guī)律。由仿真得到了如圖6所示的3組線圈模型對(duì)應(yīng)的軋痕深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。比較圖中3條曲線可知，檢測(cè)軋痕深度時(shí)當(dāng)激勵(lì)線圈的外徑為6 mm、高度為6 mm時(shí)，線圈的靈敏度最高，符合軋痕激勵(lì)線圈尺寸參數(shù)仿真結(jié)果。因此，對(duì)軋痕深度進(jìn)行定量化檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選取內(nèi)徑為2 mm、外徑為6 mm、高度為6 mm，匝數(shù)為1 000匝的線圈模型，同時(shí)利用線性擬合函數(shù)得到線性擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)R-Square=0.995 8接近于1，說(shuō)明軋痕深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈較好的線性關(guān)系，且其對(duì)應(yīng)的具體關(guān)系式為

y=1.997×10-5x+0.516 4×10-5

(2)

表3 軋痕線圈模型

圖6 軋痕深度與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軋痕的檢測(cè)總體示意圖如圖7所示，首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1個(gè)頻率和占空比均可調(diào)的方波脈沖激勵(lì)信號(hào)，然后將經(jīng)過(guò)功率放大的信號(hào)輸入到線圈的驅(qū)動(dòng)電路，電渦流傳感器中的線圈在方波激勵(lì)下在被測(cè)體表面和內(nèi)部產(chǎn)生感生電渦流，之后由霍爾傳感器將此過(guò)程中的磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，最后將此輸出電壓信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理部分，經(jīng)過(guò)一系列的放大、濾波、等處理后得到能夠滿數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)輸入范圍要求的信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，利用Matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行相依的分析處理，得到軋痕深度與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖7 軋痕深度檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖

2.2 具體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)信號(hào)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(hào)發(fā)生電路[7]，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管將脈沖方波進(jìn)行預(yù)定的放大；信號(hào)調(diào)理模塊采用LM3886對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，同時(shí)利用低功耗高精度的INA129信號(hào)放大器對(duì)霍爾傳感器輸出的微小渦流信號(hào)進(jìn)行放大處理以滿足數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)采集范圍，同時(shí)提高信號(hào)的信噪比。對(duì)應(yīng)的整體電路信號(hào)調(diào)理過(guò)程如圖8所示。

圖8 整體信號(hào)調(diào)理過(guò)程

3 軋痕深度定量化

根據(jù)仿真結(jié)果分別設(shè)計(jì)制作與表3對(duì)應(yīng)的3個(gè)電渦流傳感器，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(chǎng)的變換轉(zhuǎn)化為電壓量且電壓信號(hào)與磁場(chǎng)信號(hào)成正比，同時(shí)采用黑色膠帶用于保護(hù)探頭和屏蔽其他信號(hào)[8]。試驗(yàn)中選用與仿真過(guò)程中工藝參數(shù)尺寸特性相同的薄壁鋁型材，為實(shí)現(xiàn)不同深度的定量檢測(cè)，加工了如圖9所示的不同軋痕深度的薄壁鋁型材工件，其中軋痕的深度從0.1 mm到0.6 mm變化，利用電渦流傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，搭建了圖10所示的試驗(yàn)平臺(tái)，完成對(duì)仿真結(jié)果的驗(yàn)證以及特征量的提取和分析。該試驗(yàn)平臺(tái)主要由DF1741SB3A直流電源、信號(hào)調(diào)理電路、電渦流傳感器、薄壁鋁型材試件以及數(shù)字示波器和DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡組成，完成對(duì)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)顯示。

圖9 軋痕深度試件尺寸示意圖

試驗(yàn)時(shí)，首先固定1個(gè)激勵(lì)線圈尺寸不變，采集到1組無(wú)軋痕的信號(hào)作為參考信號(hào)，再依次采集從0.1 mm到0.6 mm的6組軋痕深度，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到1個(gè)激勵(lì)線圈下的軋痕深度與電渦流傳感器的輸出電壓關(guān)系，然后改變激勵(lì)線圈尺寸，采用同樣的方法得到不同激勵(lì)線圈尺寸下軋痕深度與傳感器輸出電壓的關(guān)系。

圖10 電渦流薄壁鋁型材工藝參數(shù)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到了如圖11所示的不同尺寸激勵(lì)線圈下，軋痕深度與輸出電壓的變化關(guān)系圖。分析3條曲線可以得到在檢測(cè)軋痕深度時(shí)，外徑為6 mm、高度為6 mm的傳感器靈敏度最高，這是因?yàn)閷?duì)于薄壁鋁型材的軋痕，當(dāng)激勵(lì)線圈的高度為6 mm時(shí)電渦流強(qiáng)度最大，同時(shí)隨著線圈外徑的增大傳感器的靈敏度也相應(yīng)減小與仿真結(jié)果一致。因此，軋痕深度檢測(cè)時(shí)宜采用內(nèi)徑為2 mm、外徑為6 mm、高度為6 mm、匝數(shù)為1000的電渦流傳感器。圖12為該傳感器檢測(cè)軋痕深度時(shí)得到的不同深度下的差分信號(hào)曲線，通過(guò)對(duì)該曲線提取峰值得到軋痕深度與輸出電壓具體數(shù)值關(guān)系見(jiàn)表4，同時(shí)得到軋痕深度與傳感器輸出電壓的關(guān)系曲線(圖13)，可以看出軋痕深度與輸出電壓呈良好的一次線性關(guān)系，且具體定量關(guān)系為：y=0.827 4x-0.043 4，根據(jù)此定量關(guān)系在實(shí)際檢測(cè)中即可利用得到的輸出電壓實(shí)時(shí)的計(jì)算出對(duì)應(yīng)的軋痕深度。

圖11 不同激勵(lì)線圈尺寸下軋痕深度與輸出電壓的關(guān)系

圖12 不同深度下的差分信號(hào)

表4 軋痕深度與輸出電壓關(guān)系表

圖13 軋痕深度與輸出電壓擬合曲線

4 基于LabVIEW的軋痕深度在線檢測(cè)系統(tǒng)

本文利用虛擬儀器LabVIEW搭建了對(duì)應(yīng)的軋痕深度檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)是在 LabVIEW 8.6環(huán)境下使用DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡完成的，其界面包括前面板及程序框圖[9]，為實(shí)現(xiàn)軋痕深度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，前面板主要完成對(duì)采樣參數(shù)的設(shè)置和信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的程序框圖主要包括信號(hào)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理和信號(hào)分析3大部分組成，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的采集、濾波、歸一化、差分、特征值提取以及軋痕深度值的計(jì)算，對(duì)應(yīng)的主程序流程圖如圖14所示。

圖14 軋痕深度檢測(cè)主程序流程圖

為驗(yàn)證LabVIEW軋痕深度檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了具體的試驗(yàn)。圖15為試驗(yàn)過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖，試驗(yàn)時(shí)固定薄壁鋁型材試樣不變，使電渦流傳感器沿著鋁型材運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)過(guò)程中選用DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡a0通道，采樣率設(shè)為10 000，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為1 000。開(kāi)始采集后，首先采集無(wú)軋痕時(shí)的信號(hào)作為原始信號(hào)，然后移動(dòng)傳感器位置到有軋痕的地方采集軋痕深度信號(hào)，進(jìn)入軋痕深度檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)采集信號(hào)的處理過(guò)程如圖16所示，可以看出該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采集并對(duì)其進(jìn)行對(duì)應(yīng)的濾波去噪、歸一化以及差分處理，且檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)定值吻合，有效地驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

圖15 軋痕深度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

(a)原始信號(hào)

(b)濾波信號(hào)

(c)歸一化信號(hào)

(d)差分信號(hào)

5 結(jié)論

本文采用電渦流方法對(duì)薄壁鋁型材表面軋痕深度的定量檢測(cè)進(jìn)行了研究，主要包括對(duì)電渦流傳感器尺寸參數(shù)的優(yōu)化、信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及信號(hào)特征量的提取，得出了軋痕深度與傳感器輸出電壓呈有規(guī)律的一次線性關(guān)系，同時(shí)利用此線性關(guān)系搭建了對(duì)應(yīng)的LabVIEW軋痕深度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軋痕深度實(shí)時(shí)讀取，提高了薄壁鋁型材軋痕深度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和精度，為工程實(shí)踐中薄壁鋁型材相關(guān)工藝參數(shù)的電渦流檢測(cè)提供一定的參考，有效地拓展了電渦流無(wú)損檢測(cè)的范圍。

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Quantitative Detection of Thin-walled Aluminum Extrusion Process Depth

WANG Yun,WU Mei-ping ,ZUO Xiao-fang

(School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Using eddy current detection method to study thin-walled aluminum of its rolling scar process parameters with uniform thickness of only 1 mm ,with COMSOL software to optimize the size parameters of eddy current sensor,corresponding signal conditioning circuit was designed and the eddy current sensor most suitable for detecting thin-walled aluminum extrusion process depth was

.Collecting roll marks signal data of different depths and extracting the characteristic quantity,quantify rule of the depth of roll marks was received.A LabVIEW online testing platform to finish online and real-time quantitative detection of rolling scar depth was designed,thus realizing real-time quantification online detection and effectively expanding the applicability of the eddy current detection.

thin-walled aluminum; eddy current sensor；process parameters; LabVIEW；quantitative detection

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51107053/E070104)；中國(guó)博士后基金資助(2012M520994)

2014-04-10 收修改稿日期：2014-11-25

TG156

A

1002-1841(2015)04-0088-05

王云(1986—)，碩士在讀 ，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。 E-mail：zdhwhd@163.com