孫瑞虹,張小星,馬兆光,張瑞蕾,馬春紅

(1.北京新立機(jī)械有限責(zé)任公司,北京100074;2.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京100074; 3.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京100074;4.河北環(huán)境工程有限公司,承德067000)

基于LabVIEW的油箱棱角處縱向裂紋漏磁檢測(cè)裝置

孫瑞虹1,張小星1,馬兆光2,張瑞蕾3,4,馬春紅4

(1.北京新立機(jī)械有限責(zé)任公司,北京100074;2.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京100074; 3.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京100074;4.河北環(huán)境工程有限公司,承德067000)

針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)油箱等容器棱角處縱向裂紋難以檢測(cè)的問(wèn)題,研制了一種基于差動(dòng)式霍爾元件的多功能油箱漏磁檢測(cè)裝置。檢測(cè)探頭由兩個(gè)霍爾元件構(gòu)成差動(dòng)式結(jié)構(gòu),以消除干擾磁場(chǎng)的影響,提高了檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度;通過(guò)更換不同型號(hào)的勵(lì)磁極靴分別實(shí)現(xiàn)油箱平面及棱角處縱向裂紋的檢測(cè);通過(guò)光電編碼器使數(shù)據(jù)采集卡外觸發(fā)實(shí)現(xiàn)了空域等距采樣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的定位。對(duì)含預(yù)制縱向裂紋的機(jī)動(dòng)車(chē)油箱進(jìn)行了漏磁檢測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明,該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)油箱棱角處的內(nèi)部縱向裂紋具有良好的辨識(shí)能力,能夠推廣到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中。

漏磁檢測(cè);霍爾元件;差動(dòng)式探頭;縱向裂紋

金屬板材的折彎屬于冷塑性加工,由于折彎處常存在較大的塑性變形,并殘存較大的殘余應(yīng)力,金屬在交變載荷作用下往往會(huì)出現(xiàn)微裂紋,進(jìn)而發(fā)生開(kāi)裂。如果裂紋產(chǎn)生于容器壁內(nèi)部,在容器外側(cè)難以發(fā)現(xiàn),就會(huì)存在安全隱患[1]。因?yàn)閷?shí)際折彎構(gòu)件的缺陷位置和方向無(wú)法預(yù)知,故采用傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法難以有效識(shí)別折彎處的裂紋,當(dāng)裂紋處于檢測(cè)探頭的非敏感方向時(shí),非常容易漏檢;如果采用工業(yè)CT方法,又不適用于構(gòu)件服役時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

漏磁檢測(cè)對(duì)突變?nèi)毕菝舾?、檢測(cè)無(wú)盲區(qū)、對(duì)環(huán)境條件要求低、檢測(cè)速度快、并且對(duì)檢測(cè)表面的粗糙度要求低,在石油、化工、航天及交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。通過(guò)漏磁檢測(cè)技術(shù)識(shí)別構(gòu)件的橫向裂紋的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)油箱折彎處縱向裂紋進(jìn)行檢測(cè)時(shí),由于探頭提離高度不固定,漏磁信號(hào)干擾因素較多,故難以有效識(shí)別缺陷。

針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)油箱折彎處縱向裂紋難以檢測(cè)的問(wèn)題,筆者研制了一套基于差動(dòng)式霍爾元件的漏磁檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)霍爾元件的差動(dòng)式連接,可有效抑制干擾磁場(chǎng)的影響,提高了檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

1 差動(dòng)式漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)時(shí)利用被檢材料為鐵磁材料的特點(diǎn),施加外激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)被檢區(qū)進(jìn)行局部磁化[3],當(dāng)該區(qū)域無(wú)裂紋時(shí),磁力線(xiàn)絕大部分通過(guò)鐵磁材料,此時(shí)磁力線(xiàn)均勻分布;當(dāng)該區(qū)域存在裂紋時(shí),由于裂紋處磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鐵磁材料的磁導(dǎo)率,根據(jù)磁感應(yīng)線(xiàn)的折射定律,磁力線(xiàn)將發(fā)生折射彎曲,磁力線(xiàn)一部分仍從鐵磁材料中通過(guò),另一部分從裂紋缺陷處通過(guò),還有一部分泄露出鐵磁材料表面,并滲透到空間中。漏磁檢測(cè)原理如圖1所示(左圖為無(wú)裂紋試樣檢測(cè),右圖為有裂紋試樣檢測(cè))。裂紋的形狀將直接影響勵(lì)磁系統(tǒng)中磁場(chǎng)的分布形式,利用有效的檢測(cè)手段測(cè)量磁場(chǎng)參量的變化情況,可以獲得各種形狀缺陷的檢測(cè)信號(hào)。通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析,可有效還原缺陷的幾何形狀。

圖1 漏磁檢測(cè)原理示意

霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制作的一種磁電轉(zhuǎn)換元件,霍爾效應(yīng)是一種在導(dǎo)電材料中的電流與外磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的物理效應(yīng)。由于霍爾電壓和漏磁場(chǎng)強(qiáng)度之間具有很好的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此可用霍爾電壓表征漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了提高檢測(cè)的靈敏度,并且消除干擾磁場(chǎng)的影響,檢測(cè)探頭采用差動(dòng)式連接的兩個(gè)霍爾元件,即兩個(gè)霍爾元件分別采集漏磁場(chǎng)信號(hào)后,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行差動(dòng)式處理。

2 霍爾元件漏磁檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要由勵(lì)磁裝置、霍爾元件、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、光電編碼器、計(jì)算機(jī)等幾部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?；魻栐⒋艌?chǎng)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào),經(jīng)放大、濾波等處理后,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能,并將數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)后進(jìn)行顯示、保存。

圖2 漏磁檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

漏磁檢測(cè)小車(chē)結(jié)構(gòu)和外觀如圖3所示,檢測(cè)試驗(yàn)時(shí),試件、極靴及磁軛構(gòu)成了勵(lì)磁回路。檢測(cè)小車(chē)上的極靴可根據(jù)需要拆卸,即檢測(cè)平板時(shí)采用平底極靴,而檢測(cè)棱角時(shí)采用V型極靴。將差動(dòng)式檢測(cè)探頭安裝在兩極靴中間,檢測(cè)時(shí)確保探頭與被測(cè)對(duì)象之間的角度和提離高度固定不變。采用光電編碼器與摩擦采樣輪相配合實(shí)現(xiàn)外觸發(fā)采集,以便對(duì)缺陷準(zhǔn)確定位。

圖3 漏磁檢測(cè)小車(chē)結(jié)構(gòu)示意及外觀

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于霍爾元件輸出信號(hào)只有幾到十幾毫伏,需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大,以保證數(shù)據(jù)采集卡能夠得到穩(wěn)定且足夠識(shí)別的信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路采用了經(jīng)典的AD620芯片與UA741芯片,輸入端與傳感器相連并制作了霍爾傳感器供電電路。經(jīng)一次放大后進(jìn)行無(wú)源濾波,消除高頻噪聲。最后,將經(jīng)過(guò)放大濾波后的兩路電壓信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)式處理,使兩路干擾磁場(chǎng)相互抵消,提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度,信號(hào)調(diào)理流程如圖4所示。

2.3 基于Lab VIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖5所示,其中,硬件采用北京優(yōu)采公司的UA306A多通道數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡可以即插即用,帶電插拔,并且支持外部觸發(fā)采集。漏磁檢測(cè)小車(chē)移動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)摩擦采樣輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生能夠作為外部觸發(fā)源的脈沖信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)空域等距采樣。軟件采用圖形化編程語(yǔ)言Lab VIEW,其具有人性化的程序設(shè)計(jì)理念、簡(jiǎn)易快捷的數(shù)據(jù)采集和控制功能、強(qiáng)大的分析模塊和形象完整的數(shù)據(jù)顯示等優(yōu)點(diǎn),在虛擬儀器構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用極為方便,是目前國(guó)際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一[4]。

該采集系統(tǒng)選用Lab VIEW2012編寫(xiě)人機(jī)交互界面,完成數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)之間的通訊、數(shù)據(jù)的采集與整理、數(shù)據(jù)的有序存儲(chǔ)及后續(xù)處理。程序的主要功能包括多點(diǎn)采集、多通道多點(diǎn)采集、數(shù)據(jù)顯示和保存、采樣參數(shù)及顯示設(shè)置等。

采樣前可以根據(jù)試驗(yàn)需要對(duì)采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、增益等進(jìn)行設(shè)置,采樣結(jié)束后16個(gè)通道的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存在指定文件中。最后可根據(jù)需要來(lái)選擇在軟件前面板上顯示的通道。

圖4 信號(hào)調(diào)理流程

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

3 裂紋檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法

選取機(jī)動(dòng)車(chē)油箱進(jìn)行漏磁檢測(cè)試驗(yàn),該油箱由Q345鋼經(jīng)折彎加工制作而成。試驗(yàn)前在油箱平面區(qū)及油箱棱角區(qū)分別預(yù)制一條40 mm×0.5 mm× 0.5 mm(長(zhǎng)×寬×深)的縱向裂紋[5－7],檢測(cè)試件如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈施加直流電壓,人工勵(lì)磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度可通過(guò)改變線(xiàn)圈中的電流來(lái)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中,首先對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)裝卡上平板極靴,推動(dòng)小車(chē)沿油箱平面區(qū)進(jìn)行掃描;然后更換為V型極靴,沿油箱棱角處進(jìn)行“騎棱”檢測(cè)。隨著摩擦采樣輪的轉(zhuǎn)動(dòng),光電編碼器發(fā)出脈沖信號(hào),觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采集磁場(chǎng)信號(hào)。

3.2 油箱裂紋檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)檢測(cè)裝置分別對(duì)油箱平面及棱角處的縱向裂紋進(jìn)行檢測(cè),先進(jìn)行正面檢測(cè),后對(duì)試件背面進(jìn)行檢測(cè)。正面檢測(cè)即在有裂紋的一側(cè)進(jìn)行掃描,背面檢測(cè)是將被測(cè)試件翻轉(zhuǎn),在缺陷的背面對(duì)試件進(jìn)行掃描,該檢測(cè)是為了研究該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于亞表面裂紋的檢測(cè)效果。但對(duì)于如圖6所示的折彎件內(nèi)側(cè)縱向裂紋,是沒(méi)有辦法進(jìn)行正面檢測(cè)的,只能沿著外側(cè)進(jìn)行“騎棱”檢測(cè),這也是該裝置的優(yōu)勢(shì)所在。圖7為從油箱外部檢測(cè)內(nèi)部縱向裂紋時(shí)所得的磁信號(hào)分布,其中圖7(a)為原始信號(hào),圖7(b)為小波濾波后的信號(hào)。

圖6 檢測(cè)試件外觀

圖7 機(jī)動(dòng)車(chē)油箱內(nèi)部縱向裂紋信號(hào)

由圖7可知,當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)縱向裂紋時(shí),信號(hào)會(huì)發(fā)生突變,并且磁場(chǎng)信號(hào)在突變值時(shí)所測(cè)點(diǎn)數(shù)與縱向裂紋的長(zhǎng)度具有較好的相關(guān)性,故可根據(jù)光電編碼器的分辨率及采樣輪的半徑來(lái)估算縱向裂紋的長(zhǎng)度,這對(duì)縱向裂紋的定量化檢測(cè)具有一定的參考意義。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)油箱棱角處縱向裂紋難以檢測(cè)的問(wèn)題,研制了一套基于霍爾元件的差動(dòng)式漏磁檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)采用兩個(gè)霍爾元件差動(dòng)式處理檢測(cè)信號(hào),提高了檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度;并且可以通過(guò)更換不同型號(hào)的極靴,來(lái)分別實(shí)現(xiàn)油箱平面與油箱棱角處的裂紋檢測(cè)。結(jié)果表明,該檢測(cè)系統(tǒng)可以有效識(shí)別油箱內(nèi)部棱角處的內(nèi)部縱向裂紋。

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The MFL Device to Detect the Longitudinal Cracks of the Oil Tank Corners Based on Lab VIEW

SUN Rui-hong1,ZHANG Xiao-xing1,MA Zhao-guang2,ZHANG Rui-lei3,4,MA Chun-hong4
(1.Beijing Xinli Machinery Limited Liability Company,Beijing 100074,China; 2.Beijing Institute of Machinery,Beijing 100074,China; 3.China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China; 4.Hebei Aerospace Environmental Engineering Co.,Ltd.,Chengde 067000,China)

In order to overcome the difficulties in detecting the longitudinal corner cracks of containers,such as motor vehicle oil tanks,are difficult to detect,a multifunctional system used to detect magnetic flux leakages of tanks is designed and developed based on differential hall probes.The detection probe is made of two elements forming the structure of differential type,make up the detection probe,which can improve the sensitivity of detection system.By switching different pole shoes,cracks of the plane and the corners can be detected respectively.As an external trigger,the photoelectric encoder can collect data at the same distance each time,to determine where the defect exists accurately.Through carrying experiments on the fuel tank belonging to a heavy armored vehicle with prefabricated defects,acquired results show that the detection system can identify the the longitudinal cracks inside the tank,then it can be promoted to industrial applications.

Magnetic flux leakage detect;Hall probe;Differential probe;Longitudinal crack

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0071-04

10.11973/wsjc201701018

2016-03-16

孫瑞虹(1986—),男,工程師,主要從事磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)工作。

孫瑞虹,E-mail:sunruihong1234＠163.com。