燕 芳, 王志春, 丁東陽(yáng)

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

常見的無損檢測(cè)方法有射線法、超聲波法、電渦流檢測(cè)法等。射線法在檢測(cè)過程中存在較大的安全隱患,若防護(hù)不得當(dāng)則容易對(duì)檢測(cè)人員的身體造成傷害；超聲波檢測(cè)則需要大量耦合劑,且檢測(cè)精度相對(duì)較低；利用電渦流檢測(cè)[1]方法可以實(shí)現(xiàn)金屬板的相關(guān)厚度無損測(cè)量,例如對(duì)金屬表面的油漆厚度、覆蓋絕緣層厚度及金屬試件等厚度檢測(cè)[2～9]。電渦流檢測(cè)方法尤其適用于被測(cè)金屬試件處于高速旋轉(zhuǎn)或高溫環(huán)境等一些不便進(jìn)行直接測(cè)厚的情況。

1 電渦流檢測(cè)技術(shù)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)[10,11]是以法拉第電磁感應(yīng)定律為理論基礎(chǔ)的。被測(cè)金屬試件處在感應(yīng)磁場(chǎng)時(shí),當(dāng)金屬試件切割磁力線,或磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)都會(huì)造成通過金屬試件的磁通量發(fā)生改變,從而在被測(cè)金屬試件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。進(jìn)而生成脈沖感應(yīng)電流,由感應(yīng)電流生成的脈沖感應(yīng)渦流磁場(chǎng)如圖1所示。

圖1 脈沖感應(yīng)渦流磁場(chǎng)示意

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

2.1 基于Maxwell 的3D的仿真模型

基于Maxwell 建立的3D仿真模型如圖2所示。磁芯為半徑8 mm,高度26 mm的帶鐵芯圓形骨架結(jié)構(gòu)。線圈的內(nèi)、外半徑分別是10 mm和12 mm。下面的灰色平板表示0.1～0.4 mm的鋁板,模型的提離距離設(shè)定為6 mm,則它的求解域體積是模型體積18倍。

圖2 線圈與被測(cè)體的3D仿真模型

2.2 仿真結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,從表1中數(shù)據(jù)可以看出:感應(yīng)電壓峰值與過零點(diǎn)時(shí)間都是隨著被測(cè)鋁板厚度的增大而增大,由此可見,可以選用電壓峰值與過零點(diǎn)時(shí)間作為特征值,建立特征值與被測(cè)鋁板厚度之間的關(guān)系。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

被測(cè)鋁板厚度與感應(yīng)電壓峰值對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3(a)所示曲線,可見,鋁板厚度從0.1～0.4 mm變化時(shí),對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓峰值也在逐漸變大。被測(cè)鋁板厚度與過零時(shí)間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3(b)所示曲線,可見,被測(cè)鋁板厚度從0.1 mm變化至0.4 mm時(shí),對(duì)應(yīng)的過零時(shí)間也在逐漸變大。

圖3 仿真結(jié)果

根據(jù)圖3(a),被測(cè)鋁板厚度與電壓峰值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系可擬合出公式(1),根據(jù)圖3(b),被測(cè)鋁板厚度與過零點(diǎn)時(shí)間之間對(duì)應(yīng)關(guān)系可擬合出公式(2)

ρ=21.441 7Δ2-0.213 5Δ+18.708 2

(1)

(2)

3 電渦流測(cè)厚系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于STM32的電渦流測(cè)厚系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示,首先,通過STM32F103單片機(jī)的輸入/輸出(input/output,I/O)口發(fā)出脈沖激勵(lì)信號(hào)脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM),作為通入傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào),使傳感器線圈的激勵(lì)端產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng),該脈沖磁場(chǎng)作用于被測(cè)鋁板使其感生出一個(gè)變化的磁場(chǎng),其次,傳感器線圈的檢測(cè)端也會(huì)感應(yīng)到這個(gè)變化的磁場(chǎng)。最后,利用CS5521采集傳感器線圈檢測(cè)端與參考端的差分信號(hào),將采集的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在單片機(jī)中,有單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,處理后的結(jié)果在TFTLCD顯示屏上進(jìn)行顯示。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)在常溫情況下對(duì)厚度為0.2～1.0 mm的鋁板進(jìn)行了檢測(cè),首先將各個(gè)模塊用杜邦線按對(duì)應(yīng)引腳連接起來,然后將程序下載到STM32開發(fā)板中,當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后,開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過單片機(jī)的串口輸出存儲(chǔ)在中的3 000個(gè)數(shù)值,將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel表格中,通過降序排序的方法找出這些數(shù)中的最大值,然后與單片機(jī)處理后的電壓峰值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值相等,這說明單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)結(jié)果是準(zhǔn)確的。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)0.2～1.0 mm的鋁板厚度與峰值電壓的擬合曲線圖如圖5(a)所示。

將每次實(shí)驗(yàn)求出的10次過零點(diǎn)時(shí)間取平均值后作為這一厚度對(duì)應(yīng)的過零點(diǎn)時(shí)間,通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)0.2～1.0 mm厚度的鋁板得出了過零點(diǎn)時(shí)間與鋁板厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,0.2～1.0 mm鋁板厚度與過零時(shí)間的擬合曲線圖如圖5(b)所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中厚度、電壓峰值、過零時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在MATLAB中擬合出3個(gè)量之間的曲面圖如圖6所示。

圖6 厚度、電壓峰值、過零時(shí)間之間的三維圖

最后通過實(shí)驗(yàn)獲得快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)運(yùn)算后的數(shù)據(jù)結(jié)果,就能計(jì)算需要求解的諧波幅值。在數(shù)組lBufMagArray中存儲(chǔ)諧波的幅值。通過單片機(jī)的串口把lBufMagArray數(shù)組中各次諧波的幅值數(shù)據(jù)輸出來,獲得到需要的幅值特征量。在實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)0.2～1.0 mm的被測(cè)鋁板厚度與幅值之間的擬合曲線如圖7所示。

圖7 厚度與幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過上述3條擬合曲線可知:當(dāng)鋁板厚度從0.2～1.0 mm變化時(shí),檢測(cè)到的感應(yīng)電壓峰值與過零點(diǎn)時(shí)間均是隨著被測(cè)鋁板厚度的增大而增大的,而幅值則隨著被測(cè)鋁板厚度的增大而不斷變小,由此可見,此結(jié)果與之前的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。再一次說明如果選用電壓峰值、過零點(diǎn)時(shí)間和幅值這3個(gè)量作為特征值,建立這三個(gè)特征值與被測(cè)鋁板厚度的關(guān)系,即可達(dá)到最終反演厚度信息的目的。

本文采用了1個(gè)二階非線性模型,通過在給定激勵(lì)頻率情況下檢測(cè)信號(hào)的變化值與被測(cè)鋁板厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來擬合對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線。設(shè)定被測(cè)鋁板的厚度值大小是γ,二階多項(xiàng)式最終擬合的函數(shù)如下

(3)

式中γ為鋁板厚度,U為電壓峰值,φ為過零點(diǎn)時(shí)間,B為幅值,aij(i=1,2,3；j=1,2,3)為相應(yīng)的關(guān)系參量。把表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)中得出

γ=0.009 0U+0.009 0φ+10.018 1B-0.963 7

(4)

5 誤差分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋁板厚度與實(shí)際厚度之間存在誤差,經(jīng)查閱相關(guān)資料及綜合分析,引起測(cè)量誤差的原因可能有以下3個(gè)方面:1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中有噪聲和其他信號(hào)的干擾；2)被測(cè)鋁板的表面不平整；3)傳感器線圈的檢測(cè)精度不高。

因此,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量減少實(shí)驗(yàn)環(huán)境噪聲,還可以通過改良優(yōu)化線圈以及對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理的等方法來減小測(cè)量誤差。

6 結(jié)束語

此電渦流測(cè)厚系統(tǒng)中還有很多環(huán)節(jié)需要改進(jìn)和完善,如檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)精度還需要更進(jìn)一步提升。另外還需要提取更多的特征值進(jìn)行測(cè)試,從而尋找到更多有關(guān)被測(cè)體參數(shù)的相關(guān)信息。后續(xù)的研究方向可以考慮將原始信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)共同進(jìn)行快速傅里葉變換后再作差,通過分析不同厚度對(duì)應(yīng)的臨界值來確定金屬體的厚度。