聞七男，李清華，馮曉宇，孫毅博，劉世偉，孫燕華

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

目前，管道運輸的主要載體是大型直縫焊管，其管坯一般采用漸進式模壓成形方法［1］，成型工藝主要有JCO法、CFE法和UOE法等［2-3］，而板材作為管道的母材，其質量問題時刻都要重視。板材在生產和加工過程中，難免會出現缺陷或瑕疵（如裂縫），若是不進行檢測和質量把控，則生產出來的直縫鋼管強度難以得到保證，為后續(xù)的安裝使用埋下了巨大的安全隱患。

目前板材檢測的主要方法有磁粉法、滲透法、超聲波法、真空泄漏法、漏磁檢測法、渦流法和機器視覺法等［4-8］。漏磁檢測因具有檢測速度快、靈敏度高和不受板材表面粗糙度影響等優(yōu)點，已大量應用在板材的檢測中。對于板材缺陷的檢測問題，國外很早就開始關注重視，美國早在20世紀80年代末就將漏磁技術應用于板狀鐵磁構件的檢測［9-12］。隨著計算機技術和傳感器技術的發(fā)展，歐美一些國家不斷地推出了一些檢測精度更高、功能更加強大、使用更方便的檢測儀器，但是價格一般都比較昂貴，不利于在國內大規(guī)模使用。我國在板材漏磁檢測方面也做了大量的研究，并研發(fā)了相應的檢測儀器［13-15］，推動了我國板材檢測技術的發(fā)展進步。隨著對漏磁檢測技術的不斷深入研究和相關技術的發(fā)展，研發(fā)一種可分離的模塊化檢測儀器來檢測現有的漏磁檢測儀器不方便或者不能檢測的地方，具有十分重要的意義。

1 儀器總體設計方案

基于無線傳輸技術的板材漏磁檢測儀總體結構主要包括三大部分：底盤、無線發(fā)射模塊和數據接受顯示模塊。底盤上裝有提供位置編碼的編碼器，編碼輪每轉一圈編碼器會產生200個脈沖，再配以相應的軟硬件就可以精確地定位缺陷的位置。動力方面，可以人力推動底盤上的4個橡膠輪前進，也可以依靠前面掛接輪轂電機來提供動力。采用尺寸為 34 mm×52 mm×62 mm（高×寬×長）的釹鐵硼永磁鐵作為磁源，沿高度方向充磁，將其沿長度方向每5塊一合并分兩排安裝在底盤上的凹槽內，通過前期漏磁檢測磁化器設計仿真及試驗數據得知兩排永磁鐵間隔28 mm時磁敏感元件的信號信噪比最好，再配合材料為工業(yè)純鐵的銜鐵、空氣及需要檢測的板材構成磁回路，其單次掃查寬度可達310 mm（62 mm×5）。

兩排磁鐵之間安放一個不銹鋼材料的探靴，用來保護其內部按一定規(guī)律排布的磁敏感元件，且探靴的提離值可通過腰型孔調節(jié)，以適應不同的檢測工況。探靴內的磁敏感元件所產生的信號經安放在底盤上方的無線發(fā)射模塊傳送給數據接收顯示模塊，經測試，傳送有效距離可超過100 m，信號經過軟硬件的配合處理后即可實時輸出相應的波形。此外，在設計檢測儀器的框架時還充分考慮了現場的工況，可以調節(jié)角度和高度，便于在狹小的空間內進行檢測。該檢測儀器的一大特色就是，實現了信號傳送和接受模塊化設計，主體框架可以調節(jié)，兩者的配合保證了儀器可以適應更多較復雜的工況。數據接收顯示模塊包括了一塊可觸摸的顯示屏來實時顯示波形信號，一個充電接口，一個數據導出/導入USB轉換接口和兩個開關，這兩個開關分別用來控制波形顯示與采集。模塊化板材漏磁檢測總體結構如圖1所示。其中，數據接收顯示模塊隨檢測底盤一同工作的結果如圖1（a）所示，數據接收分析模塊不隨檢測底盤一同工作的結果如圖1（b）所示。

圖1 板材漏磁檢測儀總體結構示意

2 磁回路的設計與磁敏感元件的排布

漏磁檢測的原理就是通過磁化器將待檢鐵磁性材料磁化成磁飽和狀態(tài)，當通過材料的有缺陷部位時，鐵磁性材料內部的磁力線會發(fā)生泄漏，磁敏感元件剛好捕獲這一變化，再通過軟硬件的配合就可以輸出帶有缺陷的波形。所以通過檢測的原理就可以看出，磁化器的磁化能力及磁敏感元件的排布對檢測的精度和效果有很大的影響，要求磁化器磁化能力要足夠強，磁敏感元件可以捕獲較微弱的磁場突變而不漏檢。

儀器底盤去掉一個側板的結構如圖2所示。由圖2可見，前后軸上分別安裝2個輪子支撐起中間的磁化器，前后兩排永磁鐵的中間放探靴。磁化器距待檢測板材的距離會影響對板材的磁化能力，一般距離越小磁化能力越強，但這也會導致磁吸力過大，不利于儀器的運動，經過多次試驗發(fā)現當距離為10 mm信號良好，而磁吸力適中。由于檢測時板材上的污垢較多，所以加大了前后軸與磁化器的距離，防止輪子被夾住而無法工作。

圖2 底盤結構示意

探靴內磁敏感元件的排布如圖3所示，兩排感應線圈交錯排列覆蓋率達到了150%，避免了漏檢。每5個感應線圈首尾相連組成一個線圈組，將所有線圈的同名端相接構成公共端，每個線圈組的另一端即為輸出信號線端。同時考慮到單一磁敏感元件不利于檢測多種缺陷，根據之前的試驗，霍爾元件測截面積損失（如磨損）的信號較好，又在線圈的中間加入了霍爾元件。為了避免霍爾元件磁飽合后不能正常工作，此處霍爾元件的工作面與線圈的工作面相垂直，即霍爾元件用來檢測缺陷漏磁場的水平分量，感應線圈檢測缺陷漏磁場的垂直分量。兩種元件相互配合保證了在檢測各種缺陷情況下不會漏檢，再通過各路模擬電壓信號之間取邏輯或，實現了缺陷信號較好的信噪比。

圖3 磁敏感元件排布示意

3 無線模塊

儀器工作時磁敏感元件會產生大量的模擬電壓信號，作為數據處理的第一步，數據采集模塊的穩(wěn)定性和效率就顯得十分重要。磁敏感元件產生的原始模擬信號比較微弱且噪音較多，為便于信號的無線傳送和后期處理，無線發(fā)射模塊應同時具有放大、濾波和A/D轉換及無線傳送的功能。為提高采集電路的穩(wěn)定性，將放大和濾波電路做成一塊電路板，再將A/D轉換電路和輸出網口另外單獨做成一塊電路板。兩塊電路板的外觀如圖4所示。

圖4 電路板示意

信號的轉換電路采用的是STM32內置的12位逐次趨近模數轉換器，內部有3個獨立的ADC（模擬數字轉換器），16條復用通道，可以實現連續(xù)轉換，支持外部觸發(fā)，支持數據對齊并通過DMA（直接內存存儲）存儲，采樣頻率為20 kHz。存儲器件使用的SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器），可以直接讀存芯片內部的數據而不需要刷新電路，與flash（閃存）不同的是，系統斷電后，SRAM的內部數據會丟失。

無線模塊（RF wireless module）是基于無線傳輸技術進行通信的一種模塊，其廣泛應用于無線控制、無線通信、無線網絡等領域，其技術現在已相對較為成熟。該儀器采用HC-12無線433M串口模塊來完成轉換后信號的發(fā)射和接收功能，工作原理如圖5所示，工作頻率為433.4～474.0 MHz，多達100個通信頻道，最大可達100 MW發(fā)射功率。該儀器在測試時使用433.4 MHz的頻率，波特率為9 600 bitls，在樓內測試傳輸距離可超過100 m，且信號信噪比依然較好。

圖5 無線模塊工作原理

4 試驗測試

針對板材漏磁檢測儀樣機，在實驗室做了一個試驗用的帶缺陷的試板，試驗樣機與試板如圖6所示，試板帶缺陷的那一面與地面接觸，檢測儀器放在試板光滑的那一面上，前后推動儀器即可檢測出缺陷。試板的材料為Q235，總厚度為10 mm，背面共做有3個Φ10 mm的盲孔來模擬實際應用中的缺陷，從平底到上表面的深度分別為2 mm，4 mm和6 mm。

為便于定位缺陷的位置，探靴內的磁敏感元件所產生的信號被分成了4部分，在顯示屏上由上到下分4塊顯示，第一部分是霍爾元件的信號，第二、三、四部分分別是探靴中左、中、右3部分感應線圈所產生的信號，試驗信號截屏如圖7所示。此外，為了便于大規(guī)模地檢測多塊板材，最后的檢測報表中應分別給出每一塊板材的損傷情況，且顯示結果應能夠表示出缺陷的當量大小，為此在該儀器軟件開發(fā)時又加入了彩帶圖功能。實驗室模擬檢測所產生的彩帶圖如圖8所示，模擬時共來回往復推動樣機掃查4次，每推動1次即模擬現實中掃查了1塊板材，故圖8所示中共顯出了4部分區(qū)域的檢測信號。每一塊板材背面都有3個缺陷，缺陷的當量大?。葱孤┑拇艌鰪姸鹊拇笮。┮圆煌念伾硎境鰜?，如紅色表示20%當量缺陷，青色表示80%當量缺陷，這樣即可直觀地看出每塊板材缺陷的當量大小。

圖6 試驗樣機與試板

圖7 試驗信號截屏

圖8 彩帶圖

同時，該儀器的軟件還可以準確地定位缺陷的位置，以坐標的形式表現出來，供檢測人員使用。試驗產生的部分缺陷的坐標值見表1，檢測完畢后打印該表即可逐一查找對應的缺陷。

5 結 語

板材質量需要時刻把控，市場目前急需一種智能化程度高，可減輕操作人員工作強度、檢測范圍較大的檢測儀器來替代現有的儀器。通過對磁化器參數進行優(yōu)化、多種磁敏感元件組合使用及調整其擺放姿態(tài)，得到了較好的檢測信噪比，保證了信號的精準度。利用無線傳輸技術將現有的漏磁檢測儀器模塊化，便于在各種復雜工況下應用，提高了檢測效率。同時，彩帶圖和缺陷定位功能直觀地顯示出檢測人員想要得出的結果，緩解了工作人員的工作壓力。最后通過實驗室的模擬試驗，得出該儀器具有可靠性和穩(wěn)定性的結論，適合在板材的檢測方面大規(guī)模使用。

表1 部分缺陷坐標值