鞏文東，楊 濤，連 超, 張宏杰

((1.山東職業(yè)學(xué)院, 濟(jì)南 250104；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387；3.中國科學(xué)院海洋研究所, 青島 266071)

儲(chǔ)罐鋼板在長(zhǎng)期腐蝕的作用下，會(huì)在表面形成各種缺陷，如果不能及時(shí)檢測(cè)出，將會(huì)導(dǎo)致罐體泄漏，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，造成巨大的損失[1]。

儲(chǔ)罐鋼板的無損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、漏磁檢測(cè)等[2]。渦流檢測(cè)對(duì)缺陷尺寸的量化精度較低[3]；超聲檢測(cè)受制于耦合劑等因素，對(duì)近表面缺陷的識(shí)別較為困難[4]；漏磁檢測(cè)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)罐鋼板的無損檢測(cè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。

國內(nèi)外學(xué)者在三維漏磁檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)做了一定研究。YONG等[6]在永久性磁鐵磁化方式下，用數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了提取缺陷漏磁場(chǎng)的三維分量對(duì)非規(guī)則形狀缺陷進(jìn)行識(shí)別的有效性；黃松嶺等[7]分析了三維漏磁信號(hào)的特點(diǎn)，并采用貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)儲(chǔ)罐底板凹型缺陷進(jìn)行了缺陷三維輪廓反演。

以上研究主要基于單個(gè)傳感器檢測(cè)到的三維漏磁信號(hào)，并在缺陷反演算法上進(jìn)行了改進(jìn)，提高了量化精度。然而，由于缺陷實(shí)際形狀復(fù)雜，僅采用單個(gè)傳感器難以全面檢測(cè)缺陷處的漏磁場(chǎng)[8]。

筆者設(shè)計(jì)了基于三維傳感器的直線陣列、交叉陣列及環(huán)形陣列，通過試驗(yàn)分析各陣列下的漏磁信號(hào)特點(diǎn)，并提取多傳感器信息融合后的漏磁信號(hào)特征值，從而挖掘出更多的隱含特征信息。

1 數(shù)據(jù)采集裝置與勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

采樣基于ARM(進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器)內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機(jī)，設(shè)計(jì)嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置，如圖1所示,數(shù)據(jù)采集裝置由獨(dú)立的鋰電池供電，不依賴外部電源。采用MLX90393三維磁傳感器進(jìn)行漏磁場(chǎng)檢測(cè)，將檢測(cè)到的三維漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到觸摸屏，并保存至TF存儲(chǔ)卡?？赏ㄟ^觸摸屏設(shè)置采樣分辨率、采樣時(shí)間等參數(shù)。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置硬件框圖

勵(lì)磁裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，永磁體為汝鐵硼N52，寬度為80 mm，長(zhǎng)度為60 mm，厚度為18 mm；軛鐵為Q235碳素鋼，寬度為90 mm；鋼刷長(zhǎng)度、寬度均與永磁體的一致，以減小永磁體與被測(cè)鋼板之間的氣隙，提高勵(lì)磁強(qiáng)度；被測(cè)鋼板為Q235碳素鋼，厚度為10 mm。

圖2 勵(lì)磁裝置結(jié)構(gòu)示意

2 傳感器陣列設(shè)計(jì)

MLX90393三維磁傳感器用于測(cè)量3個(gè)維度中+/-150 mT磁場(chǎng)范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)，與ARM單片機(jī)之間采用同步串行接口(SPI)方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)16位的高精度輸出。集成溫度檢測(cè)模塊，可對(duì)不同溫度下的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。微型方形扁平無引腳(QFN)封裝尺寸為3 mmX3 mm，配置好外圍器件后，印刷電路板(PCB)尺寸為14 mmX14 mm，體積小巧，適合布置陣列，三維磁傳感器外觀如圖3所示。

圖3 三維磁傳感器外觀

陣列設(shè)計(jì)如圖4所示，將三維磁傳感器固定在鋁制底板上，分別布置成直線陣列、環(huán)形陣列和交叉陣列。

圖4 陣列設(shè)計(jì)示意

圖4最左側(cè)為直線陣列，由5個(gè)三維磁傳感器組成，依次等間距排列；中間為環(huán)形陣列，由8個(gè)三維磁傳感器構(gòu)成；最右側(cè)為交叉陣列，由5個(gè)傳感器構(gòu)成，水平傾角為45°。

勵(lì)磁裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與磁傳感器陣列搭載在小車上，小車由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，按照設(shè)定速度勻速通過凹坑缺陷的正上方，試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)

3 不同陣列下三維漏磁信號(hào)分析

3.1 檢測(cè)方法

在材料為Q235碳素鋼的鋼板上，人工制造深度為6 mm，直徑為12 mm的圓形凹坑缺陷。然后分別采用直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列進(jìn)行檢測(cè)，凹坑缺陷檢測(cè)方法如圖6所示,陣列的中心與凹坑缺陷的中心連線，與小車的行進(jìn)方向一致。

圖6 凹坑缺陷檢測(cè)方法示意

3.2 直線陣列

直線陣列的x軸方向與小車行進(jìn)方向一致，y軸方向與磁化方向一致，z軸正方向垂直于xy平面且向上，測(cè)得的三維漏磁信號(hào)如圖7所示。

圖7 直線陣列三維漏磁信號(hào)示意

從圖7可以看出，3號(hào)傳感器的漏磁場(chǎng)幅度最大，這是由于3號(hào)傳感器剛好經(jīng)過缺陷的正中心?？蓪?號(hào)傳感器的信號(hào)作為主漏磁信號(hào)，采用常規(guī)的提取方法，提取波峰、波寬、一個(gè)波動(dòng)內(nèi)的波形面積、短時(shí)能量、一次微分信號(hào)的峰谷距離等特征值。將其余漏磁信號(hào)作為次漏磁信號(hào)，提取次漏磁信號(hào)與主漏磁信號(hào)之間的x向、y向、z向的環(huán)向微分寬度。

3.3 環(huán)形陣列

環(huán)形陣列的x軸方向與小車行進(jìn)方向一致，y軸方向與磁化方向一致，z軸正方向垂直于xy平面且向上，測(cè)得的三維漏磁信號(hào)如圖8所示。

圖8 環(huán)形陣列三維漏磁信號(hào)示意

圖9 漏磁信號(hào)變化率示意

3.4 交叉陣列

交叉陣列的x軸與小車行進(jìn)方向成45°，y軸方向與磁化方向成45°，z軸正方向同樣垂直于xy平面且向上，測(cè)得的三維漏磁場(chǎng)信號(hào)如圖10所示。

圖10 交叉陣列三維漏磁信號(hào)

交叉陣列同樣可以在缺陷上方形成面域的檢測(cè)，同時(shí)由于傳感器布置的角度不同，通過濾波算法能夠有效的抑制因振動(dòng)、車輪偏心等引起的擾動(dòng)[9]。

3.5 漏磁信號(hào)分析

單一的三維霍爾傳感器只能從缺陷的上方進(jìn)行“線”的掃查，而通過陣列能夠?qū)崿F(xiàn)“面”的掃查，因此能獲取更多的漏磁信號(hào)特征值。將同一缺陷被陣列傳感器檢測(cè)到的漏磁信號(hào)分為兩類，一類為主漏磁信號(hào)，為陣列中漏磁信號(hào)特征最明顯的信號(hào)；一類為次漏磁信號(hào)，為陣列中有漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)但是特征不是最明顯的信號(hào)。試驗(yàn)中由于直線陣列、環(huán)形陣列和交叉陣列的中心線從缺陷中心經(jīng)過，因此直線陣列的3號(hào)傳感器、環(huán)形陣列的3號(hào)傳感器(3號(hào)和7號(hào)傳感器均從缺陷正上方經(jīng)過，3號(hào)特征更為明顯)、交叉陣列的2號(hào)傳感器檢測(cè)到的漏磁信號(hào)為主漏磁信號(hào)，其余信號(hào)為次漏磁信號(hào)。

在鋼板表面人為制造了不同深度，不同直徑的圓形缺陷凹坑，直徑分別為18，16，14，12，10，8，6，4 mm；深度分別為10，8，6，4，2 mm，共計(jì)40個(gè)缺陷凹坑樣本。缺陷樣板如圖11所示。

圖11 缺陷樣板

對(duì)x,y,z向主漏磁信號(hào)進(jìn)行特征值提取，如表1所示。

表1 主漏磁信號(hào)特征值

提取直線陣列次漏磁信號(hào)與主漏磁信號(hào)之間的x向、y向、z向的平均環(huán)向微分寬度，dwx,dwy,dwz。

(1)

(2)

(3)

式(1)(3)中，xcn,ycn,zcn分別為陣列中閾值內(nèi)的x,y,z軸方向的漏磁信號(hào)波峰，dcn為直線陣列中第n個(gè)傳感器與主漏磁信號(hào)傳感器的距離。

通過以上方法提取了三維霍爾傳感器陣列所檢測(cè)漏磁場(chǎng)的特征數(shù)據(jù)集，然后分別采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。采用S型激活函數(shù)，輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)與各陣列提取的特征值數(shù)量相同，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量與輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，輸出層為2個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)缺陷直徑和缺陷深度。

為加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，同時(shí)減小數(shù)值量綱對(duì)訓(xùn)練精度的影響，采用線性轉(zhuǎn)換算法對(duì)輸入特征量進(jìn)行歸一化處理，歸一至區(qū)間[0,1]。采用交叉有效性檢驗(yàn)的方法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。測(cè)試結(jié)果表明，直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列直徑檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差分別為3.01，2.73，3.96 mm，深度檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差分別為1.73，2.97，1.48 mm。

4 結(jié)語

筆者設(shè)計(jì)了基于三維磁傳感器的直線陣列、交叉陣列及環(huán)形陣列，對(duì)儲(chǔ)罐鋼板實(shí)施漏磁檢測(cè)，通過試驗(yàn)研究分析，得出各陣列下的漏磁信號(hào)有以下特點(diǎn)。

(1)直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列均可以得到更多的漏磁信號(hào)特征值信息。其中環(huán)形陣列和交叉陣列可以形成任意時(shí)刻面域的檢測(cè)，獲取磁場(chǎng)的平面變化特征。交叉陣列還能夠抑制外部擾動(dòng)。

(2)根據(jù)直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列得出漏磁場(chǎng)特征信息，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，環(huán)形陣列對(duì)直徑的檢測(cè)精度最高，交叉陣列對(duì)深度的檢測(cè)精度最高。