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        基于不同傳感器陣列的儲罐鋼板缺陷三維漏磁特征

        2020-10-12 07:03:04鞏文東張宏杰
        無損檢測 2020年9期
        關鍵詞:漏磁凹坑交叉

        鞏文東,楊 濤,連 超, 張宏杰

        ((1.山東職業(yè)學院, 濟南 250104;2.天津工業(yè)大學 機械工程學院, 天津 300387;3.中國科學院海洋研究所, 青島 266071)

        儲罐鋼板在長期腐蝕的作用下,會在表面形成各種缺陷,如果不能及時檢測出,將會導致罐體泄漏,引發(fā)火災、爆炸等事故,造成巨大的損失[1]。

        儲罐鋼板的無損檢測方法有渦流檢測、超聲檢測、漏磁檢測等[2]。渦流檢測對缺陷尺寸的量化精度較低[3];超聲檢測受制于耦合劑等因素,對近表面缺陷的識別較為困難[4];漏磁檢測技術具有結構簡單、檢測速度快等優(yōu)點,在儲罐鋼板的無損檢測中得到了較為廣泛的應用[5]。

        國內外學者在三維漏磁檢測領域已經做了一定研究。YONG等[6]在永久性磁鐵磁化方式下,用數(shù)值仿真和試驗的方法驗證了提取缺陷漏磁場的三維分量對非規(guī)則形狀缺陷進行識別的有效性;黃松嶺等[7]分析了三維漏磁信號的特點,并采用貝葉斯神經網(wǎng)絡對儲罐底板凹型缺陷進行了缺陷三維輪廓反演。

        以上研究主要基于單個傳感器檢測到的三維漏磁信號,并在缺陷反演算法上進行了改進,提高了量化精度。然而,由于缺陷實際形狀復雜,僅采用單個傳感器難以全面檢測缺陷處的漏磁場[8]。

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

        1 數(shù)據(jù)采集裝置與勵磁結構

        采樣基于ARM(進階精簡指令集機器)內核的STM32F103ZET6單片機,設計嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置,如圖1所示,數(shù)據(jù)采集裝置由獨立的鋰電池供電,不依賴外部電源。采用MLX90393三維磁傳感器進行漏磁場檢測,將檢測到的三維漏磁場數(shù)據(jù)實時顯示到觸摸屏,并保存至TF存儲卡??赏ㄟ^觸摸屏設置采樣分辨率、采樣時間等參數(shù)。

        圖1 數(shù)據(jù)采集裝置硬件框圖

        勵磁裝置的結構如圖2所示,永磁體為汝鐵硼N52,寬度為80 mm,長度為60 mm,厚度為18 mm;軛鐵為Q235碳素鋼,寬度為90 mm;鋼刷長度、寬度均與永磁體的一致,以減小永磁體與被測鋼板之間的氣隙,提高勵磁強度;被測鋼板為Q235碳素鋼,厚度為10 mm。

        圖2 勵磁裝置結構示意

        2 傳感器陣列設計

        MLX90393三維磁傳感器用于測量3個維度中+/-150 mT磁場范圍內的場強,與ARM單片機之間采用同步串行接口(SPI)方式進行通信,實現(xiàn)16位的高精度輸出。集成溫度檢測模塊,可對不同溫度下的檢測數(shù)據(jù)進行補償。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

        陣列設計如圖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 陣列設計示意

        圖4最左側為直線陣列,由5個三維磁傳感器組成,依次等間距排列;中間為環(huán)形陣列,由8個三維磁傳感器構成;最右側為交叉陣列,由5個傳感器構成,水平傾角為45°。

        勵磁裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與磁傳感器陣列搭載在小車上,小車由步進電機驅動,按照設定速度勻速通過凹坑缺陷的正上方,試驗平臺現(xiàn)場如圖5所示。

        圖5 試驗平臺現(xiàn)場

        3 不同陣列下三維漏磁信號分析

        3.1 檢測方法

        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、交叉陣列進行檢測,凹坑缺陷檢測方法如圖6所示,陣列的中心與凹坑缺陷的中心連線,與小車的行進方向一致。

        圖6 凹坑缺陷檢測方法示意

        3.2 直線陣列

        直線陣列的x軸方向與小車行進方向一致,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,測得的三維漏磁信號如圖7所示。

        圖7 直線陣列三維漏磁信號示意

        從圖7可以看出,3號傳感器的漏磁場幅度最大,這是由于3號傳感器剛好經過缺陷的正中心??蓪?號傳感器的信號作為主漏磁信號,采用常規(guī)的提取方法,提取波峰、波寬、一個波動內的波形面積、短時能量、一次微分信號的峰谷距離等特征值。將其余漏磁信號作為次漏磁信號,提取次漏磁信號與主漏磁信號之間的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,測得的三維漏磁信號如圖8所示。

        圖8 環(huán)形陣列三維漏磁信號示意

        圖9 漏磁信號變化率示意

        3.4 交叉陣列

        交叉陣列的x軸與小車行進方向成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,測得的三維漏磁場信號如圖10所示。

        圖10 交叉陣列三維漏磁信號

        交叉陣列同樣可以在缺陷上方形成面域的檢測,同時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、車輪偏心等引起的擾動[9]。

        3.5 漏磁信號分析

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

        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40個缺陷凹坑樣本。缺陷樣板如圖11所示。

        圖11 缺陷樣板

        對x,y,z向主漏磁信號進行特征值提取,如表1所示。

        表1 主漏磁信號特征值

        提取直線陣列次漏磁信號與主漏磁信號之間的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的x,y,z軸方向的漏磁信號波峰,dcn為直線陣列中第n個傳感器與主漏磁信號傳感器的距離。

        通過以上方法提取了三維霍爾傳感器陣列所檢測漏磁場的特征數(shù)據(jù)集,然后分別采用三層BP神經網(wǎng)絡進行訓練。采用S型激活函數(shù),輸入層的節(jié)點數(shù)與各陣列提取的特征值數(shù)量相同,隱含層節(jié)點數(shù)量與輸入層節(jié)點數(shù)量相同,輸出層為2個節(jié)點,分別對應缺陷直徑和缺陷深度。

        為加快神經網(wǎng)絡的收斂速度,同時減小數(shù)值量綱對訓練精度的影響,采用線性轉換算法對輸入特征量進行歸一化處理,歸一至區(qū)間[0,1]。采用交叉有效性檢驗的方法進行神經網(wǎng)絡訓練。測試結果表明,直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列直徑檢測的最大絕對誤差分別為3.01,2.73,3.96 mm,深度檢測的最大絕對誤差分別為1.73,2.97,1.48 mm。

        4 結語

        筆者設計了基于三維磁傳感器的直線陣列、交叉陣列及環(huán)形陣列,對儲罐鋼板實施漏磁檢測,通過試驗研究分析,得出各陣列下的漏磁信號有以下特點。

        (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特征值信息。其中環(huán)形陣列和交叉陣列可以形成任意時刻面域的檢測,獲取磁場的平面變化特征。交叉陣列還能夠抑制外部擾動。

        (2)根據(jù)直線陣列、環(huán)形陣列、交叉陣列得出漏磁場特征信息,通過BP神經網(wǎng)絡建立數(shù)學模型,結果表明,環(huán)形陣列對直徑的檢測精度最高,交叉陣列對深度的檢測精度最高。

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