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。
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
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)
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
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。
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
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]。
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。
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。