王曉惠，馮彩英，徐忠根

(商丘工學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

0 引言

目前我國工業(yè)制造業(yè)快速發(fā)展，各行業(yè)生產(chǎn)已逐步實現(xiàn)機(jī)械化操作。在機(jī)械設(shè)備中，發(fā)動機(jī)是十分重要的一個組成部分，發(fā)動機(jī)決定著機(jī)械設(shè)備的啟動工作，其質(zhì)量也直接關(guān)系到機(jī)器的整體性能[1-2]。發(fā)動機(jī)的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中，葉片是發(fā)動機(jī)必不可少的組成部分，葉片的質(zhì)量決定著發(fā)動機(jī)運行的安全程度，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的使用壽命。由于葉片長期處于飛速旋轉(zhuǎn)的高溫高壓狀態(tài)，且工作時間長，產(chǎn)生的熱量難以消散，葉片很容易產(chǎn)生疲勞裂紋，這些裂紋將會對發(fā)動機(jī)的安全運行造成潛在威脅，一旦在工作過程中發(fā)生葉片脫落飛出，將會造成機(jī)械設(shè)備或電路的損壞甚至對工作人員造成人身傷害[3-4]。因此，對發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行詳細(xì)具體的定期檢測非常重要，我國目前也十分重視在發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測方面的研究。

對發(fā)動機(jī)葉片裂紋的檢測方法一般有兩種：破壞性檢測和非破壞性檢測。破壞性檢測需要將發(fā)動機(jī)的故障葉片拆解下來，在實驗室進(jìn)行精細(xì)的實體檢測；非破壞性檢測則不需要毀壞發(fā)動機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)，通過觀察記錄發(fā)動機(jī)運行時葉片產(chǎn)生的聲音、雜質(zhì)、熱量、電力消耗等情況，利用實驗對其進(jìn)行磁場、溫度、噪聲等干擾，記錄葉片不同情況產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，對比研究對葉片裂紋情況進(jìn)行分析檢測。而這兩種方法都具有一定程度的缺陷，破壞性檢測容易造成發(fā)動機(jī)葉片的直接損毀，而非破壞性檢測會因為數(shù)據(jù)誤差或分析方向錯誤使安全隱患沒有解決，進(jìn)而造成日后的故障事故[5-6]。

基于對傳統(tǒng)檢測方法的研究，本文設(shè)計了一種基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)，將葉片檢測技術(shù)與Harris-SUSAN算法的定位技術(shù)和興趣區(qū)域池化的操作技能相結(jié)合，使檢測精準(zhǔn)性能夠達(dá)到超過網(wǎng)絡(luò)操作準(zhǔn)確度的一個高水平。

1 基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

發(fā)動機(jī)葉片裂紋一般呈細(xì)長狀分布，因此本文選用了Harris-SUSAN算法中的anchor算法，并根據(jù)發(fā)動機(jī)葉片檢測的特征進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，提高了檢測程序的精確度和適配度[7-8]。通過利用Harris算法的角點檢測技術(shù)對發(fā)動機(jī)葉片裂紋部分進(jìn)行全方位的多點動態(tài)追蹤，最后匹配成一幅較為完整詳細(xì)的裂紋分布狀況圖，有利于檢測更準(zhǔn)確順利地進(jìn)行。同時還增加了對發(fā)動機(jī)葉片的聲像同步的檢測，大大提高了檢測的精準(zhǔn)性。Harris算法的應(yīng)用在提高檢測準(zhǔn)確度的同時，也對檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)備載體性能提出了較高要求[9-10]。為此，本文也針對檢測系統(tǒng)的硬件裝置進(jìn)行了加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計。硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為傳感器及旋轉(zhuǎn)電磁激勵臺結(jié)構(gòu)兩部分，其中，通過脈沖消磁電路產(chǎn)生方波、整形，通過濾波放大電路實現(xiàn)傳感器電壓信號的檢測；通過退火低碳鋼作為旋轉(zhuǎn)激勵臺的線圈鐵芯，通過功率放大芯片 TDA2030 實現(xiàn)激勵臺的旋轉(zhuǎn)磁化。

1.1 傳感器設(shè)計

在檢測系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)信息接收和傳輸?shù)闹匾考莻鞲衅?。發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行檢測時，傳感器受到電磁波激勵進(jìn)行圖像聲音等檢測信號的接收，并向系統(tǒng)的控制裝置傳輸接收到的信號信息。為了滿足檢測信息的精準(zhǔn)全面，可適當(dāng)增加電磁波線圈激勵裝置，提高檢測裝置的工作能量支持，以便葉片表面裂紋的細(xì)小部分也能夠清晰地檢測到。同時也減少了不必要的部分占據(jù)傳感器空間，在一定程度上簡化了傳感器的硬件設(shè)備組成，提高了信息檢測性能的同時有利于傳感器裝置的小型化設(shè)計。

由于對發(fā)動機(jī)葉片裂紋進(jìn)行檢測之前，裂紋分布情況處于未知狀態(tài)，該系統(tǒng)的傳感器還設(shè)計了三維空間磁場檢測裝置，在傳感器裝置外部增加三維方向的空間磁場感應(yīng)器。通過利用傳感器中高靈敏度的二軸霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)元件，確定水平與垂直方向范圍內(nèi)的磁場分布與變化情況，獲取檢測對象三維方向的空間磁場信息，便可以對葉片裂紋的分布情況有大致的了解[11-12]。

二軸霍尼韋爾各向異性磁阻傳感器元件是按照四元惠斯通電橋進(jìn)行的配置，能夠?qū)⒋艌鰪?qiáng)度轉(zhuǎn)化為傳感器承受范圍內(nèi)的電壓，并分次序進(jìn)行電壓輸出。而且它的靈敏度很高能夠檢測并轉(zhuǎn)換低于30 μGauss的磁場[13]。傳感器磁阻HMC 1022的封裝/引腳如圖2所示。

圖2 HMC 1022的封裝/引腳

對于傳感器磁阻HMC1022 的一些主要技術(shù)參數(shù)，線性誤差為0.5%，滯后誤差為0.07%；靈敏度可達(dá)到1 mV/Gauss；分辨力一般為85 μGauss。由此可見該傳感器磁阻的性能之高，極大地增強(qiáng)了傳感器裝置的續(xù)航持久力和裝置結(jié)構(gòu)的小型化、便捷化程度[14]。

為了消除外界磁場對磁阻元件磁場信號的采集，本文還為二軸霍尼韋爾各向異性磁阻元件設(shè)置了脈沖消磁電路，實現(xiàn)了磁阻磁場信號的完整獲取，而且對磁阻的靈敏度和其他方面性能沒有影響。脈沖消磁電路主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生方波、整形、消磁等主要工作，通過NE555 芯片產(chǎn)生部分方波，然后方波會經(jīng)過SN74CH04CN 芯片的組成電路并完成整形環(huán)節(jié)，之后開啟大功率三極管增大電路電流進(jìn)行放大，最后通過IRF7106效應(yīng)管進(jìn)行消磁，經(jīng)過這些步驟之后，便能夠得到脈沖消磁電路。

脈沖消磁電路如圖3所示。

圖3 脈沖消磁電路

二軸霍尼韋爾各向異性磁阻元件在處理磁場信號過程中的電路還需采用AD620放大器和UA740運算放大器，磁阻在對磁場信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化拆分時，需要放大信號才能具體地進(jìn)行分解。信號拆分首先要經(jīng)過AD620放大器進(jìn)行第一次放大，然后進(jìn)行無源濾波，之后采用UA740運算放大器進(jìn)行兩次連續(xù)濾波放大，即可得到應(yīng)用到檢測傳感器的電壓信號。

濾波放大電路如圖4所示。

圖4 濾波放大電路

由于線圈感應(yīng)電流的能力較為微弱，為了增強(qiáng)電流感應(yīng)能力，可在傳感器電路線圈中加入磁芯，使原本的線圈能夠直接與二軸霍尼韋爾各向異性磁阻元件聯(lián)系在一起，組成集合形式的檢測探頭。這種結(jié)果設(shè)計不僅節(jié)省了電流轉(zhuǎn)換時間和傳感器電阻裝置的空間占用比例，而且減少了電流不必要的浪費，有利于傳感器結(jié)構(gòu)的完整性和適應(yīng)性[15]。

1.2 旋轉(zhuǎn)電磁激勵臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于傳感器檢測裝置需要電磁激勵臺對檢測工作提供能量支持，本文基于對傳統(tǒng)的電磁激勵裝置組成原理的研究，設(shè)置了旋轉(zhuǎn)電磁激勵臺裝置。該裝置根據(jù)線圈通電產(chǎn)生磁場的原理進(jìn)行優(yōu)化，增加了非破壞性檢測的外部激勵裝置，同時還增加了對檢測系統(tǒng)內(nèi)部空間的磁場轉(zhuǎn)換功能。優(yōu)化后的電磁激勵裝置能夠根據(jù)磁場的分布和變化情況、方向、強(qiáng)度等方面對檢測裝置內(nèi)部進(jìn)行固定方向的磁場轉(zhuǎn)化。由于激勵臺線圈與磁阻元件進(jìn)行了直接的連接，使檢測系統(tǒng)中的磁場能夠形成一個近乎均勻的磁場分布狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)激勵臺線路內(nèi)部鐵芯的選擇也有較高的要求，由于檢測工作一般在低頻狀態(tài)下實現(xiàn)，鐵氧體一般應(yīng)用于高頻狀態(tài)，在低頻情況下導(dǎo)致磁場傳導(dǎo)效率降低，因此應(yīng)選用適用于低頻環(huán)境的退火低碳鋼來作為旋轉(zhuǎn)激勵臺的線圈鐵芯。

發(fā)動機(jī)的葉片一般為曲面不規(guī)則形狀，還有葉尖、榫頭等不規(guī)則形狀的零件，這使其無法很好地固定在監(jiān)測裝置的激勵臺上，因此，本文在激勵臺上增加了固定裝置結(jié)構(gòu)。根據(jù)磁阻元件所處的低頻環(huán)境，選取了退火低碳鋼金屬板，以保證磁阻傳導(dǎo)的正常進(jìn)行。夾板形狀需根據(jù)發(fā)動機(jī)葉片的形狀和弧度進(jìn)行打磨，形成一個能夠與葉片曲面完整貼合的固定夾板，夾板周圍選用高強(qiáng)度的螺絲進(jìn)行固定，以增強(qiáng)固定裝置的可靠性。

激勵臺驅(qū)動的外部驅(qū)動電路需要采用推挽形式的功率放大芯片 TDA2030 驅(qū)動線圈來實現(xiàn)激勵臺的旋轉(zhuǎn)磁化。

2 基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件部分，首先基于Harris-SUSAN算法對裂紋進(jìn)行提取，通過損失函數(shù)對發(fā)動機(jī)葉片上方金屬磁場分解，提取金屬板出現(xiàn)裂紋時所引起的擾動磁場，通過三維渦流法分析磁場強(qiáng)度，帶入損失函數(shù)判斷發(fā)動機(jī)是否存在裂紋，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計。

2.1 基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋提取

發(fā)動機(jī)的葉片構(gòu)成十分復(fù)雜，當(dāng)葉片上出現(xiàn)微小的裂紋時，傳統(tǒng)的方法很難檢測到，Harris 算子是一種點特征提取算子，能夠簡化計算步驟，在計算過程中僅僅需要應(yīng)用灰度一階查分濾波。通過Harris 算子提取的點特征十分均勻，通過計算興趣值確定最優(yōu)點，計算時只需要應(yīng)用一階導(dǎo)數(shù)，就可以得到穩(wěn)定的特征提取算子。綜上所述，本文應(yīng)用Harris-SUSAN算法設(shè)計發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件。

設(shè)定目標(biāo)物利用Harris-SUSAN算法建立損失函數(shù)：

(1)

其中:i表示訓(xùn)練集中的索引，pi表示目標(biāo)物概率。

將發(fā)動機(jī)葉片上方的葉片金屬磁場設(shè)定為H，對金屬磁場進(jìn)行分解，按照磁場類型分解成三部分，分解表達(dá)式為：

(2)

引入ANSOFT電磁場有限元分析軟件，通過離散化處理求解區(qū)域獲得不同的單元，利用數(shù)學(xué)計算法將模型的邊值問題轉(zhuǎn)化成泛函求極值問題。相比較于場量，位函數(shù)更容易建立邊界條件，因此需要根據(jù)磁力線分布確定磁通，確定函數(shù)后，加入邊界定解條件，從而獲得求解值。

2.2 發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示。

圖5 發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件工作流程

應(yīng)用三維渦流法對磁場強(qiáng)度進(jìn)行重新描述， 計算公式為：

H=Hp+▽·φ

(3)

H=Hp+▽·φ+T

(4)

其中:φ表示標(biāo)定磁位；Hp表示金屬葉片上不同邊的磁場強(qiáng)度；T表示對應(yīng)的金屬邊的矢量電位。分析葉片的導(dǎo)電區(qū)域和非導(dǎo)電區(qū)域，將交界面的矢量電位切分，獲得電位T的切向分量。在確定磁場強(qiáng)度H后，將公式(1)的損失函數(shù)帶入，獲得表達(dá)式為：

H(x,y,z)=H-L({pi},{ti})

(5)

裂紋判斷流程如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)軟件工作流程

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗步驟

為檢測本文研究的基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)工作效果，開展實驗。分別與傳統(tǒng)的基于圖像識別的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)、基于ACFM原理的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)進(jìn)行實驗對比。

實驗采用發(fā)動機(jī)葉片型號為NOVAScope6000，由于發(fā)動機(jī)的葉片表面是曲面，在不同位置存在的曲率不同，很難進(jìn)行三維建模和劃分網(wǎng)格，因此本文引入正弦函數(shù)曲線獲得磁紋密度，對葉片的裂紋進(jìn)行簡化，簡化結(jié)果如圖7所示。

圖7 發(fā)動機(jī)葉片裂紋相應(yīng)位置

發(fā)動機(jī)葉片裂紋會在金屬板上產(chǎn)生渦電流，不同的裂紋左右兩側(cè)的磁場都不同，因此會出現(xiàn)差分電壓。分別選用傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)同時對發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行感應(yīng)，得到發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)感應(yīng)電壓波形圖，判斷檢測系統(tǒng)的靈敏度；在此基礎(chǔ)上檢測裂紋波動幅值，得到監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.2 實驗結(jié)果

采用不同方法得到的感應(yīng)電壓波形圖如圖8～10所示。

圖8 基于圖像識別的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)感應(yīng)電壓波形圖

圖9 基于ACFM原理的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)感應(yīng)電壓波形圖

圖10 基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)感應(yīng)電壓波形圖

裂紋的感應(yīng)電壓隨著裂紋的深度、長度不同而出現(xiàn)改變，當(dāng)長度相同時，裂紋越深，感應(yīng)電壓波動越大；當(dāng)深度相同時，裂紋越長，感應(yīng)電壓波動越大。對比上述實驗結(jié)果，在一定范圍內(nèi)，傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)都會隨著裂紋深度和長度的增加而出現(xiàn)一定的電壓波動，但是波動范圍不同，本文提出的系統(tǒng)波動范圍更大，波動效果更明顯，更容易獲得檢測結(jié)果。

在確定感應(yīng)電壓波動結(jié)果后，選取三種系統(tǒng)分別對不同高度的裂紋波動幅值進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 缺陷信號峰值檢測結(jié)果

由表1可知，當(dāng)裂紋深度在0.00～0.40 mm之間，裂紋受到的外界干擾較小，三種系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率都相對較高，但是隨著裂紋深度增加到0.80 mm時，傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢測效果開始降低，本文系統(tǒng)的檢測結(jié)果仍然十分準(zhǔn)確，當(dāng)裂紋深度增加到2.4 mm時，葉片內(nèi)部裂紋的磁通量很大，檢測效果十分不明顯，傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)無法檢測到裂紋，而本文系統(tǒng)仍然能夠確定裂紋。根據(jù)上述實驗結(jié)果可以看出，本文研究的基于Harris-SUSAN算法的發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)在檢測靈敏度和準(zhǔn)確度上都高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于Harris-SUSAN算法發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)，對傳感器和激勵臺進(jìn)行了改造設(shè)計，使檢測裝置的準(zhǔn)確度得到很大提高，而且減少了能量消耗；旋轉(zhuǎn)激勵臺不僅能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而且保留了傳統(tǒng)方法中的單向磁場激勵功能。通過實驗也證明了這種葉片裂紋檢測系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)葉片裂紋的檢測有很好的魯棒性。本文設(shè)計的基于Harris-SUSAN算法發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測系統(tǒng)不僅提高了發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測的精準(zhǔn)性和完整性，而且對于葉片故障檢測領(lǐng)域的研究具有一定的指導(dǎo)意義。