楊蕓，李龍，蔡翔，康宜華

(1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

鐵磁性材料在國民工業(yè)有廣泛的應用與重要地位，其所制成的管道、壓力容器、安全部件被廣泛應用于石油、化工、交通等諸多領域。這些承壓部件服役環(huán)境較為嚴苛，一旦失效會對人身財產安全帶來巨大損失。為適應全球化制造的質量要求，及時發(fā)現(xiàn)部件缺陷、損傷及失效問題，發(fā)展高效可靠的無損檢測技術勢在必行[1-4]。生產實踐中，熒光磁粉探傷因其具有高靈敏度、低成本等優(yōu)點，廣泛應用于鐵磁性材料表面及其近表面缺陷的檢測，但相關設備仍為半自動化狀態(tài)，磁懸液品質為人工定期取樣檢測，缺陷磁痕依賴人工主觀判別，部分磁痕圖像智能判別應用仍處于研究階段，且沒有統(tǒng)一量化的磁痕圖像質量評價參量[5]。因此，其工作效率、一致性、可靠性一直困擾著產業(yè)界。隨著人工成本的快速上升和對承壓部件無損探傷可靠性要求的不斷提高，基于磁痕圖像特征參量判別的自動化磁粉探傷技術越來越重要[6-7]。人眼對磁粉成像的要求較低，長期以來，對裂紋產生的、人工可見的磁痕沒有提出量化的圖像評價指標，缺陷判定依賴主觀判斷。但是，自動化識別時，缺陷磁痕圖像質量的量化評價尤顯重要，它是實現(xiàn)計算機可靠評判的基礎，因此本文首先提出能量化評價磁痕圖像質量的特征參量。由于熒光磁粉探傷工作環(huán)境的影響，磁懸液的品質會因循環(huán)使用而引起雜質摻入以及磁粉濃度的改變，直接影響探傷精度和結果可靠性，而圖像的質量取決于磁痕質量，磁痕的形成與磁懸液中磁粉濃度和其穩(wěn)定性直接相關[8-10]。

本文基于提出的磁痕圖像量化評價參量，通過實驗，對磁懸液中磁粉濃度Nr以及非熒光鐵磁性金屬顆粒雜質濃度Nf對磁痕圖像質量的影響進行分析，得到磁懸液摻雜情況下的最優(yōu)磁粉濃度，并給出磁懸液品質的磁粉濃度補償關系。并設計了穩(wěn)定磁粉濃度的磁懸液測量與控制裝置，確保自動化磁粉探傷的精度和磁痕圖像質量的穩(wěn)定性。

1 磁痕圖像的評價參量

在人工熒光磁粉探傷中，磁痕圖像的評價受檢測人員主觀判斷的影響，難以定量分析。圖1為4種裂紋磁痕的拍攝圖像，背景過強、磁痕顯示不全、背景干擾過多等會直接導致磁痕圖像自動化識別的漏檢和誤檢，磁痕圖像質量的穩(wěn)定性直接決定著熒光磁粉探傷結果的可靠性[11]。本文提出一組可用于量化評價磁痕圖像質量的特征參量。

圖1 不同裂紋缺陷的磁痕顯影Fig.1 Magnetic indications of different crack defects

目前常規(guī)拍攝的磁痕圖像是平面成像，裂紋形成的磁痕寬度值較其實際寬度值明顯偏大，且現(xiàn)有技術上難以從圖像中測量磁痕堆積的高度和填充度，提取有效特征參數(shù)使其可運用于圖像識別成為自動化磁粉探傷當前研究的熱點之一[12-13]。在拍攝圖像中，裂紋磁痕的圖像特征主要表現(xiàn)為像素點和線條。從物理的“裂紋”到中間介質熒光磁粉形成的“磁痕”，再到數(shù)字圖像中的“磁痕圖像”，機器識別裂紋時主要關注裂紋在圖像中的長度、占空比、灰度值和對比度。

2 磁懸液品質對磁痕圖像質量的影響

理想情況或嚴格實驗室環(huán)境下，磁懸液不含有雜質。然而，實際運行環(huán)境中，受到工件表面殘留物、外部空氣對流等多種因素影響，磁懸液會摻入非熒光雜質。其中，非金屬粉末雜質因為沒有磁性對磁痕形成影響較小，而鐵磁性金屬粉末雜質對磁痕形成有直接的影響，且由于行業(yè)差異，雜質濃度波動范圍較大，從航空業(yè)到冶金鑄造業(yè)，雜質濃度的變化范圍為1～40 mL/L。故本文主要針對非熒光鐵磁性金屬粉末顆粒的摻入展開研究。針對上述情況，本文制備無雜質及摻雜磁性顆粒2種磁懸液，磁懸液在梨形測定管沉淀0.5 h后的狀況如圖2所示。摻入的磁性雜質通過磁懸液噴淋循環(huán)系統(tǒng)攪拌后和基礎熒光磁粉均勻混合在一起，不但造成磁懸液磁粉濃度測量失效，而且會造成磁懸液水性載液受到交叉污染，增加磁懸液的濁度Pzd，嚴重到一定程度后就會直接影響磁痕的形成以及磁痕圖像質量[14-16]。

圖2 沉淀0.5 h后的磁懸液Fig.2 Magnetic suspension after half an hour of precipitation

為研究非熒光鐵磁性金屬顆粒雜質濃度Nf對(簡稱雜質濃度)對拍攝圖像的影響，本文搭建了如圖3所示的實驗平臺，采用磁粉與四氧化三鐵粉混合，進行磁懸液品質影響實驗。

圖3 磁粉探傷實驗平臺Fig.3 Experiment platform of magnetic particle inspection

采用單一變量法分別配置不同磁粉濃度情況下，對應的多組雜質濃度的磁懸液。結合實際應用中的人工探傷經驗，磁懸液無摻雜情況下的磁粉濃度為基礎磁粉濃度Nref，且最佳的基礎磁粉濃度范圍為3～4 mL/L。因此為了更全面的研究雜質濃度的影響，本文實驗中配置的磁粉濃度范圍為2～5 mL/L，雜質濃度選取范圍比經驗值更大，為0.5～50 mL/L。

通過電荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)攝像系統(tǒng)拍攝標準試片上裂紋的照片，光照條件為紫外線強度4 000 μW/cm2，環(huán)境白光不大于2 Lux，計算每幅圖像中的特征參量，進行定量分析。攝像系統(tǒng)CCD的感光度(ISO)設置為100、光圈為F∶1.5、曝光時間為1/15 s。

2.1 雜質濃度對缺陷磁痕圖像的影響

基于圖3的磁粉探傷實驗平臺，首先研究基礎磁粉濃度為4 mL/L時，雜質濃度范圍在0.5～50 mL/L變化時，磁粉探傷標準試片上的缺陷磁痕圖像變化情況。采用Matlab對各實驗條件下得到的缺陷磁痕圖像進行灰度化處理并提取圖像對應的特征參量，各評價參量的實驗值總結如表1所示。本文紋長Lc為裂紋的像素長度；紋長占空比Rlc為裂紋像素長度與裂紋物理總長之比；磁痕亮度的絕對值為磁痕灰度Gc；磁痕對比度Rgc為磁痕亮度的相對值。紋長、紋長占空比隨磁懸液摻雜濃度的變化曲線如圖4(a)所示，磁痕灰度值、磁痕對比度隨摻雜濃度的變化曲線如圖4(b)所示。

表1 不同雜質濃度下的磁痕圖像參數(shù)Table 1 The image evaluation parameters of magnetic marks at different Nf

以上實驗結果表明，隨著雜質濃度的增加，缺陷磁痕圖像的紋長、紋長占空比、磁痕灰度、磁痕對比度均單向遞減，具體為：雜質濃度Nf≤1 mL/L時，磁痕圖像的特征參數(shù)變化緩慢；雜質濃度在1～15 mL/L時，各圖像的特征參數(shù)呈現(xiàn)出快速衰減的趨勢；當雜質濃度高于15 mL/L時，各特征參數(shù)變化趨勢趨于平緩，且缺陷磁痕圖像質量變差、無法有效識別。

2.2 不同基礎磁粉濃度下雜質濃度的影響規(guī)律驗證

為進一步驗證不同基礎磁粉濃度情況下，上述摻雜濃度對磁痕圖像各特征參量的影響規(guī)律，增加了基礎磁粉濃度分別為2、3、4及5 mL/L這4種情況下，雜質濃度Nf在0.5～3 mL/L改變時的熒光磁粉探傷實驗。如同表1，經圖像處理得到不同基礎磁粉濃度和雜質濃度下的缺陷磁痕圖像特征參數(shù)，并將這些特征參數(shù)分別匯總得到圖5所示的關系曲線。

圖5 圖像特征參數(shù)與基礎磁粉濃度和雜質濃度的關系曲線Fig.5 Relationship of image evaluation parameters and Nf at different Nref

由于受圖像拾取和白光等環(huán)境因素的干擾，圖5中部分特征參量值有一定的誤差，導致曲線出現(xiàn)拐點，需要在未來的研究中優(yōu)化圖像識別技術及抗環(huán)境干擾能力。但從各特征參數(shù)的整體變化曲線仍可發(fā)現(xiàn)，在不同的基礎磁粉濃度下，雜質濃度對磁痕圖像評價參量的影響規(guī)律是一致的：當雜質濃度Nf增加時，圖像的裂紋長度Lc,占空比Gc,磁痕灰度值Rlc，背景灰度值Rlb以及對比度Rgc各項特征參量整體呈現(xiàn)下降趨勢，裂紋磁痕圖像的質量下降，裂紋的識別能力下降。尤其值得注意的是，當基礎磁粉濃度Nref為2 mL/L和3 mL/L時，磁痕圖像各項特征參數(shù)值隨雜質濃度的增加較快下降，磁痕圖像質量較快變差。相同雜質濃度情況下，基礎磁粉濃度越大，磁痕圖像抗雜質的能力越強。由上可知，基礎磁粉濃度和雜質濃度的增加會引起磁痕圖像質量不同的變化趨勢，但當磁粉濃度為5 mL/L時，隨著磁懸液中雜質濃度的增加，磁痕圖像各特征參數(shù)變化非常緩慢，為磁懸液摻雜情況下的最優(yōu)熒光磁粉濃度。

3 摻雜磁懸液的磁粉濃度補償關系

實際探傷過程中，磁懸液采取在線循環(huán)使用的方式，磁懸液中磁粉濃度會隨著工件移動帶走磁粉或者帶入粉塵、金屬屑等雜質，進而使原有設定的磁粉濃度和雜質濃度發(fā)生改變。現(xiàn)常用的磁粉探傷設備沒有實時檢測磁懸液中磁粉濃度及雜質濃度的變化，只能根據(jù)檢測人員主觀判斷或者定期更換磁懸液來調整濃度[17-18]。為了保證磁粉探傷結果的穩(wěn)定性，將磁懸液中雜質對檢測結果的影響降到最小，即將磁痕圖像的對比度和裂紋長度補償?shù)綗o雜質時的狀態(tài)，還需要研究摻雜磁懸液情況下的磁粉濃度如何補償。因此全面自動化的磁粉探傷中，為了確保最優(yōu)的探傷參數(shù)，必須實時監(jiān)測磁粉濃度及其它雜質粒子濃度，結合磁粉和雜質濃度的變化，通過補償磁粉濃度實現(xiàn)自動控制，保證磁懸液在最優(yōu)磁粉濃度狀態(tài)，提高磁粉探傷結果的可靠性。

不含雜質時，裂紋磁痕圖像質量只與磁粉濃度有關，當熒光磁粉濃度在3～4 mL/L的時候，磁痕圖像最佳，工業(yè)應用中初始磁懸液的磁粉濃度也按照這個經驗值配置，本文將此濃度下的磁痕圖像質量作為磁懸液摻雜情況下的磁粉濃度補償參考基準。實際磁粉探傷中，被測零件一般會經過前處理工序，磁懸液在線循環(huán)使用中，雜質濃度不大于2 mL/L(高于此值時，需要直接更換整個磁懸液)。為此，僅實驗基礎濃度Nref在3～4 mL/L、雜質濃度Nf在0～2 mL/L的情況，以濃度補償后磁痕圖像的裂紋長度、對比度與無雜質時的偏差值在±5%以內為補償標準，最終得到在不同基礎磁粉濃度下，引入了不同的雜質濃度以后，需要補償?shù)拇欧蹪舛?，尋找最?yōu)的補償磁粉濃度值。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，匯總得到摻雜磁懸液的磁粉濃度補償曲線，如圖6所示。

圖6 摻雜磁懸液的磁粉濃度補償曲線Fig.6 Magnetic powder concentration compensation curves of doped magnetic suspension

由以上磁粉濃度補償曲線可以看出，在不同的基礎磁粉濃度下，摻雜磁懸液的磁粉濃度補償量與雜質濃度呈近似線性關系。由于實際檢測中，磁懸液品質是在隨機變化的，對以上結果進一步擬合得到了磁粉濃度補償量Ncom與基礎磁粉濃度Nref和雜質濃度Nf之間的關系：

Ncom=(0.1Nref+0.7)Nf-0.8Nref+3.3

(1)

結合摻雜磁懸液的磁粉濃度補償關系式，可以更好的實現(xiàn)自動化磁粉探傷中磁懸液品質的補償控制，保證缺陷磁痕圖像的質量及穩(wěn)定性。

4 磁懸液品質測量與控制裝置

為實現(xiàn)磁粉濃度的自動檢測與補償，首先需要對磁懸液中的各顆粒濃度進行測量?，F(xiàn)行磁粉探傷中，采用如圖2所示的梨形測定管人工、定時測量磁懸液的狀態(tài)。磁懸液狀態(tài)只會發(fā)生以下變化[19]：1)隨檢測零件數(shù)量的增加而磁粉濃度持續(xù)減少；2)長久使用后細菌繁殖并產生異味，濁度增大；3)帶入了金屬顆粒；4)帶入了非金屬顆粒。其中，鐵磁性金屬顆粒對磁痕顯影有直接影響，而其他粉塵濃度決定更換磁懸液的時間。為實現(xiàn)磁懸液品質自動補償技術，需要實時監(jiān)測磁懸液的各類顆粒的濃度變化，進而得到雜質濃度的變化，并由所得到的不同雜質濃度下的磁粉濃度補償關系式對磁懸液品質進行補償。

一般，磁懸液中的金屬顆粒總濃度Nmm可以通過沉淀法獲取。因此，提出一種基于電磁加速沉淀的點式激光器測量總濃度Nmm的方法：即采用精密液體蠕動泵，每次將100 mL的磁懸液取入特制底部開口的梨形測定瓶，在半波直流擾動電磁場的作用下，鐵磁性金屬顆粒以脈動方式迅速沉淀至瓶底，進而通過可升降的點式激光器測量金屬顆粒堆積高度，計算出Nmm值。另外，本文采用基于多光譜的磁懸液中多種顆粒濃度監(jiān)測方法，通過紫外線傳感器獲得熒光磁粉濃度Nr，通過紅外傳感器獲得金屬顆粒濃度Nmm與非金屬顆粒濃度Nnf的總和Na，工作原理如圖7所示。

圖7 基于多光譜的磁懸液中多種顆粒濃度監(jiān)測方法Fig.7 Magnetic particle concentration monitoring method based on a multi-spectrum approach

熒光磁粉濃度Nr及磁懸液濁度Pzd及非金屬顆粒濃度Nnf為：

Nr=αLUV

(2)

Pzd=βNmm+δNnf

(3)

Nnf=Na-Nmm

(4)

式中：LUV為紫外線激勵下的輝度值；α為轉換系數(shù)；β為紅外傳感器對金屬顆粒的感應系數(shù)；δ為紅外傳感器對非金屬顆粒的感應系數(shù)，通過實驗標定，可以獲得光譜傳感器的上述感應系數(shù)值。

雜質濃度Nf為：

Nf=Nmm-Nr

(5)

通過以上方法實現(xiàn)了磁懸液磁粉濃度和摻雜濃度的實時測量，進一步的，為實現(xiàn)磁懸液品質的自動補償，將濃度測量裝置與磁粉供給的磁懸液箱串聯(lián)為一個回路，構成磁懸液狀態(tài)測控裝置，如圖8(a)所示。蠕動泵從磁懸液箱將100 mL的磁懸液泵到檢測裝置，磁懸液在傳輸管路里依次通過輝度感應器及紅外線感應器，獲得熒光磁粉濃度Nr及磁懸液濁度Pzd；接著100 mL的磁懸液進入訂制梨形測定瓶，在磁化線圈作用下，磁粉快速沉淀，通過點式激光器獲取金屬顆粒總濃度Nmm。1個測量周期完成后，梨形測定瓶將磁懸液排空并回流至磁粉探傷裝置的磁懸液箱。

注：1.梨形瓶固定板，2.梨形瓶，3.激光式液位開關，4.彈簧，5.放液電缸，6.放液電缸導向板，7.液位開關升降電缸，8.液位開關升降電缸固定板，9.框架立板，10.接液漏斗，11.水管，12.水泵，13.暫存水箱，14.檢測開關固定板，15.紅外LED，16.紅外線感光器，17.濾光片，18.紫外線LED，19.控制裝置，20.磁懸液箱，21.濃縮磁懸液添加箱。圖8 磁懸液測量及補償裝置Fig.8 Magnetic suspension measurement and compensation system

根據(jù)本文得到的摻雜磁懸液與磁粉濃度補償量之間的定量關系，自動化補償磁粉濃度，實現(xiàn)磁懸液濃度的穩(wěn)恒控制，實物裝置如圖8(b)。

對上述裝置的測量和控制精度進行測試?；A磁粉濃度Nref在1～4 mL/L變化，非熒光鐵磁性金屬顆粒雜質濃度Nf在0～4 mL/L變化，在測量和控制裝置下，補償后的實驗數(shù)據(jù)如圖9所示，在多種狀態(tài)下，設置濃度與測量濃度間的相對誤差在6%以內，滿足了磁痕圖像質量控制要求。

圖9 磁懸液顆粒濃度監(jiān)測裝置測試數(shù)據(jù)Fig.9 Summary of experimental data obtained by the self-designed magnetic suspension particle concentration monitoring system

5 結論

1)在不同的磁懸液基礎磁粉濃度下，裂紋磁痕圖像質量均會隨著雜質濃度增加而單調下降，當基礎磁粉濃度在2～3 mL/L時尤為敏感，且磁懸液摻雜情況下最優(yōu)熒光磁粉濃度為5 mL/L。

2)基礎磁粉濃度一定時，磁粉濃度補償量與雜質濃度呈近似線性關系，并通過曲線擬合得到了磁粉濃度補償量與基礎磁粉濃度和雜質濃度的補償關系式。

3)自主設計開發(fā)出一套摻雜磁懸液磁粉濃度的實時測量與補償控制裝置，磁粉濃度變動可控制在設定值的6%以內，解決了磁痕圖像的量化評定與磁懸液品質不穩(wěn)定的問題，有助于推動磁粉探傷的全面自動化發(fā)展。