郭 晉，唐經(jīng)源，李 博，李緒豐，胡華勝，王 磊※

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東佛山 528251；2.深圳市中昌探傷器材有限公司，廣東深圳 518081）

0 引言

大型承壓類特種設(shè)備廣泛應(yīng)用于我國(guó)石油化工、化肥制造等領(lǐng)域［1－2］。針對(duì)大型承壓類特種設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)檢測(cè)，是保障其本質(zhì)安全的重要手段。固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［3］中提出，針對(duì)大型承壓類特種設(shè)備這類3類壓力容器，需要對(duì)表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)等表面探傷。磁粉探傷屬于五大常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)之一［4］，與滲透檢測(cè)［5－6］、渦流檢測(cè)［7］同屬常用表面無損檢測(cè)技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外在對(duì)這些大型設(shè)備進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，需要大量搭設(shè)腳手架，然后由檢測(cè)人員通過腳手架接近需要檢測(cè)部位，人工噴灑磁懸液、施加磁場(chǎng)，然后通過肉眼對(duì)磁痕進(jìn)行觀察，人工判別缺陷的有無，存在的不足有：（1）設(shè)備內(nèi)部搭設(shè)腳手架非常困難，而且檢測(cè)人員容易發(fā)生高空墜落等重大安全事故；（2）設(shè)備內(nèi)部通風(fēng)差，設(shè)備盛裝的有毒有害氣體會(huì)對(duì)人員造成損傷甚至致人死亡；（3）費(fèi)時(shí)費(fèi)力；（4）工作環(huán)境惡劣，人工實(shí)時(shí)觀測(cè)存在人為漏檢誤判現(xiàn)象［8］。

因此，本文研發(fā)一種可以根據(jù)檢驗(yàn)員要求，遠(yuǎn)程操作自動(dòng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)及實(shí)時(shí)觀察、錄像的檢測(cè)系統(tǒng)，既可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)結(jié)果的客觀性，又可以降低操作及檢測(cè)過程中事故的發(fā)生。目前磁粉自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)已處于試驗(yàn)階段，用樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試并取得良好效果。

1 基本原理

基本原理如下。

（1）磁粉檢測(cè)技術(shù)。利用工件缺陷處的漏磁場(chǎng)與磁粉的相互作用，利用鋼鐵制品表面和近表面缺陷（如裂紋、夾渣、發(fā)紋等）磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率的差異，磁化后這些材料不連續(xù)處的磁場(chǎng)將發(fā)生畸變，形成部分磁通泄漏并于相應(yīng)工件表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀，對(duì)這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實(shí)現(xiàn)了磁粉檢測(cè)［9－10］。

（2）數(shù)字成像技術(shù)。通過光學(xué)系統(tǒng)將影像聚焦在成像元件CCD／CMOS上。成像元件按照一定的排列方式，將拍攝物體分解成了一個(gè)一個(gè)的像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)以模擬圖像信號(hào)的形式轉(zhuǎn)移到A／D轉(zhuǎn)換器上，A／D轉(zhuǎn)換器將每個(gè)像素上光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)碼信號(hào)，再經(jīng)DSP處理成數(shù)碼圖像，儲(chǔ)存到存儲(chǔ)介質(zhì)當(dāng)中。

（3）無線傳輸技術(shù)。無線傳輸有WIFI、藍(lán)牙、無線電等多種方式。其中WIFI用得最廣，也最容易接網(wǎng)，采用802.11 b國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸距離100 m，最大傳輸速率11 Mb／s，完全能夠進(jìn)行近距離的實(shí)時(shí)高清視頻傳輸。

（4）數(shù)字圖像處理技術(shù)。把點(diǎn)陣圖像經(jīng)某種或多種算法進(jìn)行濾波和計(jì)算，力求把無用的信息濾除或弱化，把有用的信息銳化，使圖像更明晰地把有用的信息以圖像的形式呈現(xiàn)在面前，經(jīng)分析計(jì)算還可確定有用信息的大小、幅值或位置，這就是數(shù)字圖像處理技術(shù)。

2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由執(zhí)行模塊、儲(chǔ)液模塊、控制模塊3部分組成。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the system

儲(chǔ)液模塊由攪拌單元、儲(chǔ)液?jiǎn)卧退鸵簡(jiǎn)卧M成。攪拌單元的作用是把磁懸液攪拌均勻，防止磁懸液沉淀。儲(chǔ)液?jiǎn)卧獎(jiǎng)t儲(chǔ)存調(diào)配好的磁懸液。送液?jiǎn)卧獎(jiǎng)t在控制模塊的控制下按需把磁懸液通過軟管輸送到執(zhí)行模塊。

控制模塊由供電單元、主控單元和顯示單元組成。供電單元負(fù)責(zé)為各模塊供電。顯示單元顯示操作界面、執(zhí)行模塊回傳的影像、檢測(cè)結(jié)果等。主控單元是本系統(tǒng)的中樞，控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作?？刂颇K通過電纜與儲(chǔ)液模塊及執(zhí)行模塊連接。

執(zhí)行模塊由噴灑單元、標(biāo)記單元、爬壁單元、跟蹤單元、攝像單元、照明單元、磁化單元、逆變單元組成。爬壁單元是整個(gè)執(zhí)行模塊的載體，其吸附在待檢壁面上并沿控制模塊指定的方向運(yùn)動(dòng)；照明單元為模塊提供可見光或紫外光，便于攝像模塊攝取影像；攝像單元攝取檢測(cè)過程影像并回傳到控制模塊進(jìn)行處理及判別檢測(cè)結(jié)果；逆變單元把控制模塊的供電變換為磁粉檢測(cè)所需要的交流方波電，并供給磁化單元；噴灑單元在控制模塊的控制下按需按指定方向噴灑磁懸液；磁化單元給待檢表面施加交流磁場(chǎng)，完成磁粉檢測(cè)，檢測(cè)磁痕則由攝像單元攝像并回傳到控制模塊；標(biāo)記單元的作用是在控制模塊檢測(cè)到有缺陷時(shí)，在相應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記，以方便后續(xù)的復(fù)檢及修復(fù)；跟蹤單元對(duì)焊縫位置進(jìn)行反饋，使得控制模塊能控制執(zhí)行模塊沿著焊縫爬行。

儲(chǔ)液模塊和控制模塊都放于地面，以方便檢測(cè)人員操作，執(zhí)行模塊則吸附于待檢表面沿焊縫運(yùn)動(dòng)并完成磁粉檢測(cè)。跟蹤單元實(shí)時(shí)檢測(cè)焊縫位置并反饋給控制模塊，控制模塊根據(jù)反饋信息控制爬壁單元走向，使得執(zhí)行模塊時(shí)刻以焊縫為中心線運(yùn)行；控制模塊控制攪拌單元對(duì)儲(chǔ)液?jiǎn)卧獌?nèi)的磁懸液進(jìn)行攪拌，并控制送液?jiǎn)卧斔痛艖乙航o執(zhí)行模塊；噴灑單元在控制模塊的控制下在待檢表面噴灑磁懸液；逆變單元在控制模塊的控制下輸出交流方波給磁化單元，完成磁化過程；攝像單元?jiǎng)t把檢測(cè)過程及結(jié)果錄成影像并傳輸?shù)娇刂颇K進(jìn)行處理和分析，當(dāng)控制模塊判別有缺陷時(shí)，則會(huì)控制標(biāo)記單元在有缺陷的位置做標(biāo)記。這樣本系統(tǒng)就自動(dòng)完成磁粉檢測(cè)過程。

3 逆變單元

逆變單元原理如圖2所示，首先對(duì)控制模塊的供電進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行DC／DC升壓，一方面獲得一個(gè)理想的電壓幅值，別一方面也起到穩(wěn)壓作用，消除供電電源波動(dòng)的影響。接著對(duì)升壓后的直流電進(jìn)行DC／AC變換，得到幅值和脈寬穩(wěn)定的交流方波電，供給磁化單元產(chǎn)生交流磁場(chǎng)。

圖2 逆變單元原理Fig.2 Block diagram of inverter unit principle

4 磁化單元

4.1 鐵芯設(shè)計(jì)

圖3所示為鐵芯布局圖，采用交叉磁場(chǎng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)。

圖3 鐵芯布局Fig.3 Core layout

現(xiàn)有的交叉磁場(chǎng)磁探儀兩對(duì)交叉腳都是剛性固定的，由于加工裝配時(shí)也會(huì)存在誤差，4個(gè)腳不能保證在同一水平面上，同時(shí)被測(cè)表面也有曲率與不平度，所以工作時(shí)基本只有3個(gè)腳或2個(gè)腳能接觸到被檢表面，從而大大降低了經(jīng)過被檢表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，嚴(yán)重影響檢測(cè)性能。

本系統(tǒng)把磁化單元的2對(duì)交叉腳設(shè)計(jì)為相互獨(dú)立的2個(gè)U形鐵芯，一個(gè)架在另一個(gè)的上方，這樣就能保證在任何時(shí)候，4個(gè)腳都能同時(shí)接觸到被檢表面。

4.2 磁化單元機(jī)械布局

圖4 所示為磁化單元的機(jī)械布局圖。磁化單元包括外殼、彈簧、鐵芯線圈、固定柱等。鐵芯線圈套于外殼內(nèi)，可以在外殼內(nèi)上下活動(dòng)。鐵芯線圈通過兩端的彈簧與外殼軟連接，外殼通過固定柱剛性連接到爬壁單元。

圖4 磁化單元機(jī)械布局Fig.4 Mechanical layout of magnetization unit

這樣，磁化單元外殼就靠彈簧的彈力把鐵芯線圈壓緊在被檢表面，并能保證4個(gè)腳同時(shí)接觸被檢表面。當(dāng)爬壁單元移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)磁化單元外殼移動(dòng)，磁化單元外殼通過殼壁帶動(dòng)鐵芯線圈移動(dòng)。

4.3 磁化單元越障功能

圖5 所示為磁化單元越障功能示意圖。現(xiàn)在的鐵芯由于是直邊，很容易被高低不平的焊縫或其他障礙物卡住。本系統(tǒng)中的磁化單元要不斷貼著被檢表面移動(dòng)，所以必須要有越過障礙物的能力。本系統(tǒng)是在移動(dòng)方向上，鐵芯4個(gè)腳兩側(cè)面都焊了一個(gè)半圓形不銹鋼管，有障礙物時(shí)，腳自動(dòng)被障礙物抬起，從而跨過障礙物。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，能輕松越過焊縫及類焊縫障礙物。

圖5 磁化單元越障功能Fig.5 Function diagram of the magnetization unit＇s obstacle crossing

5 爬壁單元

5.1 運(yùn)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)原理

爬壁單元的運(yùn)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。運(yùn)動(dòng)輪由護(hù)板、輪芯、永磁鐵3部分組成。輪芯外面包一層永磁鐵，由于永磁鐵比較易碎，也不能承重，兩邊護(hù)板的作用就是保護(hù)永磁鐵并承重。永磁鐵通過空氣和護(hù)板對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行磁吸附，從而達(dá)到吸附目的。護(hù)板、輪芯、永磁鐵剛性連接組成運(yùn)動(dòng)輪，運(yùn)動(dòng)輪剛性連接到傳動(dòng)軸上。這樣運(yùn)動(dòng)輪一方面通過磁力吸附于被測(cè)設(shè)備表面，同時(shí)也隨著傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在任何壁面上吸附和運(yùn)動(dòng)兩大功能。

圖6 爬壁單元的運(yùn)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)原理Fig.6 The structure schematic diagram of the moving wheel of the climbing element

5.2 爬壁單元結(jié)構(gòu)布局

圖7 所示為爬壁單元結(jié)構(gòu)布局，由承重架、4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪以及4組減速齒輪組成。磁化單元即安裝于爬壁單元的中部。4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)由控制模塊獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，使得控制模塊可以很靈活地控制爬壁單元的轉(zhuǎn)向和運(yùn)動(dòng)。

圖7 爬壁單元結(jié)構(gòu)布局Fig.7 Wall climbing unit structure layout

5.3 爬壁單元轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)

爬壁單元轉(zhuǎn)向示意圖如圖8所示。

圖8 爬壁單元轉(zhuǎn)向Fig.8 Schematic diagram of wall climbing unit steering

爬壁單元上對(duì)稱安裝了4個(gè)運(yùn)動(dòng)輪，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過各自的變速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)軸把功率輸出到4個(gè)運(yùn)運(yùn)輪，以驅(qū)動(dòng)爬壁單元運(yùn)動(dòng)。由于爬壁單元上的4個(gè)運(yùn)動(dòng)輪都與傳動(dòng)軸剛性固定，而傳動(dòng)軸與爬壁單元只能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能相對(duì)移動(dòng)，所以爬壁單元不能像汽車一樣靠前面一對(duì)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，只能像坦克一樣挪動(dòng)轉(zhuǎn)向。當(dāng)需要爬壁單元向前或向后行駛時(shí)，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)就以同樣的速度驅(qū)動(dòng)4個(gè)運(yùn)動(dòng)輪向同一個(gè)方向運(yùn)同。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，右邊2個(gè)運(yùn)動(dòng)輪以相同速度同向運(yùn)動(dòng)，左邊2個(gè)運(yùn)動(dòng)輪以相同速度同向運(yùn)動(dòng)，爬壁單元兩邊的4個(gè)輪運(yùn)動(dòng)速度相同，但運(yùn)行方向相反。這樣在兩邊輪對(duì)的相互作用下，爬壁單元?jiǎng)t繞著以4個(gè)輪心為邊緣的圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖8所示，中間對(duì)角虛線的交點(diǎn)即為爬壁單元的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，這樣就實(shí)現(xiàn)了爬壁單元的直行和轉(zhuǎn)向。

6 焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫檢測(cè)原理如圖9所示。焊縫跟蹤單元內(nèi)部裝有位移傳感器陣列，該陣列由31個(gè)位移傳感器組成，位移傳感器線排列，且間隔為5 mm，這樣這個(gè)陣列的寬度為（31－1）×5 mm＝150 mm。位移傳感器陣列垂直于焊縫（也就是垂直于爬壁單元的運(yùn)行方向）。位移傳感器活動(dòng)部件由彈簧壓于被檢表面上，端部則裝有轉(zhuǎn)動(dòng)輪，可以隨爬壁單元向前運(yùn)動(dòng)。位移傳感器零點(diǎn)設(shè)計(jì)于正常的被檢表面，當(dāng)有焊縫時(shí)，由于焊縫比本底高，所以其上的位移傳感器會(huì)被頂起來，從而產(chǎn)生位移信號(hào)。

圖9 焊縫檢測(cè)原理Fig.9 Schematic diagram of weld inspection

控制模塊實(shí)時(shí)采集焊縫跟蹤單元位移傳感器陣列的數(shù)據(jù)，將會(huì)得到如圖10所示的位移傳感器陣列數(shù)據(jù)。圖中，ai為傳感器編號(hào)，Si為傳感器獲得的原始位移信號(hào)值。焊縫一般寬度為30～40 mm，只有焊縫處有明顯的位移數(shù)據(jù)值。采樣得到一個(gè)數(shù)據(jù)陣列：

圖10 位移傳感器陣列數(shù)據(jù)Fig.10 Displacement sensor array data

a［i］（i＝1～31）

數(shù)據(jù)濾波及銳化。以9個(gè)數(shù)據(jù)寬度為一個(gè)窗口（覆蓋焊縫寬度）進(jìn)行平方和再平均計(jì)算，即：

其中：j＝5～27。

得到如圖11所示的銳化位移數(shù)據(jù)圖。圖中，bj為銳化參數(shù)編號(hào)，Sj為經(jīng)銳化后的位移信號(hào)值。

圖11 銳化位移數(shù)據(jù)Fig.11 Sharpen the displacement data graph

從b［j］中找出最大的5個(gè)點(diǎn)，則這5個(gè)點(diǎn)一定包括了銳化位移數(shù)據(jù)圖的頂峰，也就包括了焊縫的中心，這5個(gè)點(diǎn)的中心即為焊縫中心。如這5個(gè)最大點(diǎn)為b［16］、b［17］、b［18］、b［19］、b［20］，則焊縫中心點(diǎn)在從左到右第18個(gè)位移傳感器處，由于理論中心點(diǎn)為位列傳感器陣列中心16號(hào)位移傳感器處，所以此刻爬壁單元的中心向左偏移了焊縫中心2個(gè)傳感器的間距，也即10 mm。知道了焊縫與爬壁單元相對(duì)位置，控制模塊即可實(shí)時(shí)調(diào)整爬壁單元的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保爬壁單元沿著焊縫行走，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

7 樣機(jī)驗(yàn)證

圖12所示為本系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物圖（執(zhí)行模塊部分），其可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離磁粉檢測(cè)。執(zhí)行模塊吸附于待檢表面、自動(dòng)爬行、自動(dòng)噴灑磁懸液、自動(dòng)加磁，對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行錄像并顯示于終端顯示屏上。

圖12 本系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物（執(zhí)行模塊）Fig.12 Physical drawing of the system prototype（execution module）

圖13 所示為A1－15／100試塊自動(dòng)磁粉檢測(cè)結(jié)果；圖14所示為終端顯示的A1－15／100試塊自動(dòng)磁粉檢測(cè)結(jié)果。

圖13 A1－15／100試塊磁粉自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果Fig.13 Automatic test result of magnetic powder of A1－15／100 test block

圖14 終端顯示的A1－15／100試塊自動(dòng)磁粉檢測(cè)結(jié)果Fig.14 Automatic magnetic particle detection results of A1－15／100 test block displayed at the terminal

8 結(jié)束語

本文研制的自動(dòng)化磁粉檢測(cè)系統(tǒng)主要由執(zhí)行模塊、儲(chǔ)液模塊、控制模塊3部分組成，其技術(shù)特點(diǎn)能夠自動(dòng)識(shí)別、跟蹤焊縫爬行，自動(dòng)完成磁粉檢測(cè)作業(yè)，獲取的實(shí)時(shí)檢測(cè)圖像清晰，經(jīng)靈敏度試片驗(yàn)證，能夠滿足磁粉檢測(cè)的基本要求，是一種切實(shí)可行的磁粉檢測(cè)系統(tǒng)。未來，隨著圖像處理技術(shù)的不斷完善和優(yōu)化，將拓展系統(tǒng)的缺陷自動(dòng)辨識(shí)功能，進(jìn)一步推動(dòng)自動(dòng)化磁粉檢測(cè)系統(tǒng)向?qū)嵱没⒅悄芑~進(jìn)。