熊家國(guó)，周兆明，謝英豪，周文超，孫前

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程系，四川成都，610500）

0 引言

隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，各方面對(duì)鋼板的需求不斷增加，因此對(duì)于鋼板質(zhì)量好壞的檢測(cè)成為一種必然的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有超聲波法、滲透法、工業(yè)CT法等[1]。和上述檢測(cè)方法相比，漏磁檢測(cè)法在測(cè)量時(shí)自動(dòng)化程度高、可靠性更強(qiáng)，只需要通過(guò)傳感器來(lái)接收信號(hào)，利用軟件來(lái)判斷有無(wú)缺陷。檢測(cè)范圍相對(duì)較大，效率更高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了缺陷初步量化，能對(duì)缺陷危害大小進(jìn)行初步評(píng)估等[2]。

漏磁檢測(cè)具有檢測(cè)過(guò)程可控、不需要耦合劑等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為最適用于鐵磁性材料的無(wú)損檢測(cè)方法之一[3]，因此受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的高度重視。國(guó)外許多團(tuán)隊(duì)如Zatespin和Shcherbinin對(duì)漏磁場(chǎng)的現(xiàn)象和影響方面做了許多開(kāi)拓性工作，成為漏磁檢測(cè)基礎(chǔ)理論研究先驅(qū)[4]。一些學(xué)者也從不同角度研究了缺陷的漏磁場(chǎng)，得出的一系列結(jié)論加深了對(duì)漏磁檢測(cè)機(jī)理的認(rèn)識(shí)[5]。國(guó)內(nèi)方面沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)楊理踐、張國(guó)光等采用ANSYS仿真軟件對(duì)漏磁檢測(cè)進(jìn)行了分析[6]，得出了缺陷的幾何性質(zhì)，包括長(zhǎng)度、深度、角度等與磁場(chǎng)信號(hào)存在的聯(lián)系，進(jìn)而可以使得到的結(jié)果對(duì)缺陷特征進(jìn)行評(píng)估。東北大學(xué)的吳振寧提出了一種考慮速度影響的迭代反演缺陷重構(gòu)算[7]。華中科技大學(xué)孫燕華、武新等人對(duì)漏磁檢測(cè)中最為關(guān)鍵的磁化技術(shù)進(jìn)行了分析研究，利用磁場(chǎng)的壓縮、擴(kuò)散和折射對(duì)漏磁場(chǎng)的形成進(jìn)行了更加深入的分析，并研究了超強(qiáng)磁化作用下漏磁檢測(cè)能檢測(cè)到的深度。東北石油大學(xué)戴光等利用有限元構(gòu)建了換熱管漏磁3D模型[8]，以此來(lái)探索磁化方式，磁化強(qiáng)度對(duì)漏磁場(chǎng)的改變?nèi)绾蔚鹊取?/p>

目前漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究工作在持續(xù)的進(jìn)行當(dāng)中，在美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等一些國(guó)家的漏磁檢測(cè)技術(shù)更為先進(jìn)和成熟，且在一些領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，這些國(guó)家的相關(guān)公司無(wú)論是在生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量方面還是在售后服務(wù)方面已經(jīng)遙遙領(lǐng)先世界其他生產(chǎn)商[9]，近些年來(lái)，隨著我國(guó)運(yùn)輸管道和鋼板的大量使用，我國(guó)對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了不斷的研究，許多著名大學(xué)如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和天津大學(xué)等在管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究都比較深入[10]。研究結(jié)果表明，近年來(lái)中國(guó)在漏磁管道檢測(cè)技術(shù)方面的專利申請(qǐng)量和公開(kāi)量增長(zhǎng)迅猛[11]。中國(guó)漏磁檢測(cè)技術(shù)必將具有良好的發(fā)展前景。

1 便攜式漏磁檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 便攜式漏磁檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖

要測(cè)量磁信號(hào)，首先對(duì)被測(cè)鋼板進(jìn)行磁化，利用推動(dòng)式小策劃帶動(dòng)霍爾傳感器探頭檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)，傳感器模塊采集到磁場(chǎng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)差分放大和濾波處理，然后將信號(hào)傳送到微處理器進(jìn)行處理，最后通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示，其總體系統(tǒng)框圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

由于許多集成放大器的內(nèi)部多是采用直接耦合的方式來(lái)放大電路，從而可能會(huì)引發(fā)零點(diǎn)漂移的問(wèn)題，為了消除零點(diǎn)漂移對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)的影響，本次電路仿真將采用差分放大電路，由于實(shí)驗(yàn)選用的霍爾傳感器的模擬靜態(tài)電壓輸出為2.5V，仿真過(guò)程中輸入2.5V的直流電壓v1來(lái)代替?zhèn)鞲衅鞯撵o態(tài)電壓，同時(shí)在滑動(dòng)變阻器RV6的一端輸入5V的直流電壓v2，兩端同時(shí)接入LM158型放大器形成差分放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使得U2的示數(shù)顯示為0，以此來(lái)消除傳感器的靜態(tài)電壓，具體的仿真圖如圖2所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)RV6調(diào)至80%時(shí)U2為0，同時(shí)信號(hào)放大倍數(shù)設(shè)定為10能達(dá)到很好的預(yù)期效果，然后將放大信號(hào)接入二階低通濾波電路做進(jìn)一步處理，最后通過(guò)電壓表U3顯示。

圖2 信號(hào)放大仿真圖

1.3 便攜式漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

霍爾傳感器是較為常見(jiàn)的一種測(cè)磁元件。根據(jù)霍爾效應(yīng)制成，其材料主要是半導(dǎo)體?；魻柶骷w積輕巧，精度高，使用壽命長(zhǎng)，而且功耗小，線性度好，是測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)優(yōu)先考慮的元件。本實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為AH49E的霍爾元件作為漏磁探測(cè)裝置的測(cè)量傳感器，該種型號(hào)的霍爾傳感器小巧輕便，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉，精度和線性度良好，工作溫度范圍寬，能滿足漏磁檢測(cè)需求，同時(shí)節(jié)約成本。實(shí)驗(yàn)需設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)裝置推動(dòng)式小車綁定永磁鐵來(lái)帶動(dòng)霍爾傳感器探頭進(jìn)行移動(dòng)，經(jīng)考慮設(shè)計(jì)了一個(gè)四輪平板小車作為檢測(cè)裝置的運(yùn)載體，將兩塊永磁鐵擺放一定間距，并使相鄰兩邊相互吸引，以便永磁鐵與鋼板構(gòu)成磁回路，形成漏磁場(chǎng)。再帶動(dòng)霍爾傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

在實(shí)驗(yàn)鋼板上設(shè)計(jì)不同深度的缺陷，漏磁檢測(cè)需要在移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，從而探測(cè)到被測(cè)件缺陷處的磁場(chǎng)突變。由霍爾傳感器測(cè)得的漏磁信號(hào)經(jīng)放大濾波調(diào)理電路，通過(guò)STM32處理器之后與計(jì)算機(jī)串口相連接。同時(shí)計(jì)算機(jī)為其工作提供所需電壓，最終將測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷河陲@示界面輸出。具體測(cè)量裝置圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置搭建圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)鋼板按照一定距離進(jìn)行切割，形成長(zhǎng)度都為7mm，寬度都為1mm，深度分別為5mm、4mm、3mm、2mm的缺陷，如圖5所示。

圖5 鋼板試樣

每當(dāng)推動(dòng)式小車運(yùn)行到缺陷處時(shí)，上位機(jī)所顯示的電壓值都會(huì)發(fā)生變化。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)缺陷厚度為2mm時(shí)，上位機(jī)顯示界面穩(wěn)定值為11mv。同樣，當(dāng)小車移動(dòng)到缺陷厚度為5mm時(shí)，上位機(jī)顯示值為25mv。通過(guò)Origin繪圖軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，繪制該曲線并進(jìn)行數(shù)據(jù)線性擬合，同時(shí)得出缺陷厚度與電壓值的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果如圖6所示。

圖6 曲線擬合圖

3 結(jié)論

本文以STM32為主控芯片，結(jié)合漏磁檢測(cè)基本原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼板進(jìn)行了缺陷便攜式檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際選擇各種材料和電路元件，設(shè)計(jì)了鋼板磁化裝置及運(yùn)載體，焊接電路板，利用霍爾傳感器對(duì)鋼板缺陷進(jìn)行磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的分析。系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，思路清晰，功能完全。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)滿足檢測(cè)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。