袁新安， 趙建超， 李 偉， 張廣泰， 李 肖

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋石油裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452）

0 引 言

無損檢測(cè)是一門融合傳感器、信號(hào)處理、圖像識(shí)別、儀器儀表、安全評(píng)價(jià)、完整性管理等多學(xué)科交叉的技術(shù)，在不破壞結(jié)構(gòu)情況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，保障裝備或結(jié)構(gòu)的安全服役［1］。無損檢測(cè)技術(shù)在特種裝備、能源、交通、民用設(shè)施等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，一定程度上反映了一個(gè)國家的工業(yè)化程度［2-4］。無損檢測(cè)作為新興學(xué)科和交叉性學(xué)科，在機(jī)械、安全、信號(hào)處理、儀器儀表等專業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究生科研中占有重要地位。電磁無損檢測(cè)技術(shù)具有非接觸測(cè)量、信息豐富、適用鐵磁性和非鐵磁性材料等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)表面缺陷檢測(cè)領(lǐng)域具備突出的優(yōu)勢(shì)。而傳統(tǒng)的電磁無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常以特征信號(hào)幅值表征缺陷存在（例如渦流阻抗平面圖），不能直觀顯示缺陷的真實(shí)形貌，造成缺陷評(píng)估高度依賴實(shí)驗(yàn)操作人員主觀判定和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)初學(xué)學(xué)生造成一定難度，缺陷誤判及漏檢率高，缺陷評(píng)估精度低，影響科研及實(shí)驗(yàn)效果。因此，研發(fā)一套可視化的電磁無損檢測(cè)科研實(shí)驗(yàn)與教學(xué)系統(tǒng)顯得尤為重要。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)（Alternating Current Field Measurement，ACFM）技術(shù)是近年來快速發(fā)展的電磁無損檢測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)金屬工件表面和近表面缺陷定量檢測(cè)和評(píng)估，具有理論模型精確、大提離、定量評(píng)估等優(yōu)勢(shì)，具備廣闊的應(yīng)用前景［5］。其檢測(cè)原理是：通有正弦激勵(lì)信號(hào)的線圈在金屬表面感應(yīng)出均勻電流，當(dāng)缺陷存在時(shí)，表面電流會(huì)從缺陷的兩端和底部繞過，使電流密度發(fā)生變化，進(jìn)而改變裂紋附近的磁場(chǎng)分布，通過拾取畸變的磁場(chǎng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)［6-7］。

本文選擇以PC104 嵌入式平臺(tái)為交流電磁場(chǎng)可視化檢測(cè)系統(tǒng)核心，研制高靈敏度檢測(cè)探頭，開發(fā)可視化檢測(cè)算法及軟件，形成融合探頭—主機(jī)—軟件為一體的可視化檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷形貌的可視化檢測(cè)，提高實(shí)驗(yàn)的演示效果和教學(xué)水平。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于PC104 嵌入式平臺(tái)的交流電磁場(chǎng)可視化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括檢測(cè)探頭、儀器主機(jī)及三軸臺(tái)架，如圖1 所示。探頭用于檢測(cè)試塊缺陷周圍畸變電磁場(chǎng)，三軸臺(tái)架用于完成掃描軌跡控制，儀器內(nèi)部集成信號(hào)采集、處理及存儲(chǔ)模塊，檢測(cè)的畸變電磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過處理后直觀顯示缺陷形貌。

圖1 交流電磁場(chǎng)智能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 高靈敏度探頭開發(fā)

探頭是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，決定了缺陷信號(hào)檢測(cè)精度。探頭內(nèi)部設(shè)有激勵(lì)模塊、U型磁芯、隧道磁阻（Tunnel Magneto Resistance，TMR）磁場(chǎng)傳感器及信號(hào)處理模塊，如圖2 所示。勵(lì)磁線圈為500 匝直徑0.15 mm漆包銅絲，均勻纏繞在U 型磁芯的橫梁上，當(dāng)加載正弦激勵(lì)信號(hào)時(shí)可在試塊表面感應(yīng)出均勻電流［8］。TMR傳感器安裝在U型磁芯正下方，可測(cè)量垂直于試塊方向畸變磁場(chǎng)。由于探頭內(nèi)TMR 檢測(cè)信號(hào)較為微弱，采用信號(hào)處理電路進(jìn)行放大和濾波，增加信號(hào)傳輸距離［9］。

圖2 檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)

1.3 儀器主機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)

儀器主機(jī)采用集成式方案，以PC104 嵌入式平臺(tái)為核心，整合信號(hào)采集、信號(hào)存儲(chǔ)、輔助模塊及顯示模塊，如圖3 所示。嵌入式平臺(tái)各模塊之間相互獨(dú)立，便于系統(tǒng)拓展與更新。PC104 嵌入式平臺(tái)選用研華PCM-3365 工業(yè)主板，搭載英特爾四核處理器，主頻最高可達(dá)1.91 GHz，運(yùn)行內(nèi)存最大可支持8 GB，系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)算速度快，可滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集和處理的要求；主板具有不同的擴(kuò)展接口，可以與不同的硬件進(jìn)行通信，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用及傳輸。

圖3 便攜式一體儀器主機(jī)

數(shù)據(jù)采集模塊為NI 公司的USB-6361 采集卡，支持16 路模擬輸入通道，采集速度最大可達(dá)到1.25 MS/s，AD轉(zhuǎn)換的分辨率為16 位，滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集速度和精度的要求。輔助模塊包括電源模塊、人機(jī)交互模塊、激勵(lì)模塊及存儲(chǔ)模塊，電源采用鋰電池供電，保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)6 h 持續(xù)穩(wěn)定工作［10］；人機(jī)交互模塊選用的是研華公司的液晶顯示屏，屏幕具有顯示與觸屏的功能，可以用來控制程序以及顯示缺陷形貌可視化檢測(cè)結(jié)果；激勵(lì)模塊選用的是利用直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）［11］，結(jié)合STM8 單片機(jī)和FPGA 構(gòu)架設(shè)計(jì)的一款數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，可輸出頻率、幅值可調(diào)的正弦波，便于實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)的調(diào)整。

2 可視化算法與軟件開發(fā)

2.1 缺陷可視化反演算法

為探究缺陷形貌成像算法，采用預(yù)實(shí)驗(yàn)方式，設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)為頻率1 kHz，幅值10Upp，利用三軸臺(tái)架帶著探頭柵格掃查（步長1 mm，掃查區(qū)域130 cm ×130 mm）碳鋼表面長40 mm寬0.2 mm 深6 mm 的裂紋，如圖4（a）所示。獲取缺陷表面垂直方向畸變磁場(chǎng)Bz，如圖4（b）所示。圖4（b）展示的是缺陷周圍畸變磁場(chǎng)信號(hào)，不能直觀反映缺陷的形貌。為了提高科研和教學(xué)演示效果，對(duì)圖4（c）進(jìn)一步處理，獲取缺陷可視化形貌。首先，圖像梯度場(chǎng)可反映圖像的畸變程度［12-13］，裂紋輪廓周圍信號(hào)畸變量比較大，通過對(duì)圖像求取x方向梯度，可獲取缺陷輪廓周圍最大畸變信號(hào)，如圖4（d）所示。梯度場(chǎng)可呈現(xiàn)正負(fù)峰值，圖像上表現(xiàn)出正反色差，影響缺陷形貌成像，摳除圖像背景噪聲可得到祛除背景圖像G0，能夠很好地反映缺陷的形貌和輪廓（見圖4（d））。

圖4 可視化過程

由以上可總結(jié)出基于梯度場(chǎng)的缺陷形貌可視化反演算法步驟：①探頭柵格掃查，獲取缺陷垂直方向畸變磁場(chǎng)Bz圖像；②對(duì)Bz圖像求取x方向梯度，獲取畸變磁場(chǎng)在缺陷邊緣輪廓的畸變圖像GBz；③摳除圖像背景噪聲，得到缺陷形貌輪廓圖像G0。

2.2 軟件開發(fā)

缺陷形貌可視化檢測(cè)軟件采用LabVIEW 與Matlab混合編程的方式，主要包括臺(tái)架控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理及圖像可視化。利用LabVIEW在信號(hào)采集、處理與顯示的優(yōu)勢(shì)，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及數(shù)字信號(hào)處理［14］，LabVIEW軟件框圖如圖5 所示。

圖5 LabVIEW數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)程序

利用Matlab 在圖像處理方面的優(yōu)勢(shì)，借助LabVIEW調(diào)用Matlab腳本節(jié)點(diǎn)，依據(jù)缺陷成像算法完成圖像可視化處理，最終呈現(xiàn)缺陷可視化形貌，如圖6所示。

圖6 缺陷可視化軟件

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證缺陷可視化檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試效果，搭建結(jié)構(gòu)缺陷交流電磁場(chǎng)可視化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖7 所示。系統(tǒng)包括三軸臺(tái)架、探頭、儀器主機(jī)及待測(cè)試塊。利用三軸臺(tái)架帶動(dòng)探頭在試塊表面做柵格掃查，通過儀器主機(jī)設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)，激勵(lì)信號(hào)加載至探頭內(nèi)部激勵(lì)線圈并在試塊表面感應(yīng)出均勻電流場(chǎng)。當(dāng)缺陷存在時(shí)，缺陷周圍磁場(chǎng)發(fā)生畸變，通過探頭測(cè)量垂直方向畸變磁場(chǎng)信號(hào)并傳輸至儀器主機(jī)。儀器主機(jī)完成畸變磁場(chǎng)信號(hào)采集、處理及存儲(chǔ)。缺陷形貌可視化軟件完成圖像處理，最終呈現(xiàn)缺陷的可視化形貌。

圖7 缺陷可視化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

測(cè)試塊為帶有腐蝕缺陷的鋼板，缺陷為φ10 mm× 0.5 mm（直徑×深度）的圓柱腐蝕坑，如圖8（a）所示。三軸臺(tái)架帶動(dòng)探頭完成柵格掃查（步長0.5 mm，區(qū)域掃查50 mm × 50 mm），軟件處理缺陷畸變磁場(chǎng)信號(hào)，最終儀器主機(jī)屏幕顯示缺陷形貌可視化檢測(cè)結(jié)果如圖8（b）所示。由圖8（b）可見，左側(cè)圖像顯示缺陷周圍畸變磁場(chǎng)Bz，不能直觀得到缺陷形貌信息，右側(cè)經(jīng)過可視化檢測(cè)算法處理過的圖像能夠呈現(xiàn)缺陷的邊緣輪廓信息，直觀判定缺陷為腐蝕缺陷，有助于學(xué)生直接判定缺陷類型，提高了缺陷評(píng)估準(zhǔn)確率［15］，顯著提升了科研和教學(xué)演示效果。

圖8 腐蝕缺陷可視化檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語

基于PC104 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)缺陷交流電磁場(chǎng)可視化檢測(cè)系統(tǒng)，通過高精度的檢測(cè)探頭、集成化主機(jī)儀器完成缺陷信號(hào)的檢測(cè)、采集、處理、存儲(chǔ)。通過基于梯度場(chǎng)的缺陷形貌可視化算法及軟件完成缺陷畸變磁場(chǎng)信號(hào)到形貌可視化的跨越，直觀顯示試塊表面缺陷形貌。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)電磁無損檢測(cè)科研及教學(xué)設(shè)備只顯示特征信號(hào)的弊端，直接呈現(xiàn)直觀缺陷形貌信息，提高了缺陷判定和評(píng)估準(zhǔn)確度，為電磁無損檢測(cè)的教學(xué)和科研提供可視化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高了電磁無損檢測(cè)科研實(shí)驗(yàn)和教學(xué)的質(zhì)量。