楊 碩，謝程鋒，何召召

(中國船舶重工集團(tuán)第七一五研究所，浙江 杭州 310018)

水聲換能器的關(guān)鍵件是壓電振子，其余所有構(gòu)件都是配合振子來設(shè)計(jì)；作為水聲換能器經(jīng)典結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)換能器，其典型的三疊片結(jié)構(gòu)是由2片相同的壓電陶瓷圓片(簡(jiǎn)稱壓電元件)與一件直徑稍大的金屬件粘接起來構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)電振動(dòng)系統(tǒng)，統(tǒng)稱彎曲振子。受限于產(chǎn)品工作需求，在可聞聲域內(nèi)，某型彎曲振動(dòng)換能器將2片壓電元件與金屬墊片粘結(jié)在一起構(gòu)成彎曲振子[1-3]，彎曲振子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

a) 彎曲振子裂紋外觀

彎曲振子在大批量生產(chǎn)時(shí)，因組成的壓電元件較薄，抗彎強(qiáng)度較低，受粘接劑固化時(shí)內(nèi)應(yīng)力、厚薄不均、加力時(shí)受力不均等多重因素影響，時(shí)常有壓電元件開裂現(xiàn)象出現(xiàn)。壓電元件開裂的裂紋大部分是整體貫穿裂紋，也存在邊緣裂紋及中間裂紋等裂紋缺陷。在粘接及后期處理過程中，膠粘劑等污漬易進(jìn)入到裂紋之中，靠人工目檢挑揀效率低，易誤判[4]。前期對(duì)裂紋無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了一系列的應(yīng)用研究，經(jīng)研究表明，渦流檢測(cè)技術(shù)適用于該型彎曲振子壓電元件的檢測(cè)。

渦流檢測(cè)技術(shù)以周期性的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，采用兩路同步且正交的相敏檢波信號(hào)，經(jīng)過低通濾波后得到渦流檢測(cè)線圈的電阻分量和感抗分量，最后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，計(jì)算出缺陷處信號(hào)的幅值信息和相位信息。幅值反映缺陷的長(zhǎng)度和高度信息；相位的滯后和超前反映裂紋缺陷在壓電元件中所處的位置[5-6]。前期渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究期間，采用簡(jiǎn)易支承結(jié)構(gòu)使渦流探頭對(duì)壓電元件進(jìn)行檢測(cè)，該簡(jiǎn)易支承結(jié)構(gòu)無法精確控制渦流探頭高度，致使所測(cè)幅值信號(hào)浮動(dòng)較大，無法準(zhǔn)確確定合格與不合格的幅值增益，導(dǎo)致閾值設(shè)定不合理；且該簡(jiǎn)易支承結(jié)構(gòu)無法移動(dòng)渦流探頭位置，致使檢測(cè)區(qū)域無法覆蓋壓電元件表面，存在較多裂紋漏檢。為此，應(yīng)基于渦流檢測(cè)技術(shù)開展壓電元件裂紋自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的研制工作。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

壓電元件裂紋渦流檢測(cè)系統(tǒng)由多頻多通道渦流檢測(cè)儀、機(jī)械裝置、軟件系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，其設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 渦流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 渦流檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

多頻多通道渦流檢測(cè)儀的渦流探頭由2個(gè)差分連接的正交放置式線圈探頭構(gòu)成，可以降低噪聲信號(hào)的影響，提高渦流信號(hào)的信噪比[7]。渦流檢測(cè)儀產(chǎn)生的交變電流通過渦流探頭在元件表面銀層產(chǎn)生出渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)反過來影響渦流探頭的電阻抗[8]；當(dāng)元件開裂(表面銀層斷裂)時(shí)，將破壞原有渦流場(chǎng)，引起檢測(cè)線圈阻抗變化，儀器通過對(duì)探頭反饋的阻抗變化電信號(hào)進(jìn)行處理，得到缺陷的阻抗平面圖，通過對(duì)幅值增益的確定獲得閾值，以此完成裂紋的自動(dòng)識(shí)別[9]。線圈寬度為5 mm，通過機(jī)器人夾持探頭配合旋轉(zhuǎn)掃描托盤，對(duì)元件按同心軌道(5 mm圓環(huán))對(duì)被測(cè)元件進(jìn)行表面遍歷掃描，獲得壓電元件不同區(qū)域的阻抗信號(hào)值。探頭運(yùn)動(dòng)軌跡及掃描范圍示意圖如圖4所示。利用SCARA機(jī)器人將探頭固定在一個(gè)平面內(nèi)，可以降低探頭的抖動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，而且可以利用機(jī)器人控制探頭與被測(cè)表面的距離，減少提離高度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖4 探頭運(yùn)動(dòng)軌跡及掃描范圍示意圖

機(jī)械裝置主要用于完成振子檢測(cè)過程中各工位、工位之間的諸如定位、抓取、翻面、標(biāo)記等機(jī)械動(dòng)作。電控系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)控制、服務(wù)器管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，軟件系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控、機(jī)器視覺監(jiān)控、渦流探傷檢測(cè)監(jiān)控等。

1.2 多頻多通道渦流檢測(cè)儀

多頻多通道渦流檢測(cè)儀主要包括渦流檢測(cè)裝置、SCARA機(jī)器人與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)滑臺(tái)等，多頻多通道渦流檢測(cè)儀設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。其中作為核心部件的渦流檢測(cè)裝置采用國產(chǎn)越策聯(lián)合所制的MSUN-EM3000系列的多功能智能數(shù)字渦流檢測(cè)儀，其基本組成如圖6所示。該型渦流檢測(cè)裝置廣泛用于金屬缺陷渦流檢測(cè)領(lǐng)域，利用裝置自帶的軟件增益的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)幅值大小的控制，并通過閾值的限定實(shí)現(xiàn)合格品、不合格品信號(hào)的差異化輸出，并以此作為元件裂紋判斷依據(jù)。

圖5 多頻多通道渦流檢測(cè)儀設(shè)計(jì)示意圖

圖6 渦流檢測(cè)裝置基本組成示意圖

1.3 機(jī)械裝置

機(jī)械裝置主要包括定位分揀裝置、翻面機(jī)構(gòu)、標(biāo)記裝置。機(jī)械裝置設(shè)計(jì)示意圖如圖7所示。其中定位分揀裝置包含檢測(cè)臺(tái)架、并聯(lián)機(jī)器人與定位相機(jī)等，翻面機(jī)構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)升降平臺(tái)、夾持構(gòu)件等，標(biāo)記裝置包括噴碼機(jī)構(gòu)與移動(dòng)平臺(tái)等。

圖7 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)示意圖

1.4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件、機(jī)器視覺軟件、渦流探傷檢測(cè)軟件和設(shè)備管理軟件等，并在軟件界面上利用裂紋與非裂紋阻抗信號(hào)的不同獲得合適的幅值增益，并與閾值進(jìn)行比較，以此判斷彎曲振子是否含有裂紋。改軟件系統(tǒng)基于LabVIEW進(jìn)行專用數(shù)據(jù)采集/分析程序的編程，軟件界面如圖8所示。

a) 主界面

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

壓電元件裂紋渦流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝配完成后，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)開展功能測(cè)試試驗(yàn)，主要包括如下內(nèi)容。

1)壓電元件裂紋渦流檢測(cè)系統(tǒng)功能測(cè)試。驅(qū)動(dòng)及控制箱、探頭移動(dòng)功能、振子旋轉(zhuǎn)功能、氣吸移動(dòng)功能測(cè)試、氣管密閉性能測(cè)試、夾持翻轉(zhuǎn)功能測(cè)試、移動(dòng)噴碼功能測(cè)試、視覺定位測(cè)試、信號(hào)燈功能測(cè)試、開關(guān)性能、信號(hào)傳輸及控制驅(qū)動(dòng)線纜接線定義、柔性貼合性能測(cè)試等。

2)壓電元件裂紋渦流檢測(cè)系統(tǒng)軟件性能測(cè)試。包括合格品不合格品分揀測(cè)試、檢測(cè)計(jì)劃和檢測(cè)狀態(tài)顯示、振子轉(zhuǎn)速控制、探頭移動(dòng)速度控制、氣吸移動(dòng)速度控制、重復(fù)定位精度測(cè)試、翻面夾持速度控制、移動(dòng)噴碼速度控制、采集狀態(tài)信號(hào)燈功能測(cè)試等。

3)渦流信號(hào)測(cè)試。包括靈敏度和分辨力測(cè)試、信噪比測(cè)試等。

2.1 試樣測(cè)試與分析

振子所屬的元件與結(jié)構(gòu)件粘接過程中，受限于被粘件材質(zhì)、粘接劑等膨脹系數(shù)的不同，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，粘接體就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過粘接力或元件斷裂力時(shí)就會(huì)導(dǎo)致粘接破壞，使得元件碎裂或脫落[10]。基于圖1所示的彎曲振子結(jié)構(gòu)示意圖，彎曲振子經(jīng)涂膠后加溫固化過程中，因溫度變化較大，元件與結(jié)構(gòu)件的線性膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致元件的斷裂及裂紋的產(chǎn)生。為有效判斷裂紋的寬度，基于式1進(jìn)行裂紋寬度的理論計(jì)算。

(1)

式中，a為線性膨脹系數(shù)，金屬墊片為鈦合金，a=8.5×10-6/℃，元件為PZT-4材質(zhì)的陶瓷，a=2.5×10-6/℃；Δl為線膨脹量，Δl=lt-l0；Δt為溫變，Δt=45 ℃；粘接結(jié)合區(qū)域l0=φ40 mm。

由式1可得，金屬墊片線膨脹量ΔlTC4=0.015 3 mm，元件線膨脹量ΔlPZT-4=0.004 5 mm。2種材料線膨脹量差(即裂紋寬度理論值)為：

ΔlTC4-ΔlPZT-4=0.010 8 mm=10 μm

(2)

對(duì)元件開裂樣品進(jìn)行裂紋寬度顯微測(cè)量，顯微測(cè)量所得裂紋寬度情況示意圖如圖9所示，對(duì)圖9所涉數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得顯微測(cè)量寬度數(shù)值表(見表1)，由此可得實(shí)測(cè)平均裂紋寬度為24.9 μm。

圖9 壓電元件裂紋顯微測(cè)量寬度情況示意圖

表1 壓電元件裂紋顯微測(cè)量寬度數(shù)值表

裂紋寬度理論值及實(shí)測(cè)值的確定，有利于標(biāo)準(zhǔn)樣品的制作，并以此作為日常生產(chǎn)過程中設(shè)備的校準(zhǔn)。為此，利用激光刻蝕的方法對(duì)元件表面進(jìn)行不同區(qū)域(不同形狀裂紋)25裂紋的切割(見圖10)。

圖10 壓電元件裂紋標(biāo)準(zhǔn)樣品切割示意圖

基于壓電元件裂紋渦流檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)彎曲振子進(jìn)行小批量試樣測(cè)試，并與人工目檢對(duì)比。經(jīng)測(cè)試當(dāng)軟件增益設(shè)定為37.5 dB時(shí)，可有效完成彎曲振子的裂紋檢測(cè)工作，且此時(shí)裂紋檢出率高，誤檢率、漏檢率低。該階段合格品、不合格品、標(biāo)準(zhǔn)樣品阻抗曲線如圖11所示。

圖11 渦流檢測(cè)裝置阻抗曲線示意圖

2.2 批量測(cè)試與分析

立足于壓電元件裂紋自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件增益設(shè)定為37.5 dB進(jìn)行大批量檢測(cè)時(shí)，存在極少量漏檢情況出現(xiàn)，為此將軟件增益設(shè)定為38 dB，使得元件阻抗信號(hào)幅值獲得相應(yīng)程度的增大，通過閾值的篩選，可將極少量漏檢的開裂的彎曲振子篩檢而出。

在壓電元件裂紋自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)大批量檢測(cè)期間，渦流探頭受彎曲振子表面異物的影響，其探頭外壁距離壓電元件表面(銀層)發(fā)生距離偏差，致使原有系統(tǒng)軟件增益38 dB時(shí)無法對(duì)合格品、不合格品進(jìn)行篩選。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試調(diào)整，將渦流探頭外壁與壓電元件表面之間的距離固化至1 mm(見圖12)，在此距離期間，系統(tǒng)軟件增益38 dB可對(duì)合格品、不合格品進(jìn)行有效篩選。

圖12 渦流探頭與壓電元件運(yùn)行效果圖

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一套基于渦流檢測(cè)技術(shù)的壓電元件裂紋渦流檢測(cè)系統(tǒng)。利用運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)渦流探頭對(duì)壓電元件的等距、遍歷掃描，對(duì)壓電元件裂紋自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力進(jìn)行了驗(yàn)證，并經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗(yàn)證表明，當(dāng)系統(tǒng)軟件增益調(diào)至38 dB、渦流探頭外壁距離壓電元件表面1 mm時(shí)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能準(zhǔn)確區(qū)分壓電元件是否含有裂紋缺陷。