基于渦流效應的齒輪毛坯件無損檢測儀

Nondestructive Detector Based on Eddy Current Effect for Gear Blanks

孫　燕　董浩斌　葛　健

(中國地質大學(武漢)自動化學院，湖北 武漢　430074)

基于渦流效應的齒輪毛坯件無損檢測儀

Nondestructive Detector Based on Eddy Current Effect for Gear Blanks

孫燕董浩斌葛健

(中國地質大學(武漢)自動化學院，湖北 武漢430074)

摘要：針對超聲波在齒輪裂縫檢測過程中操作復雜、成本高的問題，研究實現了基于渦流效應的齒輪毛坯件無損檢測儀。為提高檢測可靠性和精度，設計了一種馬蹄型激勵線圈和巨磁阻元件構成的專用渦流傳感器。通過COMSOL有限元軟件仿真，輔助確定傳感器的各個參數；提出了將正交鎖相放大器應用于渦流無損檢測的方案。通過被測信號的幅值和相位，有效抑制了提離效應對檢測結果的影響，成功檢測到齒輪毛坯件表面的裂縫。測試結果表明，系統可檢測深度大于0.5 mm的裂縫，具有較高的靈敏度和可靠性。

關鍵詞：無損檢測渦流正交鎖相有限元分析COMSOL提離效應

Abstract：Aiming at the problems existing in cracks detection process for gears by using ultrasonic, e.g., high cost and complex operation, the nondestructive detector based on eddy current effect for gear blanks is researched. In order to enhance the reliability and accuracy of the detection, dedicated eddy current sensor that is consists of horseshoe excitation coil and giant magneto resistance element is designed; various parameters of the sensor are determined through COMSOL finite element software simulation, and the scheme of applying orthogonal lock-in amplifier in eddy nondestructive detection is proposed. By detecting the amplitude and phase of the measured signal, the influence of lift-off effect on testing result is effectively suppressed, and the cracks on surface of gear blank can be detected successfully. The test results show that the system can detect the cracks with the depth of larger than 0.5mm; it possesses higher sensitivity and reliability.

Keywords：Nondestructive detectionEddy currentOrthogonal phase lockedFinite element analysisCOMSOLLift-off effect

0引言

齒輪是各交通工具和工業設備中的必要零件，其在生產焊接過程中可能存在未焊透、夾雜物、未熔合等現象，導致齒輪產生裂縫[1]，存在嚴重的安全隱患。因此，嚴格控制齒輪質量，對避免災難性事故的發生具有重要意義。齒輪的生產包括多個流程，若能在齒輪毛坯件階段檢測出裂縫，便可節約后續操作，節約時間與資本。當前普遍應用的檢測方法有超聲波法、射線法和磁粉法，然而超聲波檢測需要對齒輪進行打磨拋光、涂抹耦合劑，操作復雜；射線輻射危害人體健康；磁粉檢測同樣需要清潔試件[2]，均不適用。

基于此，提出基于渦流無損檢測的齒輪毛坯件裂縫檢測方法，該方法檢測速度快，靈敏度高[3]。渦流傳感器是構成渦流檢測系統的重要組成部分，對檢測結果的好壞起著重要的作用。傳統的渦流檢測通常采用棒型激勵線圈產生激勵場，采用檢測線圈檢測磁場變化[4]，靈敏度低。針對齒輪毛坯件的特點，設計了馬蹄型傳感器，并采用巨磁阻傳感器代替檢測線圈，提高了檢測靈敏度[5]。基于正交鎖相放大器的檢測電路，不僅增強了微弱信號的提取能力，同時實現了幅值和相位的測量。當傳感器在齒輪表面移動時，觀察幅值和相位的變化，判斷裂縫的存在，有效抑制提離效應引入的干擾[6]，提高檢測準確性和可靠性。

1渦流無損檢測原理

渦流檢測是建立在法拉第電磁感應基礎上的無損檢測方法，其原理如圖1所示。

圖1　渦流無損檢測原理

在激勵線圈中通入交變電流，產生交變磁場。當激勵線圈靠近被檢工件時，工件表面會感生出渦流，渦流產生一個與原磁場方向相反的磁場。若金屬工件存在缺陷，渦流感生磁場的強度及分布會改變,導致疊加總磁場發生變化[7]；磁敏元件感應磁場的變化，并將磁信號轉換為電信號；通過觀察電信號的變化判斷是否存在裂縫。

進一步研究磁場在空間及工件中的分布，列出磁場滲透方程：

2H=jωμσH

(1)

為方便研究，只觀察Z軸方向磁場分布，其磁場分布如式(2)所示：

(2)

解得：

(3)

由此可見，磁場由實部和虛部組成，磁場的幅值隨著磁場進入導體深度的增加而呈指數減小，同時磁場相位滯后。

因此，可通過檢測感應電壓的幅值和相位變化來檢測工件存在裂縫時總磁場的變化。

2電渦流傳感器設計

渦流傳感器是系統的核心，根據檢測對象的不同,其外觀和內部結構各不相同,類型繁多。

2.1　渦流傳感器物理模型

根據渦流檢測原理,傳感器首先需要一個激勵線圈,以便交變電流通過并在其周圍和受檢工件內激勵形成電磁場；同時,需要磁敏元件，以拾取磁場的變化，如霍爾元件、磁敏二極管、檢測線圈等，以反映工件各種特征。

傳感器結構模型具體如圖2所示。

圖2　傳感器結構模型

2.2　傳感器最佳激勵頻率選擇

趨膚效應是影響渦流檢測深度的關鍵因素。它是指導體表面的交變電流密度大于導體內部電流密度的現象。選取電流密度衰減到其表面值的1/e時的滲透深度作為渦流在導體內的趨膚深度。如式(4)所示。

(4)

式中：σ為金屬導體的電導率；μ為金屬導體的磁導率；f為線圈上激勵信號的頻率。

趨膚深度與激勵頻率密切相關，頻率越大，滲透深度越小，只能檢測工件淺表面的裂縫。但是，若激勵頻率過低，會使線圈與導體之間的能量耦合效率降低，從而降低渦流檢測系統的靈敏度。因此在實際渦流檢測中，要綜合考慮靈敏度與檢測深度，擇中選擇恰當的激勵頻率。

2.3　傳感器參數有限元分析

影響渦流無損檢測的因素很多，除上述激勵頻率外，還包括工件的電導率、磁導率、形狀；缺陷形狀、尺寸和位置；渦流傳感器的尺寸和形狀；工件與傳感器之間的距離[8]。

為了得到以上因素對檢測結果的影響，就必須知道反磁場的空間分布規律,即研究被測導體上的渦流分布規律。這是一個極其復雜難解的三維渦流方程的問題[9]。

為此，引入有限元分析法，一方面，通過有限元仿真可以模擬渦流傳感器作用下磁場和渦流的分布，彌補實驗中看不到的現象；另一方面，通過有限元法對渦流傳感器不同結構及參數進行仿真,優化傳感器設計。設置激勵電流為1A，激勵線圈為100匝，仿真結果如圖3所示。圖中的面表示渦流密度(A/m2)，流線表示磁通量密度(T)。

圖3(a)、圖3(b)分別為激勵頻率為100Hz、1 000Hz時工件附近磁場的分布和工件表面的渦流強度分布。由圖可以看出，激勵頻率越低，磁場的滲透深度越深，渦流強度越低，有利于檢測深處的縫隙，但不利于傳感器的靈敏度。因此，必須根據實際待檢測工件的特性，選擇合適的激勵頻率。

進一步改變傳感器半徑、高度等參數進行仿真，結果如圖3所示。

對比圖3(a)和圖3(c)可看出，增加傳感器的高度，渦流強度減小，不利于靈敏度；對比圖3(a)和圖3(d)可看出，傳感器的半徑越大，檢測的范圍越大，但靈敏度降低；對比圖3(a)和圖3(e)可知，當激勵線圈從100匝增至1 000匝時，渦流強度變為原來的10倍；對比圖3(a)和圖3(f)可知，當傳感器離工件表面的距離增大時，渦流強度減小，檢測靈敏度降低。

圖3　激勵頻率對磁場及渦流強度分布影響

2.4　傳感器實現

根據檢測原理與仿真結果設計傳感器。激勵采用馬蹄型鐵氧體作為磁芯，鐵氧體的磁導率較高，使磁場更加集中，提高傳感器的靈敏度。再在磁芯上繞上直徑為0.15 mm的漆包線，通過感應線圈、霍爾傳感器或者巨磁阻傳感器拾取磁場的變化。感應線圈的制作工藝高，靈敏度低;霍爾傳感器的線性度雖好，但靈敏度較低；巨磁阻傳感器的線性度不及霍爾傳感器，但是分辨力非常高。

鑒于探測裂縫的深度非常小，導致磁場的擾動變化很小，采用國產VA100F2巨磁阻傳感器，它的靈敏度為36 mV/(V·mT)，分辨力可達22 nT，測量范圍為±0.3 mT，可感應微小的磁場變化。

3儀器設計

根據渦流檢測原理，電路的設計目標為實現感應信號幅值和相位的測量，通過觀察幅值和相位的變化，判斷工件是否存在裂縫。

在第二節傳感器設計基礎上,分析傳感器輸出信號，設計系統電路。系統框圖如圖4所示。

圖4　系統框圖

系統主要包括三部分，分別為激勵信號模塊、以正交鎖相放大器為核心的信號調理及數據采集模塊、人機交互界面設計。

3.1　信號激勵模塊

系統采用正弦波作為激勵信號。由傳感器參數仿真可知，增大激勵電流，能增大渦流強度，提高傳感器的靈敏度。但由于系統中渦流傳感器尺寸精小且巨磁阻傳感器的飽和磁場較小，因此激勵電流不需要很大。普通的運放輸出電流為十幾毫安，無法驅動傳感器，所以正弦信號必須先經功率放大。為了方便改變激勵電流的大小，設計幅值可調的正弦波，通過功率放大后激勵線圈，具體如圖4中信號激勵模塊設計。為簡化電路設計，系統采用LM1875集成音頻功放，音頻功放的頻率范圍為20 Hz~20 kHz，輸出功率為25 W，符合設計要求。

3.2　信號檢測模塊

鎖相放大器是信號檢測模塊的核心，它基于互相關原理，將被大量噪聲淹沒的微弱信號和與該待測信號同頻的參考信號進行互相關，從而提取出有用信號。正交型鎖相放大器對檢測信號的測量不受參考信號的影響，避免了由于參考信號的自相關運算帶來的測量誤差[10]，最終輸出Uoi和Uoq兩路直流信號，依此求出幅值和相位。

3.2.1正交鎖相放大器原理

正交鎖相放大器的基本原理如圖4中所示信號檢測模塊。待測信號通過濾波放大處理后，利用相敏檢波器與參考信號相乘，最終經低通濾波器輸出直流信號。

待測信號：

x(t)=Uscos(ω0t+θ)

(5)

參考方波：

(6)

式中：Us為待測信號的幅值；ω0為待測信號的頻率；θ為待測信號與參考信號的相位差；Ur為參考信號的幅值。

濾波放大后的待測信號經AD630，將待測信號與參考信號相乘，得到式(7)：

{cos[(2n-2)ω0t-θ]+cos(2nω0t+θ)}

(7)

經過低通濾波器作用后，n>1的差頻項和所有和頻項均被濾除，只剩n=1的差頻項。

(8)

(9)

由式(8)、式(9)得出：

(10)

(11)

3.2.2正交方波信號實現

兩路相位差為90°的參考方波的穩定性在正交鎖相放大器中至關重要，若正交方波相位不穩定，將直接影響最終求出的相位的準確性。

正交方波的產生方法很多，可以通過DDS、AD9854同時產生0°和90°方波，但其成本較高；也可將D觸發器與非門結合，將0°方波移相90°，但是該方法輸出的方波頻率為輸入的二分之一，輸入信號必須先倍頻鎖相，電路復雜。本系統采用單片機定時器編程產生正交方波，輸出穩定，最大程度地簡化了電路。

3.2.3信號檢測電路實現

傳感器輸出的信號時常不穩定，幅值小，含有直流偏置和各項諧波。因此不能直接對該信號進行鎖相，必須先進行放大濾波處理。巨磁阻傳感器輸出為差分模式，因此采用INA128差分放大器進行放大，抑制共模噪聲；再通過高Q值帶通濾波器，提高信號的穩定性和純凈度；然后經過相敏檢波和低通濾波器，得到直流信號。相敏檢波器采用高精度同步解調器AD630，將待測信號和參考信號進行相乘，最終經過低通濾波器輸出直流信號。

要保證系統輸出幅值和相位的準確性，低通濾波器的濾波效果是關鍵所在。為使輸出交流噪聲盡量小，采用美信公司的MAX291，8階開關集成低通濾波器，截止頻率可達0.5 Hz，具有很好的濾波效果。MAX291內部集成運放，利用該集成運放搭建二階低通濾波器，配合MAX291濾波，可進一步改善濾波效果。采統采用24位雙通道同步模數轉換器PCM1804進行數據采集，采集得到的數字量通過串口上傳至主控芯片STM32，進行進一步的數據處理。

3.3　人機交互界面

儀器采集的數據通過串口傳輸至計算機，計算機實時顯示幅值和相位。系統采用LabVIEW圖形化編程語言編寫串口接收程序，編寫簡單，界面清晰，便于觀測電渦流傳感器在檢測過程中信號的實時變化。

4測試結果

4.1　雙通道同步測試

為保證測試結果的準確性，A/D雙通道同步至關重要。若兩通道不同步，則會導致實部和虛部采集數據錯位，影響檢測結果。A/D同步測試如圖5所示。從圖5可以看出雙通道數據采集完全同步。

圖5　A/D同步測試

4.2　整體檢測性能測試

將傳感器置于待測齒輪毛坯件表面，當傳感器經過深度為1 mm的裂縫處時，感應信號幅值明顯增大，相位減小，如圖6所示。

圖6　感應信號變化曲線

由圖6可見，當傳感器位于裂縫上方時，激勵磁場與渦流感生磁場共同作用下的磁場強度增大，相位滯后。同步觀察幅值和相位，使反映的裂縫信息更豐富，降低噪聲干擾，提高檢測準確度。實驗測試結果表明,系統可檢測深度大于0.5 mm的裂縫。

5結束語

針對當前超聲波檢測在毛坯件、在役鑄件的裂縫檢測中操作復雜、成本高的問題，設計了基于渦流效應的齒輪毛坯件無損檢測儀。測試結果表明，儀器可識別深度大于0.5 mm的裂縫，具有較高的分辨率和靈敏度。

系統以提高檢測靈敏度和降低提離效應等干擾噪聲為目的，從傳感器和檢測電路兩方面進行研究設計。傳感器設計方面，采用馬蹄型線圈和高精度、高分辨率的巨磁阻傳感器代替傳統線圈，使系統可以識別微小的縫隙。在信號檢測電路方面，設計基于互相關原理的正交鎖相放大器，不僅提高了對微弱信號的檢測能力，還可以實現幅值和相位的測量。相對于傳統渦流檢測，引入相位信息并同步觀察幅值和相位的變化，能有效抑制干擾噪聲。利用儀器樣機對工廠提供的齒輪毛坯件進行裂縫檢測，測試結果表明，在裂縫處，傳感器感應信號的幅值明顯增大，相位明顯減小，驗證了理論分析的正確性和方案的可行性。

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中圖分類號：TH13;TP274+.5

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508024

國家自然科學基金資助項目(編號：41474158)；

中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(編號：CUG110822)；

中國地質大學(武漢)教學實驗室開放基金資助項目(編號：skj2014149)。

修改稿收到日期：2015-04-13。

第一作者孫燕(1991-)，女，現為中國地質大學(武漢)儀器與科學專業在讀碩士研究生；主要從事自動化儀表、弱磁檢測技術、地球物理儀器方面的研究。