電渦流檢測系統(tǒng)的仿真分析與實驗研究

張榮華 劉建旭

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院)

電渦流檢測系統(tǒng)的仿真分析與實驗研究

張榮華 劉建旭

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院)

設(shè)計了一個EC-AMR電渦流檢測系統(tǒng)。運(yùn)用基于有限元分析法的COMSOL軟件對影響檢測結(jié)果的主要因素進(jìn)行仿真分析，并將結(jié)果應(yīng)用于實驗中。實驗選擇異向磁阻三軸磁場傳感器HMC1043感應(yīng)空間磁場的變化，由STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與顯示，實現(xiàn)了鋁板表面微小缺陷的高靈敏、顯著檢測。

電渦流檢測系統(tǒng) 鋁板表面缺陷 AMR傳感器 STM32 PCB板線圈 COMSOL

渦流檢測的工作原理是建立在電磁技術(shù)基礎(chǔ)上的，當(dāng)被測樣品處在變化的磁場周圍時，其內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的渦流，而渦流的變化和被測樣品有很大關(guān)系。當(dāng)被測樣品表面有缺陷時，其渦流產(chǎn)生的磁場會發(fā)生變化，此時利用磁傳感器就能對其變化做出相應(yīng)的輸出，進(jìn)而獲得非鐵磁性材料的磁導(dǎo)率、缺陷位置及厚度等參數(shù)。工業(yè)領(lǐng)域中的航空飛機(jī)精密部件，如機(jī)翼和機(jī)身鉚接處，在飛行中由于機(jī)械應(yīng)力的作用極易產(chǎn)生機(jī)械損傷[1]。但是常規(guī)的渦流缺陷檢測技術(shù)，如滑動渦流(Eddy Current,EC)探針、自動調(diào)零EC探針等對缺陷的檢測靈敏度和表征效果不是特別顯著[2～4]。為此，筆者設(shè)計了一個電渦流檢測系統(tǒng)，利用COMSOL軟件對線圈的提離高度、匝數(shù)和位置進(jìn)行仿真分析，同時在實驗中利用各向異性磁阻(Anisotropic Magneto Resistive,AMR)傳感器和STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，以實現(xiàn)鋁板表面微小缺陷的檢測。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

電渦流檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括信號源部分、探頭部分、電源模塊和結(jié)果處理部分。首先給PCB線圈通入兩路經(jīng)過電流源處理后的正弦電流信號，設(shè)置電流源是為了將電壓激勵變?yōu)殡娏骷睿瑥亩档托旁氡取鞲衅餮靥筋^靈敏軸方向掃描鋁板，數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32處理器采集顯示后，將數(shù)據(jù)經(jīng)過串口上傳給上位機(jī)并進(jìn)行分析處理，以此來表征鋁板的缺陷信息。

圖1 電渦流檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件部分

HMC1043是一種采用霍尼韋爾AMR技術(shù)的微型三軸磁場傳感器，一般應(yīng)用在需要檢測微弱磁場變化的裝置中。HMC1043磁場傳感器的測量范圍為-6～6Gs，能夠達(dá)到本系統(tǒng)精度的要求。

利用STM32給入的S/R置位脈沖信號頻率，得到需要的實驗檢測頻率，進(jìn)而對外部磁場進(jìn)行檢測。 勵磁信號發(fā)生器選用PXI-5412板卡。PXI-5412是一款100MS/s的任意波形發(fā)生器，其失真小于20ps。PXI-5412板卡產(chǎn)生的正弦激勵信號經(jīng)電流源處理后給兩個勵磁線圈[5～7]。

線圈選擇PCB板線圈，匝數(shù)200匝，電流0.1A，提離高度1.5mm。

采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 軟件部分

STM32軟件編程環(huán)境選擇Keil5，編程中首先需產(chǎn)生一個脈沖信號，當(dāng)捕獲到脈沖信號的上升沿時(只有到達(dá)上升沿時，傳感器才能正常采集磁場信息)開啟STM32的AD轉(zhuǎn)換功能。程序設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，主要有系統(tǒng)初始化、中斷、參數(shù)選擇、采集、濾波和結(jié)果分析顯示6個模塊，具體流程如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計流程

電渦流檢測系統(tǒng)在檢測過程中的噪聲主要來自高頻部分，如探頭的抖動等。所以選擇簡單的整系數(shù)低通濾波器來濾除部分的高頻信號[8,9]，其系統(tǒng)函數(shù)與頻率響應(yīng)函數(shù)分別如下：

(1)

(2)

綜合式(1)、(2)有：

(3)

將m=2、p=3代入式(3)求出轉(zhuǎn)移函數(shù)：

轉(zhuǎn)換為時域方程：

y(n)=3y(n-1)+y(n-3)-3y(n-2)+

x(n)-3x(n-2)+3x(n-4)-x(n-6)

在STM32處理器中，根據(jù)時域方程依靠加法運(yùn)算即可實現(xiàn)低通濾波算法。

2 系統(tǒng)的仿真分析

2.1 建模

COMSOL Multiphysics以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真。該軟件可以靈活地建模，可以將實際的物理環(huán)境通過計算機(jī)重現(xiàn)在虛擬環(huán)境中并進(jìn)行仿真。因此，筆者利用COMSOL軟件對鋁板構(gòu)建模型并進(jìn)行仿真。無缺陷時的仿真模型如圖4所示，有缺陷時的仿真模型如圖5所示。

圖4 無缺陷時的仿真模型

圖5 有缺陷時的仿真模型

初始仿真參數(shù)如下：

鋁板厚度(thick) 3mm

線圈主半徑R5mm

線圈次半徑r2mm

線圈匝數(shù)N10

鋁板邊長L200mm

缺陷長CL2mm

缺陷寬CW0.1mm

缺陷深度CH0.3mm

缺陷Cx0mm

缺陷Cy0mm

缺陷Cz0mm

線圈夾角(theta) 0°

脈沖占空比tt0.5

脈沖周期T0.1ms

電流強(qiáng)度Ai0.1A

提離高度H0.7mm

線圈之間距離(Gap) 1mm

線圈x軸位置(Coil_X) 0mm

線圈y軸位置(Coil_Y) 0mm

2.2 仿真與結(jié)果分析

在渦流檢測中，敏感線圈的設(shè)計起到至關(guān)重要的作用，其形狀、尺寸及位置等參數(shù)對磁阻傳感器的靈敏度和測量范圍的影響很大。仿真采用矩形線圈，圖6是單匝線圈鋁板的仿真結(jié)果；改變線圈匝數(shù)為200匝時，其仿真結(jié)果如圖7所示。對比圖6、7可以看出改變匝數(shù)對檢測結(jié)果的影響很小。

圖6 單匝線圈鋁板的仿真結(jié)果

圖7 多匝線圈鋁板的仿真結(jié)果

改變線圈提離高度，仿真結(jié)果如圖8所示。可以看出，提離高度的不同對仿真結(jié)果影響很大，當(dāng)提離高度為0.1mm時，結(jié)果失真；當(dāng)提離高度過大時，結(jié)果不收斂。

圖8 不同線圈提離高度的仿真結(jié)果

改變線圈位置，使矩形線圈平行放置在PCB的兩側(cè)，仿真結(jié)果如圖9所示。根據(jù)奧斯特原理，在HMC1043芯片周圍磁場得到了加強(qiáng)，系統(tǒng)的精確度和靈敏度得到了提高。

圖9 矩形線圈平行放置在PCB兩側(cè)的仿真結(jié)果

由于兩個線圈平行放置在PCB板兩側(cè)，將導(dǎo)致兩個線圈具有不同的提離高度，因此該提離高度差異在進(jìn)行缺陷分析時需要考慮進(jìn)去，常用的方法是通過增加磁場幅值均值來補(bǔ)償校準(zhǔn)檢測結(jié)果。

3 實驗與結(jié)果分析

使用基于STM32處理器的電渦流檢測系統(tǒng)對試件鋁板表面進(jìn)行渦流無損檢測，缺陷尺寸為5mm×3mm×3mm，電動三軸勻速掃描鋁板，速度2cm/s，正弦信號頻率500Hz，采樣頻率2kHz，提離高度1.2mm，兩次掃描結(jié)果如圖10所示。當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.3mT時，對應(yīng)的AMR傳感器輸出電壓為8mV。圖11為經(jīng)過上位機(jī)分析得出的z軸方向輸出相對電壓與缺陷位置的關(guān)系，可以看出，系統(tǒng)在鋁板沒有缺陷的部分，電壓輸出恒定，當(dāng)有缺陷時，電壓出現(xiàn)突變，進(jìn)而可以判定缺陷的存在，同時從結(jié)果中也可以提取出缺陷的特征信息。

圖10 掃描結(jié)果

4 結(jié)束語

筆者針對常規(guī)渦流缺陷檢測技術(shù)存在的靈敏度低和表征效果不顯著問題，設(shè)計了一個電渦流檢測系統(tǒng)。基于電渦流基本原理，利用仿真模型對影響渦流無損檢測的因素進(jìn)行仿真分析，得出合適的尺寸、線圈位置等參數(shù)。同時利用STM32對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，對電動三軸平臺進(jìn)行控制以調(diào)整合適的位置和速度。結(jié)果表明：該電渦流檢測系統(tǒng)靈敏度高，AMR傳感器體積小、成本低、電壓范圍小，系統(tǒng)在較寬的頻率范圍內(nèi)線性靈敏度較好，能夠有效檢測緊固件上的微小缺陷。

圖11 z軸方向的輸出相對電壓與缺陷位置關(guān)系

[1] Hosseini S,Lakis A A.Application of Time-Frequency Analysis for Automatic Hidden Corrosion Detection in a Multilayer Aluminum Structure Using Pulsed Eddy Current[J].Ndt & E International,2012,47(2):70～79.

[2] 周正干,孫廣開,馬保全,等.先進(jìn)復(fù)合材料超聲無損檢測新技術(shù)的應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報,2014,32(9):15～20.

[3] 陳佩華.平板導(dǎo)體缺陷復(fù)合式渦流檢測技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[4] Garcíamartín J,Gómezgil J,Vázquezsánchez E.Non-Destructive Techniques Based on Eddy Current Testing[J].Sensors, 2011,11(3):2525～2565.

[5] Bernieri A,Betta G,Ferrigno L,et al.Multifrequency Excitation and Support Vector Machine Regressor for ECT Defect Characterization[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2014,63(5):1272～1280.

[6] Yang G,Zeng Z,Deng Y,et al.3D EC-GMR Sensor System for Detection of Subsurface Defects at Steel Fastener Sites[J]. Ndt & E International,2012,47(2):20～28.

[7] Theodoulidis T,Wang H,Tian G Y.Extension of a Model for Eddy Current Inspection of Cracks to Pulsed Excitations[J]. Ndt & E International,2012,47(2):144～149.

[8] 呂緒敬.寬阻帶微帶低通濾波器的設(shè)計與研究[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

[9] 龔作豪,沈君鳳.巴特沃斯低通濾波器的仿真設(shè)計[J].信息通信,2014,(7):40～41.

SimulationAnalysisandExperimentalStudyonEddyCurrentDetectionSystem

ZHANG Rong-hua, LIU Jian-xu

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity)

The EC-AMR eddy current detection system was designed. Applying the finite element analysis-based COMSOL software to analyze factors which influencing detection results was implemented and the detection results were applied to the experiment. Through choosing HMC1043 triaxial magnetic field sensor with incongruous magnetic resistance to induct the change of space magnetic field and adopting STM32 processor to collect and process and display the data, both highly-sensitive detection and monitoring of small defects on the aluminium plate’s surface can be realized.

eddy current detection system, surface defect of aluminium plate, AMR sensor, STM32, PCB plate coil, COMSOL

TP216

A

1000-3932(2017)01-0016-05

聲明

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(61402330)；高等學(xué)校博士點轉(zhuǎn)向科研基金項目(20131201120002)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(15JCQNJC01500)；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金項目(20140727)。

張榮華(1983-)，博士研究生，從事電磁渦流無損檢測及其相關(guān)理論方面的研究。

聯(lián) 系 人：劉建旭(1991-)，碩士研究生，從事電渦流無損檢測及其應(yīng)用方面的研究，623225503@qq.com。

2016-06-29)

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