基于LabVIEW的電磁超聲熱態金屬在線缺陷檢測系統*

楊鍵剛,吳運新*,龔 海,李 偉,韓 雷

(1.中南大學機電工程學院,長沙 410083;2.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室,長沙 410083)

隨著科技高速發展,以及載人航天、探月工程、國產大飛機和高速鐵路等項目的順利開展,迫使對材料使用前的性能評判以及在極端工況下材料的使用性能提出了嚴峻的要求。提前預知構件加工過程中及加工后內部缺陷,可即時剔除殘次品和避免生產事故,從而提高材料的重復使用及服役性能。超聲無損檢測具有超強的適應環境能力,又因為其適用范圍廣,檢測方法簡單,檢測精度高等特點,已成為業內普遍采用的無損檢測方法[1-4]。對于目前常規的壓電超聲檢測方法,由于需要耦合劑、且對被測樣品表面要求較高,無法滿足高溫及粗糙表面等極端環境下的構件缺陷檢測。

電磁超聲檢測作為一種新興的方法,通過電場與磁場耦合機制直接在材料趨膚層形成超聲波,因此可不需要耦合劑、且有望適用于高溫及表面粗糙等極端環境。業內對相關電磁超聲的研究也逐年增多,Kang等[5]設計了新型的瑞利波電磁超聲換能器提升了超聲信號的幅值。Han等采用電磁超聲技術可以對鐵軌的表面和內部缺陷進行無接觸式檢測。Burrows等[6]研究了電磁超聲技術對不銹鋼和低碳鋼進行高溫厚度測量。美國太平洋西北實驗室研制了可以實現短時間內對高溫下的高溫鋼錠進行電磁超聲檢測的高溫探頭。王淑娟等[7-9]研究了基于電磁超聲表面波的鋼軌輪對踏面的缺陷檢測,并對探測系統采集到的回波信號進行了降噪處理。黃松嶺等[10-11]設計了油氣管道管狀的電磁超聲導波檢測系統,楊理踐等[12-13]對表面波/Lamb波EMAT的建模和設計設計進行了研究,特別是超聲波的產生和傳播過程,并開發了相應的軟硬系統。

然而,針對高溫下電磁超聲檢測系統的開發研究較少,尤其是高溫下缺陷當量確定的AVG曲線及可持續接觸高溫的激發/接收傳感器。為此,本文將基于LabVIEW軟件開發了具有表征缺陷當量的AVG曲線、超聲波信號的定位、溫度實時監控及濾波處理算法等功能模塊的檢測軟件,同時結合基于自制耐高溫陶瓷線圈及水循環冷卻系統的可持續長時間接觸高溫的超聲SV波激發/接收傳感器和高功率RPR-4000主機來構建適用于高溫環境下的電磁超聲檢測系統。

1.電腦主機;2.高速數據采集卡;3.溫度變送器;4.阻抗匹配網絡;5.電磁超聲主機;6.電磁超聲傳器;7.水泵;8.金屬試塊;9.溫度傳感器

1 總體方案和工作原理

電磁超聲熱態金屬在線缺陷檢測系統的主要結構如圖1所示,主要包括帶水循環的電磁超聲傳感器、高功率脈沖主機、阻抗匹配網絡、溫度監測系統和數據采集與處理上位機軟件。在整個高溫金屬缺陷檢測過程中,高功率脈沖主機為高溫電磁超聲傳感器提供固定頻率的激發信號,傳感器產生超聲波信號在被測金屬材料內傳播,同時傳感器接收超聲波信號傳輸至高功率脈沖主機。通過調節阻抗匹配網絡,超聲波接收信號達到功率最大。電磁超聲檢測上位機軟件通過高速采集卡采集超聲波接收信號,進行信號分析與處理等功能。電磁超聲傳感器內部帶有水循環系統,可在高溫環境下對傳感器進行降溫,保證高溫下的磁鐵不失效。溫度監測系統實時監測溫度變化,并集成在上位機軟件中,對相應的高溫檢測參數進行實時調節。

2 硬件設計

2.1 高溫電磁超聲傳感器

高溫電磁超聲傳感器主要由上蓋,中部套筒和底座組成。電磁超聲傳感器的本質是由螺旋線圈和磁鐵構成用來激發和接收超聲波信號。為適應在高溫環境下長時間工作,需要考慮線圈與磁鐵的耐高溫程度以及高溫對其工作性能的影響。由于普通的漆包線圈在高溫狀態下會出現變形短路的現象,會導致線圈在激發與接收信號的效率大幅度下降甚至會完全失去作用,且線圈與試塊間的平行度和提離距離需要嚴格控制,所以在設計螺旋線圈時,本文采用陶瓷層銀線繞制螺旋線圈來進行耐高溫設計,用陶瓷將線圈間隔開,防止線圈出現短路的現象影響性能,同時通過高溫燒制將線圈和陶瓷固定在傳感器底座,保證了平行度和提離距離的要求。銀線相比銅線在高溫下不容易被氧化和變質,采用的高溫陶瓷是一種雙組份硅酸鹽材料,粘結強度大,最高溫度可達1 730 ℃,在高溫下依然能保持高可靠性和穩定性。在繞制螺旋線圈過程中,對于普通的NdFeB材料的磁鐵雖然可以提高強磁,但一般最高的承受溫度為80 ℃[14-15]。所以選用了高溫下性能良好的釤鈷永磁鐵,其耐受溫度一般300 ℃[16]。由于傳感器需要對400 ℃以上的金屬材料進行長時間的無損檢測,所以參考高溫激光探頭的水冷設計[17],考慮采用探頭內部水循環的方式將探頭溫度盡量控制在200 ℃左右。

如圖2所示,冷卻水從探頭下端進入,利用圓環形擋板的缺口設計首先讓冷卻水在磁鐵底部與高溫陶瓷之間進行流動,然后讓冷卻水從擋板的另一端缺口流入到磁鐵的上方區域進行充分冷卻,最后由傳感器探頭的上端出水口流出。整個水冷卻過程能夠對磁鐵溫度最高的底部區域進行冷卻,同時能夠對整個磁鐵起到降溫作用,減少了高溫對磁鐵性能的影響。本文設計的傳感器探頭主要通過螺旋線圈與偏置磁場的組合激發超聲波橫波信號,探頭頻率為1 MHz,線圈直徑為25 mm。

圖2 傳感器內部水循環冷卻示意圖

2.2 電磁超聲發生接收主機

雖然電磁超聲檢測具有無需耦合劑和適應高溫環境等特點,但是電磁超聲傳感器相比其他常規傳感器具有高衰減性的缺點,所以選用了RITEC公司生產的高功率脈沖發生接收儀RPR-4000進行信號激發與接收。RPR-4000可以在占空比為1%時,輸出功率達到8KW RMS。在檢測高衰減性材料與傳感器應用時,RPR-4000的發生/接收效率更高。發生/接收器的頻率范圍均為200 kHz～20 MHz,接收器能夠有效降噪,最大增益可達100 dB,能夠滿足實驗的需要。同時,RPR-4000配備有LCD前面板顯示屏和數字式鍵盤,在實驗現場使用時裝配線非常簡單,且高功率零部件均配備了制冷裝置,可以確保在試驗現場不會受到高溫的干擾。

2.3 超聲接收信號的測量

超聲接收信號的測量主要選用自行研發的高溫電磁超聲傳感器,它是一個帶有水循環系統的金屬探頭,能長時間在高溫環境下工作,可在被測金屬表面產生電磁超聲信號,并在超聲波信號返回時接收。

超聲接收信號的產生過程主要如下:本文主要采用鐵磁性材料進行實驗,而目前研究表明在鐵磁性材料中的電磁超聲換能機理主要涉及洛倫茲力和磁致伸縮力,而磁致伸縮與溫度有關。當溫度達到500 ℃高溫時,磁致伸縮效應會急劇下降,且在強磁場作用下洛倫茲力起主要作用,所以在此高溫下僅考慮洛倫茲力機理激發超聲波[18-21],電磁超聲傳感器的線圈通過高頻率、大功率的電流,此時在被測金屬內部產生了與之方向相反的感生渦流,永磁鐵的靜磁場與感生渦流產生洛倫茲力,而感生渦流由于高頻在被測金屬層產生高頻超聲波,并向金屬內部傳播,而電磁超聲信號的接收過程其實是激發超聲信號的逆過程。

超聲接收信號首先通過信號線傳輸至電磁超聲主機,而從電磁超聲主機到電腦的數據采集與傳遞,主要由高速數據化儀NET8544完成。電磁超聲主機與數據采集卡的通訊方式主要采用DTR外觸發信號的方式進行,首先主機的外部觸發輸出接口接入數據采集卡的DTR管腳,同時采集卡連接好主機的接收信號輸出接口。數據采集卡NET9544與電腦的通訊主要通過TCP/IP協議實現。當電腦發出開始采集指令時,采集卡并不是立馬進行采集工作,采集卡接收到外部脈沖信號則開始進行AD轉換,進入采集狀態,如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 軟件模塊組成

檢測軟件主要負責發出數據采集命令,同時接收數據采集卡傳回的超聲接收信號數據,并進行被測試件厚度測量,缺陷信號的定位與定量和超聲信號的降噪等數據后處理工作。檢測軟件為漢字菜單界面,可以實現試件材料選擇,濾波參數調整和聲速標定等功能,可以隨時切換波形圖種類如全波圖、包絡圖等,測量信號可以在線保存,同時自動轉換成Excel文件。

檢測軟件模塊組成如圖4所示,其主要功能包括濾波與采樣參數設定、信號波形顯示、試塊厚度測量、聲速標定、溫度實時監控、溫度參數修正和缺陷信號檢測等。由于檢測過程為在線移動檢測,對信號的更新速度有一定的要求,經檢測信號測量到顯示整個過程小于1 s,檢測軟件通用性較強,減少了軟件重復設計的工作量,比如可以選擇試塊材料種類如45號鋼、鋁等,針對不同頻率的探頭,可以設置不同參數的AVG曲線進行缺陷定量,提高了測量的準確度,適用于不同的檢測需求。

圖4 檢測軟件模塊組成

圖5 檢測軟件界面

3.2 高溫AVG曲線及超聲信號定位

AVG曲線是描述規則反射體的距離(A)、回波高度(V)及當量尺寸(G)之間的關系的曲線。常規的AVG曲線主要應用于金屬材料內常溫下的缺陷定量檢測,而隨著溫度的升高會影響固體內傳播聲速以及超聲接收信號的幅值,導致常規AVG曲線在判定缺陷時產生誤差。本論文針對多次高溫實驗數據,對AVG曲線進行了溫度和幅值修正,適用于高溫下的缺陷定量檢測,并將修正后的AVG曲線集成到基于LabVIEW開發的檢測軟件中。如圖5所示,軟件集成了AVG曲線參數設置包括探頭尺寸、當量尺寸等,同時設計了缺陷位置和當量大小的顯示界面。進行實際檢測時,設定AVG曲線的參數,在波形圖中可以根據AVG曲線來進一步確定缺陷的當量尺寸。

檢測軟件同時集成了超聲信號定位的功能。如圖5所示,超聲定位模塊包括波門的參數設置,X軸范圍的調節以及超聲波聲速標定。用戶可以通過利用波門套取波形圖中所需的信號,進行超聲波的聲速標定和位置確定。在實際測試過程中,波門能夠進行快速精確地確定底波的位置和缺陷的深度。

3.3 溫度監控功能

由于電磁超聲檢測系統需要長時間在高溫工況下工作,而溫度的變化對超聲波聲速和超聲接收信號的幅值都有直接的影響,會對缺陷檢測的定位和定量產生誤差,所以需要將實時溫度數據接入軟件中,對聲速進行修正和幅值補償,而市面上的溫度記錄儀只進行數據后處理,無法實時數據傳輸。

溫度監控系統主要由溫度傳感器、溫度變送器、數據采集卡和監控軟件組成,溫度傳感器主要采用探針式K型熱電偶,測溫范圍為0～1 100 ℃,能夠滿足現場測溫的需要。溫度變送器主要的作用是接收來自接收來自于現場的熱電偶信號,經過隔離和線性化處理變送輸出電壓信號,輸出電壓信號為0～5 V,再將輸出的電壓信號傳輸至輸入量程為0～5 V且帶有雙通道輸入的高速數據采集卡中。在基于LabVIEW的缺陷檢測軟件中接入實時溫度數據,同時進行實時顯示,與英華達公司生產的溫度無紙記錄儀進行溫度測量實驗對比誤差不超過2.5%,溫度監控系統結構如圖6所示。

圖6 溫度監控系統結構圖

3.4 信號處理模塊

經過數據采集之后,檢測軟件提取到了原始信號的數據,并對數據進行一系列的濾波降噪處理來達到理想的效果。目前,累積平均算法已經成為處理EMAT接收信號的常用方法,因為EMAT信號的噪聲波形是隨機、不可控的。而軟件集成該算法可以利用此特點,經過多次采集信號,將對應的采樣點加權求和而后平均來明顯減少噪聲信號。

在實際應用中,電磁超聲在線缺陷檢測系統會受到周圍環境的電磁干擾而產生噪聲,這些噪聲會嚴重影響信號的測量精度和穩定性,導致缺陷信號的定位和定量出現明顯誤差。如圖7所示,軟件集成了數字濾波器對信號進行再處理,將數字輸入信號中包含頻率成分的相對比例進行優化。LabVIEW中提供了豐富的數字濾波器種類,檢測軟件采用了IIR濾波器對輸入信號進行濾波處理。濾波效果對比如圖8所示。

圖7 數字濾波器的設計

圖8 超聲接收信號對比

3.5 采樣與通訊及其他模塊

本文研制的在線缺陷檢測系統主要由上下位形式組成,上位機軟件可直接對采樣頻率、采集時間和濾波平均次數等參數進行設置,采集速度穩定快速并對采集的數據可以便捷地保存和讀取。下位機如電磁超聲發生接收主機、溫度傳感器和電磁超聲傳感器等主要通過工業控制中應用廣泛的MODBUS協議進行通訊,而上位機檢測軟件與高速采集卡NET8544通訊主要通過TCP/IP協議實現。NET8544是由北京阿爾泰科技公司生產的一種基于以太網總線的高速數據采集卡,主要適用于高速、大容量的數據采集,采用頻率最高可達40 MHz,并可以進行多通道同步采集。同時NET8544具有強大的容錯處理,它將數據采集線程作為工作者子線程,而數據處理線程作為非工作者子線程,雖然優先進行數據采集的指令,但是采集卡設置了多個緩沖隊列進行數據緩存,數據采集原理如圖9所示,線程之間永遠差了一拍,不會造成數據的堵塞或者出錯,對比傳統的數據采集卡,對于頻率較高的超聲波信號采集更加適用。

圖9 數據采集原理示意圖

4 實驗

為驗證本文開發的電磁超聲熱態金屬在線缺陷檢測系統的有效性和準確性,采用上述工藝和設計思路搭建了電磁超聲熱態金屬在線缺陷檢測平臺,并在中國某重型機械公司熱加工車間進行了現場高溫鍛件缺陷檢測。實驗采用了尺寸為800×300×125的45號鋼矩形試塊作為被測樣品,并在底面預制了直徑為4 mm和6 mm,深度為15 mm的平底孔缺陷,且兩個預制缺陷位置距離側面200 mm,橫截面尺寸如圖10所示,超聲主機脈沖參數設置為激發頻率1 MHz,cycle數5,增益值80 dB,檢測軟件設置為半波顯示,檢測材料設置為碳鋼。

圖10 被測試塊尺寸圖

在實驗環境下,采用常規壓電超聲對被測樣品在室溫下進行缺陷當量大小檢測,檢測出鍛件內部缺陷當量大小分別為6 mm和4 mm。為驗證高溫下電磁超聲檢測的可行性,首先對上述標定樣品進行加溫,如圖11所示,從加熱爐出爐到放置等待被測時溫度為467.8 ℃。

圖11 對樣品進行高溫檢測

采用自行開發的電磁超聲熱態金屬在線缺陷檢測系統對標定樣品進行高溫檢測,在467.8°C溫度下分別對預制的4 mm和6 mm平底孔缺陷進行定量判定,結果如圖12所示。高溫傳感器在檢測時,直接與被測樣品接觸,并讓其持續工作2 h以上,發現超聲信號不受影響,說明自行開發的電磁超聲熱態金屬在線缺陷檢測平臺可持續在高溫環境下工作。

圖12 平底孔缺陷

5 結論

由于傳統的常規超聲檢測無法滿足高溫等極端環境下的材料內部缺陷探測。本文基于LabVIEW軟件開發了針對高溫等極端環境下的電磁超聲在線缺陷檢測系統,通過結合運用軟件模塊中的AVG曲線功能和超聲波信號的定位功能,可方便的檢測出當量4 mm缺陷以及判定底波與缺陷位置。同時采用開發的溫度實時監控和濾波處理功能,可有效監測出被測材料的實時溫度和對超聲信號進行濾波降噪,以便減少缺陷定位定量誤差以及提高信噪比。另外,通過采用耐高溫陶瓷對傳感器激發和接收線圈工藝進行改進、開發適用于傳感器的水循環冷卻系統,使熱態超聲檢測系統可在接近500 ℃高溫下持續工作2 h以上。最后,此電磁超聲熱態金屬檢測系統在中國某重型機械公司成功的進行了高溫鍛件的缺陷檢測。

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