基于渦流檢測的壓電元件裂紋自動檢測系統

楊 碩，謝程鋒，何召召

(中國船舶重工集團第七一五研究所，浙江 杭州 310018)

水聲換能器的關鍵件是壓電振子，其余所有構件都是配合振子來設計；作為水聲換能器經典結構的彎曲振動換能器，其典型的三疊片結構是由2片相同的壓電陶瓷圓片(簡稱壓電元件)與一件直徑稍大的金屬件粘接起來構成一個完整的機電振動系統，統稱彎曲振子。受限于產品工作需求，在可聞聲域內，某型彎曲振動換能器將2片壓電元件與金屬墊片粘結在一起構成彎曲振子[1-3]，彎曲振子結構示意圖如圖1所示。

a) 彎曲振子裂紋外觀

彎曲振子在大批量生產時，因組成的壓電元件較薄，抗彎強度較低，受粘接劑固化時內應力、厚薄不均、加力時受力不均等多重因素影響，時常有壓電元件開裂現象出現。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，膠粘劑等污漬易進入到裂紋之中，靠人工目檢挑揀效率低，易誤判[4]。前期對裂紋無損檢測技術進行了一系列的應用研究，經研究表明，渦流檢測技術適用于該型彎曲振子壓電元件的檢測。

渦流檢測技術以周期性的正弦波作為激勵信號，采用兩路同步且正交的相敏檢波信號，經過低通濾波后得到渦流檢測線圈的電阻分量和感抗分量，最后經過數字信號處理，計算出缺陷處信號的幅值信息和相位信息。幅值反映缺陷的長度和高度信息；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]。前期渦流檢測技術應用研究期間，采用簡易支承結構使渦流探頭對壓電元件進行檢測，該簡易支承結構無法精確控制渦流探頭高度，致使所測幅值信號浮動較大，無法準確確定合格與不合格的幅值增益，導致閾值設定不合理；且該簡易支承結構無法移動渦流探頭位置，致使檢測區域無法覆蓋壓電元件表面，存在較多裂紋漏檢。為此，應基于渦流檢測技術開展壓電元件裂紋自動檢測設備的研制工作。

1 檢測系統設計

1.1 設計方案

壓電元件裂紋渦流檢測系統由多頻多通道渦流檢測儀、機械裝置、軟件系統和電控系統等組成，其設計示意圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

圖2 渦流檢測系統設計示意圖

圖3 渦流檢測系統實物圖

多頻多通道渦流檢測儀的渦流探頭由2個差分連接的正交放置式線圈探頭構成，可以降低噪聲信號的影響，提高渦流信號的信噪比[7]。渦流檢測儀產生的交變電流通過渦流探頭在元件表面銀層產生出渦流，渦流產生的磁場反過來影響渦流探頭的電阻抗[8]；當元件開裂(表面銀層斷裂)時，將破壞原有渦流場，引起檢測線圈阻抗變化，儀器通過對探頭反饋的阻抗變化電信號進行處理，得到缺陷的阻抗平面圖，通過對幅值增益的確定獲得閾值，以此完成裂紋的自動識別[9]。線圈寬度為5 mm，通過機器人夾持探頭配合旋轉掃描托盤，對元件按同心軌道(5 mm圓環)對被測元件進行表面遍歷掃描，獲得壓電元件不同區域的阻抗信號值。探頭運動軌跡及掃描范圍示意圖如圖4所示。利用SCARA機器人將探頭固定在一個平面內，可以降低探頭的抖動對測量結果的影響，而且可以利用機器人控制探頭與被測表面的距離，減少提離高度對檢測結果的影響。

圖4 探頭運動軌跡及掃描范圍示意圖

機械裝置主要用于完成振子檢測過程中各工位、工位之間的諸如定位、抓取、翻面、標記等機械動作。電控系統主要用于實時控制、服務器管理和數據存儲等，軟件系統主要用于實時系統監控、機器視覺監控、渦流探傷檢測監控等。

1.2 多頻多通道渦流檢測儀

多頻多通道渦流檢測儀主要包括渦流檢測裝置、SCARA機器人與旋轉電動機滑臺等，多頻多通道渦流檢測儀設計示意圖如圖5所示。其中作為核心部件的渦流檢測裝置采用國產越策聯合所制的MSUN-EM3000系列的多功能智能數字渦流檢測儀，其基本組成如圖6所示。該型渦流檢測裝置廣泛用于金屬缺陷渦流檢測領域，利用裝置自帶的軟件增益的調整，實現幅值大小的控制，并通過閾值的限定實現合格品、不合格品信號的差異化輸出，并以此作為元件裂紋判斷依據。

圖5 多頻多通道渦流檢測儀設計示意圖

圖6 渦流檢測裝置基本組成示意圖

1.3 機械裝置

機械裝置主要包括定位分揀裝置、翻面機構、標記裝置。機械裝置設計示意圖如圖7所示。其中定位分揀裝置包含檢測臺架、并聯機器人與定位相機等，翻面機構包括翻轉升降平臺、夾持構件等，標記裝置包括噴碼機構與移動平臺等。

圖7 機械裝置設計示意圖

1.4 軟件系統

軟件系統主要包括實時系統軟件、機器視覺軟件、渦流探傷檢測軟件和設備管理軟件等，并在軟件界面上利用裂紋與非裂紋阻抗信號的不同獲得合適的幅值增益，并與閾值進行比較，以此判斷彎曲振子是否含有裂紋。改軟件系統基于LabVIEW進行專用數據采集/分析程序的編程，軟件界面如圖8所示。

a) 主界面

2 系統測試與分析

壓電元件裂紋渦流檢測系統設計裝配完成后，對檢測系統開展功能測試試驗，主要包括如下內容。

1)壓電元件裂紋渦流檢測系統功能測試。驅動及控制箱、探頭移動功能、振子旋轉功能、氣吸移動功能測試、氣管密閉性能測試、夾持翻轉功能測試、移動噴碼功能測試、視覺定位測試、信號燈功能測試、開關性能、信號傳輸及控制驅動線纜接線定義、柔性貼合性能測試等。

2)壓電元件裂紋渦流檢測系統軟件性能測試。包括合格品不合格品分揀測試、檢測計劃和檢測狀態顯示、振子轉速控制、探頭移動速度控制、氣吸移動速度控制、重復定位精度測試、翻面夾持速度控制、移動噴碼速度控制、采集狀態信號燈功能測試等。

3)渦流信號測試。包括靈敏度和分辨力測試、信噪比測試等。

2.1 試樣測試與分析

振子所屬的元件與結構件粘接過程中，受限于被粘件材質、粘接劑等膨脹系數的不同，當溫度發生變化時，粘接體就會產生內應力，當內應力超過粘接力或元件斷裂力時就會導致粘接破壞，使得元件碎裂或脫落[10]。基于圖1所示的彎曲振子結構示意圖，彎曲振子經涂膠后加溫固化過程中，因溫度變化較大，元件與結構件的線性膨脹系數的不同，導致元件的斷裂及裂紋的產生。為有效判斷裂紋的寬度，基于式1進行裂紋寬度的理論計算。

(1)

式中，a為線性膨脹系數，金屬墊片為鈦合金，a=8.5×10-6/℃，元件為PZT-4材質的陶瓷，a=2.5×10-6/℃；Δl為線膨脹量，Δl=lt-l0；Δt為溫變，Δt=45 ℃；粘接結合區域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)

對元件開裂樣品進行裂紋寬度顯微測量，顯微測量所得裂紋寬度情況示意圖如圖9所示，對圖9所涉數值進行統計可得顯微測量寬度數值表(見表1)，由此可得實測平均裂紋寬度為24.9 μm。

圖9 壓電元件裂紋顯微測量寬度情況示意圖

表1 壓電元件裂紋顯微測量寬度數值表

裂紋寬度理論值及實測值的確定，有利于標準樣品的制作，并以此作為日常生產過程中設備的校準。為此，利用激光刻蝕的方法對元件表面進行不同區域(不同形狀裂紋)25裂紋的切割(見圖10)。

圖10 壓電元件裂紋標準樣品切割示意圖

基于壓電元件裂紋渦流檢測系統對彎曲振子進行小批量試樣測試，并與人工目檢對比。經測試當軟件增益設定為37.5 dB時，可有效完成彎曲振子的裂紋檢測工作，且此時裂紋檢出率高，誤檢率、漏檢率低。該階段合格品、不合格品、標準樣品阻抗曲線如圖11所示。

圖11 渦流檢測裝置阻抗曲線示意圖

2.2 批量測試與分析

立足于壓電元件裂紋自動檢測系統軟件增益設定為37.5 dB進行大批量檢測時，存在極少量漏檢情況出現，為此將軟件增益設定為38 dB，使得元件阻抗信號幅值獲得相應程度的增大，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檢測系統大批量檢測期間，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)發生距離偏差，致使原有系統軟件增益38 dB時無法對合格品、不合格品進行篩選。經試驗測試調整，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，系統軟件增益38 dB可對合格品、不合格品進行有效篩選。

圖12 渦流探頭與壓電元件運行效果圖

3 結語

設計了一套基于渦流檢測技術的壓電元件裂紋渦流檢測系統。利用運動機構的精確運動實現渦流探頭對壓電元件的等距、遍歷掃描，對壓電元件裂紋自動檢測系統的檢測能力進行了驗證，并經過大批量生產驗證表明，當系統軟件增益調至38 dB、渦流探頭外壁距離壓電元件表面1 mm時，所設計的系統能準確區分壓電元件是否含有裂紋缺陷。