ACFM電磁無損檢測技術在汽車罐車定期檢驗中的應用

摘 要：汽車罐車定期檢驗是移動式壓力容器安全管理工作中的重要部分，對提高汽車罐車使用壽命和安全性具有重要作用。現行方法檢驗結果置信度較低且漏檢率較高，無法達到預期檢驗效果。本文針對現行方法存在的不足和缺陷，提出在汽車罐車定期檢驗中應用ACFM電磁無損檢測技術。通過對汽車罐車ACFM電磁進行無損掃描，采集罐車表面ACFM電磁信號，采用中值濾波技術對ACFM電磁信號進行濾波處理。根據麥克斯韋理論分析ACFM電磁信號，識別、檢測汽車罐車表面缺陷長度與深度。試驗證明，本文方法檢驗結果置信度超過96%，漏檢率低于1%，ACFM電磁無損檢測技術在汽車罐車定期檢驗方面具有良好的應用前景。

關鍵詞：ACFM電磁無損檢測技術；汽車罐車；定期檢驗；中值濾波技術；麥克斯韋理論

中圖分類號：TG 115" " " 文獻標志碼：A

隨著現代工業快速發展，作為一種重要的運輸工具，汽車罐車在石油、化工和食品等多個領域具有廣泛應用。然而，在運輸過程中汽車罐車可能會受各種因素的影響，如制造缺陷、道路狀況、駕駛習慣和運輸介質等，這些因素都可能導致罐車結構或性能出現損傷。定期檢驗可以及時發現并修復這些潛在問題，確保罐車在運輸過程中的安全性和穩定性，延長罐車的整體使用壽命。如果罐車存在安全隱患而未及時發現和處理，一旦發生事故，后果會非常嚴重。定期檢驗能降低事故風險，保障人民生命財產安全。各國政府對道路運輸車輛的安全性都有嚴格的規定和標準。作為道路運輸車輛的一種，汽車罐車必須按照相關法規要求進行定期檢驗。不進行定期檢驗或檢驗不合格的車輛將無法上路行駛。因此，對汽車罐車進行定期檢驗至關重要。但是現行的檢驗方法在實際應用中效果不佳，不僅檢驗結果置信度較低，而且漏檢率較高，因此需要研發一種新的檢驗方法。ACFM電磁無損檢測技術是一種先進的無損檢測技術，具有非接觸、高精度和高效率等優點，可以快速準確地檢測出金屬材料中的缺陷和損傷。目前，ACFM電磁無損檢測技術在汽車工業中具有廣泛應用，為汽車零部件的檢測和維修提供了新的解決方案，因此本文提出了ACFM電磁無損檢測技術在汽車罐車定期檢驗中應用的研究。

1 基于ACFM電磁無損檢測技術的汽車罐車定期檢驗方法設計

1.1 汽車罐車ACFM電磁無損掃描

完整的物體與表面存在缺陷的物體的磁場特征存在較大差異，ACFM電磁無損檢測技術就是利用該特征對物體表面進行ACFM電磁無損掃描，獲取電磁信號，通過分析電磁信號特征，識別并檢測物體表面是否存在缺陷。汽車罐車定期檢驗的主要內容為罐體表面是否存在裂紋、裂縫等缺陷。因此本文利用ACFM電磁無損檢測技術，通過對罐車進行ACFM電磁無損掃描，采集罐車電磁信號[1]。ACFM電磁無損掃描檢測技術是利用磁場傳感器將罐車缺陷上方的磁場信號轉化為可測量的電壓信號，在此基礎上對電壓信號進行處理與分析。汽車罐車ACFM電磁無損掃描示意圖如圖1所示。

汽車罐車周圍布設了電磁傳感器，考慮罐車體積與面積比較大，采用陣列式布設傳感器，2個相鄰傳感器間距為500mm，電磁傳感器與汽車罐車距離為1000mm.考慮傳感器掃描到的罐車缺陷周圍的電壓信號非常微弱，在實際掃描過程中利用功率放大器將信號放大[2]。由ACFM電磁信號發生器生成原始的正弦激勵信號，功率放大器將其放大后，提高了信號的帶負載能力。將放大后的信號加載到“U”形激勵上。“U”形激勵是由銅材質漆線包和“U”形錳鋅鐵氧體組成的信號激勵裝置。信號經過“U”形激勵后被電磁傳感器接收，經信號調解電路傳輸到USB采集卡上，最后由USB采集卡發送到計算機上，用于后續信號處理和缺陷識別。整個ACFM電磁無損掃描流程由開關電源供電。

1.2 掃描數據預處理

考慮汽車罐車ACFM電磁無損掃描過程中傳感器輸出的信號中有大量電磁耦合與工頻等干擾信號，為了保證汽車罐車檢驗精度，對掃描到的汽車罐車ACFM電磁信號進行中值濾波處理。中值濾波的基本原理是將一段連續的數字信號序列進行排序，將中間值作為輸出[3]。在數字信號處理中，中值濾波器通常由一個滑動窗口組成，窗口內的所有信號值按照大小排序，取中間值作為輸出。先初始化一個滑動窗口，窗口的大小可以根據具體情況進行選擇[4]。窗口內的所有信號值需要存儲在內存中。再將窗口內的所有ACFM電磁信號值按照大小進行排序。排序可以采用不同的算法，如快速排序、歸并排序等[2]。將排序后的ACFM電磁信號值取中間值作為輸出，如公式（1）所示。

（1）

式中：ε表示ACFM電磁信號中間值；δ表示濾波窗口內ACFM電磁信號標準差；μ表示濾波窗口內ACFM電磁信號數量[5]。

如果窗口內ACFM電磁信號值的數量是奇數，直接取中間值；如果窗口內ACFM電磁信號值的數量是偶數，則將中間2個值的平均值作為輸出。將滑動窗口向右移動一個單位，窗口內的所有信號值更新為新的輸入信號。重復上述步驟，直到處理完所有輸入ACFM電磁信號，以此完成對ACFM電磁信號的預處理。

1.3 汽車罐車缺陷識別檢驗

在上述基礎上，根據ACFM電磁無損檢測技術的基礎理論，即麥克斯韋理論，對預處理后的ACFM電磁信號進行分析，估測汽車罐車缺陷長度與深度[6]。ACFM電磁無損檢測技術以電磁感應原理為基礎，利用交變電流的線圈產生交變磁場。假設罐車為導體，當罐車靠近磁場時會受電流的趨膚效應影響，罐車感應電流會聚集于罐體表面，在電磁場作用下各介質間的關系如公式（2）所示。

（2）

式中：?×表示旋度算子；H表示磁場強度；J表示罐車感應電流密度；D表示電位移；E表示罐車感應電磁場強度；B表示磁感應強度；?·表示散度算子；υ表示汽車罐車體電荷密度。

如果罐車表面沒有缺陷，則匯聚于表面的感應電流處于平行狀態，如果罐車表面存在缺陷，感應電流經缺陷兩端就會產生偏轉。缺陷上方的電磁場由激勵電流產生的原生磁場和罐體表面缺陷引起的次生磁場組成，根據電磁原理有公式（3）。

（3）

式中：h表示集膚深度，即汽車罐車缺陷長度；j表示罐車缺陷上方電場強度向量；表示罐車缺陷上方磁場強度向量；u表示電導率；c表示真空磁導率；Bz表示汽車罐車缺陷水平方向ACFM電磁信號強度；γ表示汽車罐車缺陷長度深度；Bx表示汽車罐車缺陷垂直方向ACFM電磁信號強度；ψ表示相對磁導率；g表示“U”形激勵產生的磁感應強度矢量；k表示角頻率。

將預處理后的ACFM電磁信號代入公式（3），即可估測汽車罐車缺陷深度與長度，以此完成基于ACFM電磁無損檢測技術在汽車罐車定期檢驗中的應用。

2 試驗論證

2.1 試驗準備與設計

以某汽車罐車為試驗對象，該罐車罐體容積為12.25m3，整車外形尺寸為7700mm×2480mm×3150mm，材料為鋼，軸距為3800mm+1311mm+1311mm，最高車速為90km/h，額定功率為475kW。從2022年1月5日開始利用本文方法對該汽車罐車進行定期檢驗，檢驗周期為30d。利用陣列式ACFM探頭沿掃描路徑方向對罐車表面缺陷進行檢測，在陣列式探頭掃描方向上布設8個無線傳感器，因此ACFM電磁無損檢測信號包括8列數據。掃描到的ACFM電磁信號圖如圖2所示。

從圖2可以看出，罐車表面的缺陷引起了傳感器信號擾動，Bx信號發生了缺陷，而Bz信號出現了雙峰值特征，說明汽車罐車表面存在缺陷。2種信號分別反映罐車表面缺陷的深度和長度。分析ACFM電磁信號，確定汽車罐車表面缺陷長度和深度，檢驗結果見表1。

通過對該汽車罐車進行8個月的定期檢驗，共檢測到124個缺陷，記錄檢驗數據信息，一邊對本文方法性能進行評測。

2.2 試驗結果與討論

根據汽車罐車定期檢驗結果，對本文方法檢驗結果置信度和漏檢率進行評價。置信度是評價檢驗結果可靠程度與可信程度的重要指標，如公式（4）所示。

（4）

式中：RTDG表示汽車罐車檢驗結果置信度；ertwt表示汽車罐車缺陷長度檢驗誤差；eeoui表示汽車罐車缺陷深度檢驗誤差；ρ表示汽車罐車缺陷檢驗最大允許誤差。

置信度值越高，說明檢驗結果可信度越高，檢驗精度越高。漏檢率是指未檢驗到缺陷樣本與總缺陷樣本的比例，如公式（5）所示。

（5）

式中：OKUF表示汽車罐車缺陷檢驗漏檢率；Nasgshs表示未檢驗到汽車罐車缺陷樣本數量；Nsdsmgjafg表示汽車罐車缺陷樣本總量。

將本文方法、基于BP神經網絡的檢驗方法和基于數據挖掘的檢驗方法進行比較和分析，結果見表2、表3。

從表2數據可以看出，本文方法檢驗結果置信度最高，平均置信度水平為97.86%，比基于BP神經網絡的檢驗方法高近22%，比基于數據挖掘的檢驗方法高近34%。從漏檢率方面來看，基于數據挖掘的檢驗方法漏檢率最高，本文方法漏檢率最低，當檢驗樣本數量為800個時，本文方法漏檢率僅為0.16%。上述試驗指標比較證明了本文方法在汽車罐車定期檢驗中具有絕對優勢，ACFM電磁無損檢測技術在該方面具有良好的應用前景，能夠實現對汽車罐車缺陷的精準檢驗。

3 結語

本文基于ACFM電磁無損檢測技術，探討了汽車罐車定期檢驗的方法。通過采用先進的檢測設備和科學的方法，能夠更準確地評估汽車罐車的結構和性能，確保其運行的安全性和可靠性。基于ACFM電磁無損檢測技術的汽車罐車定期檢驗方法設計為保障道路交通安全、提高運輸效率提供了有力支持。在未來的發展中，將繼續關注ACFM電磁無損檢測技術的最新進展，不斷優化和完善汽車罐車定期檢驗方法。

參考文獻

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