智能型電磁無損檢測儀的研制

胡方強

（南京工業大學 電子與信息工程學院，南京 210009）

0 引言

隨著現代工業的發展，尤其在航空航天，能源交通，石油化工等行業，對使用鋼鐵材質的機械產品質量的要求越來越高，特別是鋼鐵材質零件在熱處理后的硬度，表面硬化層深度（如滲碳層深度，高頻淬火層深度）以及判別組織以及分選混料等方面，更是要求其產品百分百的全檢。一些常用的檢測手段，如火花鑒別混料分選，或用布洛維硬度計檢測硬度和化學分析等方法，均存在人力成本高，人為因素影響大，速度慢以及對工件有損等許多缺陷[1]。本文所述的電磁無損檢測儀依據磁導率法，可以對鋼鐵材質工件在硬度，混料等缺陷進行快速地定性甚至定量的無損檢測，在檢測靈敏度和配套功能上比起以往同類產品有了很大地改進。

1 電磁無損檢測原理的分析

電磁無損檢測的基本原理就是利用被測鋼鐵材質工件的性能（如硬度，滲層深度等）與材料的某些物理量（包括磁導率，矯頑力等）之間在相應范圍所具有的對應關系。基于所應用的物理量種類不同，檢測的方法也多種多樣[2]。此處應用的是鋼鐵材質工件的磁導率，即所謂的磁導率法。磁導率法按電源類型分直流法和交流法。直流法速度慢，不易實現自動化故很少應用。而交流磁導率法又分中強磁場下的磁導率法和弱磁場下的初始磁導率法，前者因為工件磁化區多處于巴克豪森跳躍區，對電源要求很高。而初始磁導率法中工件的磁化區處于可逆的疇壁位移區，磁導率處于隨磁場強度的上升而上升的區域，避免了上述問題，故被廣泛應用。

磁導率無法直接測量得到，而必須應用電磁感應的原理，提取能夠反映磁導率的大小同時又能被檢測的信號（電壓或電流）進行間接測量，具體檢測原理如圖1所示：

當在空芯激勵線圈中通以交流激磁電流后，在線圈內就產生軸向交變磁場。這樣，處在同軸的測量線圈中產生一感應電壓，該感應電壓大小受線圈直徑，匝數，激磁電流的頻率及大小，有無工件，剛鐵件的特性等多個因數的影響。當除鋼鐵件以外的所有客觀因數確定以后，則該感應電壓只與鋼鐵件特性有關[3]，而針對同類鋼鐵件（即幾何外形，生產工序一致），則該感應電壓就只與鋼鐵件的磁導率相關了。這樣，在根據鋼鐵件的成分及機械性能與磁導率之間的相關性，間接測量諸如硬度等性能指標以及對鋼鐵混料的分選。

2 檢測儀硬件系統設計

檢測儀硬件系統整體框圖如圖2所示：

圖2 硬件系統框圖

系統控制器采用Cygnal公司的混合信號系統級單片機C8051F020，其片內資源十分豐富，所集成的64KROM，4KBRAM以及12位AD等完全能滿足本儀器功能的需求，從而使儀器在成本，體積以及可靠性上具有了很強的優勢 。其次儀器采用4*4的掃描鍵盤，以及320*240的點陣LCD模塊（自帶控制器SED1335），使得人機交互十分方便。另外串行擴展的EEPROM24C512可以掉電保存一定量的歷史測量數據，供查詢操作界面調用，也可由POS打印機輸出，便于實際生產的管理。

系統的關鍵部分是測量電路，其由激磁信號，檢測電路以及信號調理電路三部分組成。

1）激磁信號：由信號源加放大電路組成，信號源為單片機發出的頻率和大小可調的方波信號，其具有較高的信噪比，可以很大程度上降低檢測電路的噪聲[5]。激磁信號頻率和強度與信號有效滲透深度，磁場場強密切相關，對檢測性能起關鍵性作用。頻率越高，靈敏度越高，但線性度變差，一般來說，頻率上限不宜超過1KHz。

圖3 檢測電路

2）檢測電路：磁導率法按其測量線圈（俗稱探頭）的個數可分單探頭法和雙探頭法，后者又稱差動法，以其測量靈敏度高而被廣泛采用。其原理框圖如圖3所示：

線圈的制作形式又分螺線管式，U型和筆式三種，探頭形式和大小的選擇應依據測量要求來確定，原則上盡量選擇螺線管式的，因其重復性和靈敏度要比后兩者要好。激勵線圈和測量線圈的匝數比在1：5以內，線圈匝數越多靈敏度越高但線性度越差，且容易受到干擾，匝數總數不宜超過5000圈。

圖4 信號調理電路

圖5 程序流程圖

3）信號調理電路包括信號的整流，濾波，放大，電平調整，其主要電路如圖4所示。

整流電路采用常見的橋式全波整流（圖4未畫）。由于在檢測電路中置入不同工件所產生的感應電壓之差在毫伏級，故需要引入信號放大電路，其放大倍數一般在100～500以內。圖4中采用集成運放器OP07，其輸出信號經電阻分壓，以及濾波電路后得到較穩定的雙極性電壓信號（-1.5V～+1.5V）。而由于系統采用的單片機所集成的A/D是單極性（0V～3.3V），故在信號送入A/D前需要進行電平的轉換，以滿足A/D的輸入要求[6]。

3 檢測儀軟件系統設計

根據磁導率法及相關試驗表明，檢測儀所測得電信號大小與鋼鐵材質性能（如硬度等）存在對應關系，且很多情況下是單值關系。因此檢測儀可以實現對鋼鐵材質的混料，硬度等缺陷進行定性分選，具體操作就是要求先選定上下限的標準樣件，通過檢測儀得到對應測量值，作為對應上下限值保存在儀器中，然后對所需測量工件進行檢測，測量值在上下限內則為合格，否則為不合格。同時檢測儀也可以定量檢測鋼鐵件的硬度，具體就是先選擇若干已知硬度值的標準試樣，通過檢測儀得到對應儀器測量值，在測量值與硬度值單值關系的前提下，利用最小二乘法進行一元線性回歸，得到直線方程：y=a+bx，這樣就可以得到所需測量工件的硬度值[7]。

根據以上分析及儀器功能要求，本系統軟件采用模塊化設計，整個系統可分為幾大功能模塊：1）參數設置模塊：包括信號頻率及強度的設置，操作員工號及數據是否統計及保存參數，上下限值的設置，是否計算硬度值等參數；2）鍵盤及顯示模塊；3）參數和測量數據查詢及打印模塊；4）檢測功能模塊：包括硬度分選，混料分選，裂紋分選。限于篇幅，下面僅給出硬度分選功能模塊的流程圖，如圖5所示。

4 結束語

本檢測儀在與南京某無損檢測設備有限公司聯合開發下，已通過測試并進入批量生產。測試表明，該儀器具有操作簡單，功能可靠，分選精度高，速度快（超過1000件/小時）等特點，可以為應用廠家很好地提高生產效率以及經濟效益。

[1] 康宜華,宋凱,楊建桂等.幾種電磁無損檢測方法的工作特征[J].無損檢測,2008,(12):928-930.

[2] 任吉林.電磁無損檢測的新進展[J].無損探傷,2001,(5):1-4.

[3] 張迎新.C8051F系列SOC單片機原理及應用[M].北京:國防工業出版社,2005.

[4] 康宜華,武新軍.數字化勵磁無損檢測[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5] 陳建能,萬靜,何云斌,等.基于DSP技術的電磁無損檢測儀的研究[J].無損探傷,2005,(4):32-34.