基于渦流磁感原理的交通安全設施無損檢測方法研究

【摘要】本文基于渦流磁感原理，介紹了對鋼制交通安全設施的無損檢測方法，即研制一種快速、準確、較高精度的無損檢測儀。該探傷儀可以實現小巧輕便、自動運行和報警的功能，對精度范圍內的鋼材裂縫進行實時定位和數據輸出。經驗證該類探傷儀實際應用效果良好，填充了國內目前便攜式無損探傷領域的空白，對交通安全起到一定的保障作用。

【關鍵詞】渦流磁感；無損檢測；安全設施

0.引言

近年來，伴隨著交通運輸領域的迅猛發展，事故率逐年增長，人們對于安全出行的需求顯得更加迫切。交通安全設施作為出行的保障，其建成之后的及時維護和更換會直接影響到人和貨物的運輸安全及效率。由于大部分的交通安全設施都是有鋼材制造而成，在各種荷載、化學物質等作用下，會出現細微裂縫或缺陷。

目前，我國金屬表面探傷基本采用人工觀測法，即用人的肉眼來區分和觀測鋼材表面的細微裂痕。由于人的眼睛在燈光下長時間觀察光度很高的鋼材極易產生疲勞，加之人的視覺只對缺陷的寬度敏感，故對又細又深得裂紋、折疊等缺陷難以發現，極易漏檢 [1] 。

本文所設計的應用于鋼制安全設施的便攜式探傷儀，基于渦流磁感原理，在探頭經過裂縫時，通過檢測輸出電流的變化即可判斷有無裂縫以及裂縫的位置，再通過一定的評價等級和標準，進行交通安全設施的修復或更換。同時，相比于國內外大型檢測的超聲波無損探傷而言，本文研究的渦流無損檢測方法既節約了探傷儀的成本，也提高了日常人工檢測的精度，還擁有小巧、輕便、低成本等特點。

1.渦流檢測的基本原理

渦流無損檢測技術是金屬檢測的常用方法，既不破壞被測物件，又能達到較高的精度要求。渦流檢測技術主要是基于電磁感應原理，當被檢測金屬物件處于均勻的交變磁場中，其表面會形成封閉回路式的電流。

2.渦流檢測系統硬件設計

此渦流探傷系統整體構架分為兩個模塊，傳感器模塊及信號處理模塊。傳感器模塊由渦流探頭、用于激勵探頭工作的的信號產生電路以及濾波放大電路組成；信號處理模塊由主控核心版STM32、液晶顯示，人機交互，以及聲光報警電路組成。

系統工作中，函數發生器產生穩定交流信號，由放大電路將信號放大，通入傳感器，并在被檢測物件表面產生渦流信號。當有缺陷時，傳感器檢測到反饋的信號由單片機接收，與正常信號進行比較，檢測結果經過驅動在顯示器上以數字呈現。

其具體功能指標如下：

1）裂縫性質：寬度0.1mm，深度1mm，長度30mm的簡單線性縫隙；

2）自動報警：采用語言提示報警和工業用警燈；

3）數據記錄和顯示：數據記錄在隨即佩帶的內部掉電非易失性的存儲器；

4）裂縫定位：精度達到2/1000，每公里絕對誤差+/-2m；

硬件系統主要由STM32作為核心主板，各模塊包括函數發生器、濾波放大電路、報警模塊等。

2.1 函數發生器模塊

本文研究的無損檢測方法對正弦信號的技術指標的要求并不苛刻，只需要能夠穩定產生10～15KHz的正弦信號即可。本文選用集成電路振蕩器配合少量分立元件產生穩定的正弦信號，常見有ICL8038。ICL8038可得到頻率從0.001Hz到300KHz內的任何頻率的信號，占空比范圍為2%到98%[3]。ICL8038使用先進的單片集成技術制造，因此其輸出信號可以在很大的溫度范圍和電源變化范圍內保持穩定，同時ICL8038能夠使用的電源電壓范圍較寬。采用單電源供電時，V+～GND的電壓變化范圍是+10～30V；采用雙電源供電時，V-～V+的電壓可在±5～±15V范圍內選取。電源電流約為15mA[4]。

2.2 信號放大模塊

信號功率放大電路由兩部分組成：第一部分是由AD811集成運算放大器構成的同相放大器對輸出信號的電壓進行放大；第二部分是乙類推挽式功率放大電路，對信號的功率放大從而驅動感應線圈。

2.3 人機界面模塊

本文設計的人機界面模塊由控制機器、報警裝置、鍵盤、顯示器和指示燈等部分組成。

主要功能如下：

（1）控制機器主要功能是輸入參數和命令。

（2）鍵盤采用那種小型的數字和功能鍵盤，功能類似于手機鍵盤，負責輸入參數。

（3）顯示器為黑白的LCD屏。

（4）報警裝置可以采用蜂鳴器和警燈，同時顯示屏上會有漢字顯示，能夠指出報警類型、時間、位置、等信息。

工作過程為：當未檢測到損傷時，檢測輸出的信號應為零的電壓信號，當檢測到損傷時會有較大的檢測信號輸出。利用電壓比較器對發現的損傷進行判斷，并用蜂鳴器結合發光二極管進行報警。若設置電壓比較器的比較電壓為0V，則對輕微的干擾信號就報警，所以設置的報警電壓應高于零點，同時略高于檢測到損傷后輸出電壓的最小值。由于干擾多來自漏磁和表面不平等原因，它所引起的信號輸出與檢測到的損傷信號相比是很小的，可使用二極管的導通電壓作為此處的比較電壓。

3.軟件設計

本系統的設計基于Cortex-M3內核的STM32單片機作為核心控制系統，集成顯示屏，結合中值濾波算法進行信號處理，完成渦流探傷的檢測。

渦流傳感器經過濾波放大轉換電路，將裂痕信號轉化為電壓信號，作為核心控制系統的信號輸入，在單片機內部經過AD轉換，得到此時的狀態，經過與實驗的平滑鐵軌閾值進行比較，從而判斷檢測的部分是否有裂痕，控制外圍的聲光報警電路，同時配合語音模塊進行語音提示，實現系統的檢測與報警功能，

4.影響因素

本文所研究的交通安全設施無損檢測儀的靈敏度主要與以下兩個因素有關：

（1）線圈參數：傳感器探頭是由一個勵磁線圈與測量線圈組成。探頭的靈敏程度與測量線圈的匝數、直徑等線圈參數有關，在實驗中采用示波器觀察鋼材裂縫的示值幅度和相位。

（2）磁芯材料：在實驗過程中使用了硅鋼條和材料均勻的鐵芯。不同磁導率的磁芯在實驗調試過程中，在相同參數的函數發生器頻率（f=15khz）作用下，探測簡單裂縫的靈敏度沒有太大差別。

5.結論

本文所研究的基于渦流磁感原理的交通安全設施無損檢測方法采用先進的技術手段，對交通安全設施疲勞裂紋缺陷進行高效而可靠的檢測，實現潛在事故的早期預報，檢測部件與路測安全設施有相匹配的外形結構，裝有固定輪，能夠自行檢測或者裝于車載設備，對裂縫進行實時定位和報警。滿足了日常無損檢測的需求量和高精度的要求，對于交通運輸的安全性、交通工程乃至國民經濟的發展都有十分重要的意義。

參考文獻

[1]張艷萍.鋼球表面渦流探傷儀分析[J].哈爾濱軸承，2007， 28（2）：32

[2]馬秀英，吳祖育.用于鋼球表面缺陷檢測的渦流傳感器的研究[J].振動與動態測試，1988（4）：57

[3]王廣豐，鐘海娜.發展中的渦流無損檢測技術[J].煤礦機械，2005（7）

[4]成林.鋰電池隔膜關斷性能測試系統的研究與設計[D].西安：西南建筑科技大學，2006，15

[5]馬旺宇，劉棟，趙文博.應用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀的研制[J].機械設計與制造，2010（2）：88-90.