基于柔性陣列渦流傳感器的轉向架構架無損探傷系統

（華東交通大學 機電與車輛工程學院，南昌 330013）

隨著高速鐵路的不斷發展，列車運營環境變得日益復雜。轉向架構架作為列車的關鍵部件，長期承受和傳遞著各種多維激勵力，其安全性和可靠性越來越受到重視。文獻[1-3]研究表明，轉向架構架裂紋主要集中于橫梁連接處、構架彎角處及焊縫處。

現今無損檢測方法主要有磁粉、射線、超聲波、渦流和滲透檢測[4-5]。其中渦流檢測相對其它幾種檢測有其獨特的優勢，然而一般的渦流檢測技術已無法滿足轉向架構架檢修現狀。最近，出現一種柔性渦流傳感器，該傳感器探頭能夠自由彎曲，其結構靈活多變[6]。文獻[7]針對柔性電渦流傳感器實現大面積金屬曲面部件位置實時監測，對其測試技術進行研究；文獻[8]針對直升機旋翼應力檢測的需求，研制了一種新型平面柔性渦流傳感器；文獻[9]研制了由多個偏平磁線圈組成的低分辨率矩陣傳感器，用于平坦金屬表面缺陷的檢測與識別；文獻[10]通過矩形柔性渦流陣列傳感器對金屬結構的裂紋進行定量檢測，并且分析了傳感器對提離距離的響應特性。但是，柔性渦流傳感技術在高速鐵路方面研究甚少，因此針對轉向架構架的柔性渦流檢測系統的研制顯得尤其重要。

國內各大動車檢修段對轉向架構架日常檢查都采用手摸和強光手電的檢查方法[11]，這些檢查方法存在較高的人為干擾和客觀誤差。基于以上背景，本文利用柔性渦流檢測技術，對轉向架構架無損檢測系統進行設計，能有效地解決構架在復雜環境下的檢修問題及提高構架日常檢查的效率，具有良好的研究前景。

1 柔性陣列渦流傳感器檢測原理

本文設計了由6個完全相同的螺旋線圈所組成的柔性陣列渦流傳感器探頭，如圖1所示。r1和r2分別是螺旋線圈的內外徑，r1=4 mm、r2=10 mm。為了防止螺旋線圈之間磁場的相互影響，相鄰螺旋線圈的間距b設計為線圈外徑r2的2倍。各螺旋線圈的輸入電流由一個激勵發生器提供，輸出分別向外引出，各條輸出線分別與各自的處理電路相連，信號輸出采用時分多路輸出方式。

圖1 柔性渦流陣列傳感器Fig.1 Flexible eddy current array sensor

當螺旋線圈通入交流電流時，線圈周圍就會產生交變磁場，如果將金屬導體材料移入此交變磁場中，金屬材料表面就會產生感應電流，而此感應電流又會產生一個磁場，該磁場方向與原線圈磁場方法正好相反，從而減弱了原磁場。如果被測工件表面或近表面存在缺陷，將會影響渦流的強度和分布，渦流的變化又會引起線圈的阻抗變化，因此，工件缺陷的檢測可以通過測量傳感器內各螺旋線圈磁感應阻抗的變化。線圈的等效阻抗Z一般可表示為

式中：e，h分別為被測導體的電導率和磁導率；f為激勵信號的頻率；x為金屬導體與線圈之間的距離；r為線圈的尺寸因子，與線圈的結構、形狀以及尺寸有關。

2 系統硬件設計

針對轉向架構架及其裂紋分布特點，對系統硬件進行設計。系統硬件框圖如圖2所示，硬件電路主要包括激勵發生電路、功率放大電路、柔性陣列探頭、多路復用器、前置放大電路、A/D轉換和計算機處理模塊。

圖2 系統硬件Fig.2 System hardware block diagram

由于轉向架構架待測面積較大，采用手動掃描的方法，通過控制多路復用器，逐個掃描全部的陣列單元線圈，來實現陣列探頭中所有螺旋線圈的檢測。激勵信號發生模塊產生30 kHz正弦信號，該信號經過功率放大后輸入柔性陣列探頭；通過微型電壓互感器ZMPT107采集柔性陣列線圈兩端的檢測電壓，采用74HC4051作為模擬開關，對6個陣列單元輸出信號進行選通，輸出信號時分多路傳輸；時分輸出信號經過前置放大電路放大，再經過A/D轉換后輸入計算機進行處理，由計算機處理判斷該信號是否存在缺陷信息。

2.1 激勵信號發生電路

激勵信號發生電路選用AD9850模塊，該模塊以高集成度頻率合成器AD9850芯片為基礎，輔以簡單的電路和軟件構成的小型的信號發生器，其原理如圖3所示。

圖3 AD9850電路原理Fig.3 AD9850 circuit schematics

AD9850可分別同時輸出 2個 0～40 MHz的正弦波和方波，當頻率大于35 MHz時諧波較大。本系統需要的正弦信號頻率為30 kHz，因而可滿足需要。由于AD9850帶負載能力比較差，因此需要功率放大電路，如圖4所示。

圖4 功率放大電路Fig.4 Power amplifying circuit

功率放大電路是由S8050三極管構成，其中RB1和RB2分別為基級的輸入電阻，其阻值分別為1 kΩ，2 kΩ；由于柔性渦流線圈所需的電流較大能達到0.3 A，故RC需選用大功率電阻，RC取40 Ω。柔性陣列線圈電阻非常小，每個線圈阻值才10 Ω左右，如果將負載連接到集電級輸出，則會因為放大倍數很小而無法滿足柔性陣列線圈所需的電流大小。因此，在原來的基礎上對其進行改進，將輸出負載接在發射極，經過檢測，該方法能滿足柔性陣列線圈對電流的要求。

2.2 多路復用器及信號調理模塊

多路復用器選用74HC4051，采用微型電壓互感器來檢測柔性螺旋線圈兩端的檢測電壓，將其檢測電壓信號輸入多路復用器。根據電渦流檢測的特點，對螺旋線圈的引線進行優化，線圈陣列中所有線圈引線的一端公共并接，作為公共端直接與激勵信號發生電路相連，而另一端的6路輸出先分別通過各自微型電壓互感器后，再與多路復用器相連。

圖5 多路復用器電路Fig.5 Multiplexer circuit diagram

圖5所示為多路復用器的電路，該電路用于柔性渦流陣列探頭6個陣列線圈檢測信號的選通。選74HC4051作為多路復用器，A、B、C端為控制輸入口（可由單片機控制）從Y0-Y5通道中選擇1個通道輸入。運放A1（OP296）構成的電壓跟隨器接收模擬開關選擇的信號，從而消除模擬開關的通態電阻的影響。VD1-VD12為保護二極管，R1用于防止電壓跟隨器振蕩，通過單片機編程控制6路的選通。

由于檢測線圈輸出的渦流信號十分微弱，只有毫伏級，因而需要增加前置放大電路將信號放大到合適的大小。前置放大電路采用高精度低失調電壓的精密運放集成電路OP07芯片，本芯片具有非常低的失調電壓，能夠滿足柔性陣列渦流檢測系統放大電路的要求。本系統的檢測線圈感抗很小，對于前置放大電路輸入阻抗比較小，選擇反向放大電路。設計電路如圖6所示。

圖6 前置放大電路Fig.6 Preamplifier circuit diagram

檢測到的渦流信號通過前置放大電路后，輸出信號幅值能達到5 V。最后將放大后的信號通過A/D轉換直接輸入計算機處理，通過計算機處理分析可知檢測信號是否存在缺陷。

3 系統軟件設計

主程序的功能和任務是對整個系統進行必要的初始化，然后設置激勵信號頻率，使之能正常工作，系統程序流程如圖7所示。

圖7 系統程序流程Fig.7 System program flow chart

給柔性陣列探頭輸入正弦信號，陣列探頭采用手動掃描的方法對被測轉向架構架表面進行檢測，檢測的信號通入多路復用器對其六路進行分時選通。將檢測的信號進行分時處理，每一路輸出檢測信號經過數據采集之后，進入計算機處理，判斷其是否存在缺陷，如果存在則保存此時的圖像及數據，如果沒有則返回進行下一路的數據處理。直到六路數據處理完之后，多路復用器復位，重新開始下一輪的檢測，將新檢測到的信號逐路進行處理分析。如此循環，來完成對整個轉向架構架的無損探傷。

4 試驗分析

目前，國內高速列車轉向架構架所使用的材料主要是從日本和歐洲進口的耐候性鋼材[12]。試驗所選取的鋼材與耐候性鋼材的磁導率和電導率相近，以半徑為7 cm，高為10 cm的圓柱形鋼柱鋼作為試驗對象，模擬試驗轉向架構架拐角處裂紋的檢測，其表面刻有長度為30 mm，深度為3 mm的縱向裂痕。試驗通入頻率為30 kHz的正弦交流信號，金屬圓柱與柔性渦流陣列探頭的距離保持1 mm，圖8所示為檢測時感應電壓幅值變化對比圖。

圖8 裂紋檢測時感應電壓幅值變化Fig.8 Crack detection sensor voltage amplitude change map

由于試驗信號發生模塊在頻率為30 kHz時，頻率不穩定，得到的圖像波形略有毛糙，頻率的些許抖動在試驗誤差允許范圍之內，對試驗結果幾乎無影響。圖中虛線表示有裂紋處的感應電壓，實線表示無裂紋處的感應電壓。由圖8可知有裂紋處感應電壓峰-峰值為6.16 V，而無裂紋處感應電壓峰-峰值為4.60 V，對比有無裂紋處感應電壓幅值可知幅值變化可達1.56 V，試驗結果明顯。由試驗結果可知，所設計的轉向架構架無損探傷系統能夠有效地模擬檢測出構架拐角處裂紋是否存在。

5 結語

針對轉向架構架日常檢查需求，基于柔性渦流傳感器，通過對傳感器探頭及激勵電路的優化，采用分時多路的掃描測試方式，設計了轉向架構架無損探傷系統。模擬實驗表明，檢測系統滿足設計要求，能有效地檢測轉向架構架表面裂紋，還能為新型轉向架構架無損檢測設備的研制提供參考，為轉向架日常維護手段的改進提供新的思路。

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