基于不同傳感器陣列的儲罐鋼板缺陷三維漏磁特征

鞏文東，楊 濤，連 超, 張宏杰

((1.山東職業學院, 濟南 250104；2.天津工業大學 機械工程學院, 天津 300387；3.中國科學院海洋研究所, 青島 266071)

儲罐鋼板在長期腐蝕的作用下，會在表面形成各種缺陷，如果不能及時檢測出，將會導致罐體泄漏，引發火災、爆炸等事故，造成巨大的損失[1]。

儲罐鋼板的無損檢測方法有渦流檢測、超聲檢測、漏磁檢測等[2]。渦流檢測對缺陷尺寸的量化精度較低[3]；超聲檢測受制于耦合劑等因素，對近表面缺陷的識別較為困難[4]；漏磁檢測技術具有結構簡單、檢測速度快等優點，在儲罐鋼板的無損檢測中得到了較為廣泛的應用[5]。

國內外學者在三維漏磁檢測領域已經做了一定研究。YONG等[6]在永久性磁鐵磁化方式下，用數值仿真和試驗的方法驗證了提取缺陷漏磁場的三維分量對非規則形狀缺陷進行識別的有效性；黃松嶺等[7]分析了三維漏磁信號的特點，并采用貝葉斯神經網絡對儲罐底板凹型缺陷進行了缺陷三維輪廓反演。

以上研究主要基于單個傳感器檢測到的三維漏磁信號，并在缺陷反演算法上進行了改進，提高了量化精度。然而，由于缺陷實際形狀復雜，僅采用單個傳感器難以全面檢測缺陷處的漏磁場[8]。

筆者設計了基于三維傳感器的直線陣列、交叉陣列及環形陣列，通過試驗分析各陣列下的漏磁信號特點，并提取多傳感器信息融合后的漏磁信號特征值，從而挖掘出更多的隱含特征信息。

1 數據采集裝置與勵磁結構

采樣基于ARM(進階精簡指令集機器)內核的STM32F103ZET6單片機，設計嵌入式數據采集裝置，如圖1所示,數據采集裝置由獨立的鋰電池供電，不依賴外部電源。采用MLX90393三維磁傳感器進行漏磁場檢測，將檢測到的三維漏磁場數據實時顯示到觸摸屏，并保存至TF存儲卡。可通過觸摸屏設置采樣分辨率、采樣時間等參數。

圖1 數據采集裝置硬件框圖

勵磁裝置的結構如圖2所示，永磁體為汝鐵硼N52，寬度為80 mm，長度為60 mm，厚度為18 mm；軛鐵為Q235碳素鋼，寬度為90 mm；鋼刷長度、寬度均與永磁體的一致，以減小永磁體與被測鋼板之間的氣隙，提高勵磁強度；被測鋼板為Q235碳素鋼，厚度為10 mm。

圖2 勵磁裝置結構示意

2 傳感器陣列設計

MLX90393三維磁傳感器用于測量3個維度中+/-150 mT磁場范圍內的場強，與ARM單片機之間采用同步串行接口(SPI)方式進行通信，實現16位的高精度輸出。集成溫度檢測模塊，可對不同溫度下的檢測數據進行補償。微型方形扁平無引腳(QFN)封裝尺寸為3 mmX3 mm，配置好外圍器件后，印刷電路板(PCB)尺寸為14 mmX14 mm，體積小巧，適合布置陣列，三維磁傳感器外觀如圖3所示。

圖3 三維磁傳感器外觀

陣列設計如圖4所示，將三維磁傳感器固定在鋁制底板上，分別布置成直線陣列、環形陣列和交叉陣列。

圖4 陣列設計示意

圖4最左側為直線陣列，由5個三維磁傳感器組成，依次等間距排列；中間為環形陣列，由8個三維磁傳感器構成；最右側為交叉陣列，由5個傳感器構成，水平傾角為45°。

勵磁裝置、數據采集系統與磁傳感器陣列搭載在小車上，小車由步進電機驅動，按照設定速度勻速通過凹坑缺陷的正上方，試驗平臺現場如圖5所示。

圖5 試驗平臺現場

3 不同陣列下三維漏磁信號分析

3.1 檢測方法

在材料為Q235碳素鋼的鋼板上，人工制造深度為6 mm，直徑為12 mm的圓形凹坑缺陷。然后分別采用直線陣列、環形陣列、交叉陣列進行檢測，凹坑缺陷檢測方法如圖6所示,陣列的中心與凹坑缺陷的中心連線，與小車的行進方向一致。

圖6 凹坑缺陷檢測方法示意

3.2 直線陣列

直線陣列的x軸方向與小車行進方向一致，y軸方向與磁化方向一致，z軸正方向垂直于xy平面且向上，測得的三維漏磁信號如圖7所示。

圖7 直線陣列三維漏磁信號示意

從圖7可以看出，3號傳感器的漏磁場幅度最大，這是由于3號傳感器剛好經過缺陷的正中心。可將3號傳感器的信號作為主漏磁信號，采用常規的提取方法，提取波峰、波寬、一個波動內的波形面積、短時能量、一次微分信號的峰谷距離等特征值。將其余漏磁信號作為次漏磁信號，提取次漏磁信號與主漏磁信號之間的x向、y向、z向的環向微分寬度。

3.3 環形陣列

環形陣列的x軸方向與小車行進方向一致，y軸方向與磁化方向一致，z軸正方向垂直于xy平面且向上，測得的三維漏磁信號如圖8所示。

圖8 環形陣列三維漏磁信號示意

圖9 漏磁信號變化率示意

3.4 交叉陣列

交叉陣列的x軸與小車行進方向成45°，y軸方向與磁化方向成45°，z軸正方向同樣垂直于xy平面且向上，測得的三維漏磁場信號如圖10所示。

圖10 交叉陣列三維漏磁信號

交叉陣列同樣可以在缺陷上方形成面域的檢測，同時由于傳感器布置的角度不同，通過濾波算法能夠有效的抑制因振動、車輪偏心等引起的擾動[9]。

3.5 漏磁信號分析

單一的三維霍爾傳感器只能從缺陷的上方進行“線”的掃查，而通過陣列能夠實現“面”的掃查，因此能獲取更多的漏磁信號特征值。將同一缺陷被陣列傳感器檢測到的漏磁信號分為兩類，一類為主漏磁信號，為陣列中漏磁信號特征最明顯的信號；一類為次漏磁信號，為陣列中有漏磁場數據但是特征不是最明顯的信號。試驗中由于直線陣列、環形陣列和交叉陣列的中心線從缺陷中心經過，因此直線陣列的3號傳感器、環形陣列的3號傳感器(3號和7號傳感器均從缺陷正上方經過，3號特征更為明顯)、交叉陣列的2號傳感器檢測到的漏磁信號為主漏磁信號，其余信號為次漏磁信號。

在鋼板表面人為制造了不同深度，不同直徑的圓形缺陷凹坑，直徑分別為18，16，14，12，10，8，6，4 mm；深度分別為10，8，6，4，2 mm，共計40個缺陷凹坑樣本。缺陷樣板如圖11所示。

圖11 缺陷樣板

對x,y,z向主漏磁信號進行特征值提取，如表1所示。

表1 主漏磁信號特征值

提取直線陣列次漏磁信號與主漏磁信號之間的x向、y向、z向的平均環向微分寬度，dwx,dwy,dwz。

(1)

(2)

(3)

式(1)(3)中，xcn,ycn,zcn分別為陣列中閾值內的x,y,z軸方向的漏磁信號波峰，dcn為直線陣列中第n個傳感器與主漏磁信號傳感器的距離。

通過以上方法提取了三維霍爾傳感器陣列所檢測漏磁場的特征數據集，然后分別采用三層BP神經網絡進行訓練。采用S型激活函數，輸入層的節點數與各陣列提取的特征值數量相同，隱含層節點數量與輸入層節點數量相同，輸出層為2個節點，分別對應缺陷直徑和缺陷深度。

為加快神經網絡的收斂速度，同時減小數值量綱對訓練精度的影響，采用線性轉換算法對輸入特征量進行歸一化處理，歸一至區間[0,1]。采用交叉有效性檢驗的方法進行神經網絡訓練。測試結果表明，直線陣列、環形陣列、交叉陣列直徑檢測的最大絕對誤差分別為3.01，2.73，3.96 mm，深度檢測的最大絕對誤差分別為1.73，2.97，1.48 mm。

4 結語

筆者設計了基于三維磁傳感器的直線陣列、交叉陣列及環形陣列，對儲罐鋼板實施漏磁檢測，通過試驗研究分析，得出各陣列下的漏磁信號有以下特點。

(1)直線陣列、環形陣列、交叉陣列均可以得到更多的漏磁信號特征值信息。其中環形陣列和交叉陣列可以形成任意時刻面域的檢測，獲取磁場的平面變化特征。交叉陣列還能夠抑制外部擾動。

(2)根據直線陣列、環形陣列、交叉陣列得出漏磁場特征信息，通過BP神經網絡建立數學模型，結果表明，環形陣列對直徑的檢測精度最高，交叉陣列對深度的檢測精度最高。