一種自動化磁粉檢測系統的研制*

郭 晉，唐經源，李 博，李緒豐，胡華勝，王 磊※

（1.廣東省特種設備檢測研究院，廣東佛山 528251；2.深圳市中昌探傷器材有限公司，廣東深圳 518081）

0 引言

大型承壓類特種設備廣泛應用于我國石油化工、化肥制造等領域［1－2］。針對大型承壓類特種設備進行定期檢驗檢測，是保障其本質安全的重要手段。固定式壓力容器安全技術監察規程［3］中提出，針對大型承壓類特種設備這類3類壓力容器，需要對表面進行磁粉檢測等表面探傷。磁粉探傷屬于五大常規無損檢測技術之一［4］，與滲透檢測［5－6］、渦流檢測［7］同屬常用表面無損檢測技術。

目前，國內外在對這些大型設備進行磁粉檢測時，需要大量搭設腳手架，然后由檢測人員通過腳手架接近需要檢測部位，人工噴灑磁懸液、施加磁場，然后通過肉眼對磁痕進行觀察，人工判別缺陷的有無，存在的不足有：（1）設備內部搭設腳手架非常困難，而且檢測人員容易發生高空墜落等重大安全事故；（2）設備內部通風差，設備盛裝的有毒有害氣體會對人員造成損傷甚至致人死亡；（3）費時費力；（4）工作環境惡劣，人工實時觀測存在人為漏檢誤判現象［8］。

因此，本文研發一種可以根據檢驗員要求，遠程操作自動進行磁粉檢測及實時觀察、錄像的檢測系統，既可以減少勞動強度，提高檢測結果的客觀性，又可以降低操作及檢測過程中事故的發生。目前磁粉自動檢測系統已處于試驗階段，用樣機進行測試并取得良好效果。

1 基本原理

基本原理如下。

（1）磁粉檢測技術。利用工件缺陷處的漏磁場與磁粉的相互作用，利用鋼鐵制品表面和近表面缺陷（如裂紋、夾渣、發紋等）磁導率和鋼鐵磁導率的差異，磁化后這些材料不連續處的磁場將發生畸變，形成部分磁通泄漏并于相應工件表面產生漏磁場，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積，在適當的光照條件下，顯現出缺陷位置和形狀，對這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實現了磁粉檢測［9－10］。

（2）數字成像技術。通過光學系統將影像聚焦在成像元件CCD／CMOS上。成像元件按照一定的排列方式，將拍攝物體分解成了一個一個的像素點，這些像素點以模擬圖像信號的形式轉移到A／D轉換器上，A／D轉換器將每個像素上光電信號轉變成數碼信號，再經DSP處理成數碼圖像，儲存到存儲介質當中。

（3）無線傳輸技術。無線傳輸有WIFI、藍牙、無線電等多種方式。其中WIFI用得最廣，也最容易接網，采用802.11 b國際標準，最大傳輸距離100 m，最大傳輸速率11 Mb／s，完全能夠進行近距離的實時高清視頻傳輸。

（4）數字圖像處理技術。把點陣圖像經某種或多種算法進行濾波和計算，力求把無用的信息濾除或弱化，把有用的信息銳化，使圖像更明晰地把有用的信息以圖像的形式呈現在面前，經分析計算還可確定有用信息的大小、幅值或位置，這就是數字圖像處理技術。

2 系統原理

系統原理如圖1所示，主要由執行模塊、儲液模塊、控制模塊3部分組成。

圖1 系統原理Fig.1 Schematic diagram of the system

儲液模塊由攪拌單元、儲液單元和送液單元組成。攪拌單元的作用是把磁懸液攪拌均勻，防止磁懸液沉淀。儲液單元則儲存調配好的磁懸液。送液單元則在控制模塊的控制下按需把磁懸液通過軟管輸送到執行模塊。

控制模塊由供電單元、主控單元和顯示單元組成。供電單元負責為各模塊供電。顯示單元顯示操作界面、執行模塊回傳的影像、檢測結果等。主控單元是本系統的中樞，控制整個系統的協調運作。控制模塊通過電纜與儲液模塊及執行模塊連接。

執行模塊由噴灑單元、標記單元、爬壁單元、跟蹤單元、攝像單元、照明單元、磁化單元、逆變單元組成。爬壁單元是整個執行模塊的載體，其吸附在待檢壁面上并沿控制模塊指定的方向運動；照明單元為模塊提供可見光或紫外光，便于攝像模塊攝取影像；攝像單元攝取檢測過程影像并回傳到控制模塊進行處理及判別檢測結果；逆變單元把控制模塊的供電變換為磁粉檢測所需要的交流方波電，并供給磁化單元；噴灑單元在控制模塊的控制下按需按指定方向噴灑磁懸液；磁化單元給待檢表面施加交流磁場，完成磁粉檢測，檢測磁痕則由攝像單元攝像并回傳到控制模塊；標記單元的作用是在控制模塊檢測到有缺陷時，在相應位置進行標記，以方便后續的復檢及修復；跟蹤單元對焊縫位置進行反饋，使得控制模塊能控制執行模塊沿著焊縫爬行。

儲液模塊和控制模塊都放于地面，以方便檢測人員操作，執行模塊則吸附于待檢表面沿焊縫運動并完成磁粉檢測。跟蹤單元實時檢測焊縫位置并反饋給控制模塊，控制模塊根據反饋信息控制爬壁單元走向，使得執行模塊時刻以焊縫為中心線運行；控制模塊控制攪拌單元對儲液單元內的磁懸液進行攪拌，并控制送液單元輸送磁懸液給執行模塊；噴灑單元在控制模塊的控制下在待檢表面噴灑磁懸液；逆變單元在控制模塊的控制下輸出交流方波給磁化單元，完成磁化過程；攝像單元則把檢測過程及結果錄成影像并傳輸到控制模塊進行處理和分析，當控制模塊判別有缺陷時，則會控制標記單元在有缺陷的位置做標記。這樣本系統就自動完成磁粉檢測過程。

3 逆變單元

逆變單元原理如圖2所示，首先對控制模塊的供電進行濾波，然后進行DC／DC升壓，一方面獲得一個理想的電壓幅值，別一方面也起到穩壓作用，消除供電電源波動的影響。接著對升壓后的直流電進行DC／AC變換，得到幅值和脈寬穩定的交流方波電，供給磁化單元產生交流磁場。

圖2 逆變單元原理Fig.2 Block diagram of inverter unit principle

4 磁化單元

4.1 鐵芯設計

圖3所示為鐵芯布局圖，采用交叉磁場進行磁粉檢測。

圖3 鐵芯布局Fig.3 Core layout

現有的交叉磁場磁探儀兩對交叉腳都是剛性固定的，由于加工裝配時也會存在誤差，4個腳不能保證在同一水平面上，同時被測表面也有曲率與不平度，所以工作時基本只有3個腳或2個腳能接觸到被檢表面，從而大大降低了經過被檢表面的磁場強度，嚴重影響檢測性能。

本系統把磁化單元的2對交叉腳設計為相互獨立的2個U形鐵芯，一個架在另一個的上方，這樣就能保證在任何時候，4個腳都能同時接觸到被檢表面。

4.2 磁化單元機械布局

圖4 所示為磁化單元的機械布局圖。磁化單元包括外殼、彈簧、鐵芯線圈、固定柱等。鐵芯線圈套于外殼內，可以在外殼內上下活動。鐵芯線圈通過兩端的彈簧與外殼軟連接，外殼通過固定柱剛性連接到爬壁單元。

圖4 磁化單元機械布局Fig.4 Mechanical layout of magnetization unit

這樣，磁化單元外殼就靠彈簧的彈力把鐵芯線圈壓緊在被檢表面，并能保證4個腳同時接觸被檢表面。當爬壁單元移動時，帶動磁化單元外殼移動，磁化單元外殼通過殼壁帶動鐵芯線圈移動。

4.3 磁化單元越障功能

圖5 所示為磁化單元越障功能示意圖。現在的鐵芯由于是直邊，很容易被高低不平的焊縫或其他障礙物卡住。本系統中的磁化單元要不斷貼著被檢表面移動，所以必須要有越過障礙物的能力。本系統是在移動方向上，鐵芯4個腳兩側面都焊了一個半圓形不銹鋼管，有障礙物時，腳自動被障礙物抬起，從而跨過障礙物。經實驗室測試，能輕松越過焊縫及類焊縫障礙物。

圖5 磁化單元越障功能Fig.5 Function diagram of the magnetization unit＇s obstacle crossing

5 爬壁單元

5.1 運動輪結構原理

爬壁單元的運動輪結構原理如圖6所示。運動輪由護板、輪芯、永磁鐵3部分組成。輪芯外面包一層永磁鐵，由于永磁鐵比較易碎，也不能承重，兩邊護板的作用就是保護永磁鐵并承重。永磁鐵通過空氣和護板對被測表面進行磁吸附，從而達到吸附目的。護板、輪芯、永磁鐵剛性連接組成運動輪，運動輪剛性連接到傳動軸上。這樣運動輪一方面通過磁力吸附于被測設備表面，同時也隨著傳動軸一起轉動，實現在任何壁面上吸附和運動兩大功能。

圖6 爬壁單元的運動輪結構原理Fig.6 The structure schematic diagram of the moving wheel of the climbing element

5.2 爬壁單元結構布局

圖7 所示為爬壁單元結構布局，由承重架、4個驅動電機、4個轉動輪以及4組減速齒輪組成。磁化單元即安裝于爬壁單元的中部。4個驅動電機由控制模塊獨立控制，可以實現四輪驅動，使得控制模塊可以很靈活地控制爬壁單元的轉向和運動。

圖7 爬壁單元結構布局Fig.7 Wall climbing unit structure layout

5.3 爬壁單元轉向的實現

爬壁單元轉向示意圖如圖8所示。

圖8 爬壁單元轉向Fig.8 Schematic diagram of wall climbing unit steering

爬壁單元上對稱安裝了4個運動輪，4個步進電機通過各自的變速機構和傳動軸把功率輸出到4個運運輪，以驅動爬壁單元運動。由于爬壁單元上的4個運動輪都與傳動軸剛性固定，而傳動軸與爬壁單元只能相對轉動，不能相對移動，所以爬壁單元不能像汽車一樣靠前面一對輪進行轉向，只能像坦克一樣挪動轉向。當需要爬壁單元向前或向后行駛時，4個步進電機就以同樣的速度驅動4個運動輪向同一個方向運同。當需要轉向時，右邊2個運動輪以相同速度同向運動，左邊2個運動輪以相同速度同向運動，爬壁單元兩邊的4個輪運動速度相同，但運行方向相反。這樣在兩邊輪對的相互作用下，爬壁單元則繞著以4個輪心為邊緣的圓心轉動，如圖8所示，中間對角虛線的交點即為爬壁單元的轉動中心，這樣就實現了爬壁單元的直行和轉向。

6 焊縫跟蹤技術

焊縫檢測原理如圖9所示。焊縫跟蹤單元內部裝有位移傳感器陣列，該陣列由31個位移傳感器組成，位移傳感器線排列，且間隔為5 mm，這樣這個陣列的寬度為（31－1）×5 mm＝150 mm。位移傳感器陣列垂直于焊縫（也就是垂直于爬壁單元的運行方向）。位移傳感器活動部件由彈簧壓于被檢表面上，端部則裝有轉動輪，可以隨爬壁單元向前運動。位移傳感器零點設計于正常的被檢表面，當有焊縫時，由于焊縫比本底高，所以其上的位移傳感器會被頂起來，從而產生位移信號。

圖9 焊縫檢測原理Fig.9 Schematic diagram of weld inspection

控制模塊實時采集焊縫跟蹤單元位移傳感器陣列的數據，將會得到如圖10所示的位移傳感器陣列數據。圖中，ai為傳感器編號，Si為傳感器獲得的原始位移信號值。焊縫一般寬度為30～40 mm，只有焊縫處有明顯的位移數據值。采樣得到一個數據陣列：

圖10 位移傳感器陣列數據Fig.10 Displacement sensor array data

a［i］（i＝1～31）

數據濾波及銳化。以9個數據寬度為一個窗口（覆蓋焊縫寬度）進行平方和再平均計算，即：

其中：j＝5～27。

得到如圖11所示的銳化位移數據圖。圖中，bj為銳化參數編號，Sj為經銳化后的位移信號值。

圖11 銳化位移數據Fig.11 Sharpen the displacement data graph

從b［j］中找出最大的5個點，則這5個點一定包括了銳化位移數據圖的頂峰，也就包括了焊縫的中心，這5個點的中心即為焊縫中心。如這5個最大點為b［16］、b［17］、b［18］、b［19］、b［20］，則焊縫中心點在從左到右第18個位移傳感器處，由于理論中心點為位列傳感器陣列中心16號位移傳感器處，所以此刻爬壁單元的中心向左偏移了焊縫中心2個傳感器的間距，也即10 mm。知道了焊縫與爬壁單元相對位置，控制模塊即可實時調整爬壁單元的運動軌跡，確保爬壁單元沿著焊縫行走，從而實現焊縫跟蹤。

7 樣機驗證

圖12所示為本系統樣機實物圖（執行模塊部分），其可以實現遠距離磁粉檢測。執行模塊吸附于待檢表面、自動爬行、自動噴灑磁懸液、自動加磁，對檢測過程進行錄像并顯示于終端顯示屏上。

圖12 本系統樣機實物（執行模塊）Fig.12 Physical drawing of the system prototype（execution module）

圖13 所示為A1－15／100試塊自動磁粉檢測結果；圖14所示為終端顯示的A1－15／100試塊自動磁粉檢測結果。

圖13 A1－15／100試塊磁粉自動檢測結果Fig.13 Automatic test result of magnetic powder of A1－15／100 test block

圖14 終端顯示的A1－15／100試塊自動磁粉檢測結果Fig.14 Automatic magnetic particle detection results of A1－15／100 test block displayed at the terminal

8 結束語

本文研制的自動化磁粉檢測系統主要由執行模塊、儲液模塊、控制模塊3部分組成，其技術特點能夠自動識別、跟蹤焊縫爬行，自動完成磁粉檢測作業，獲取的實時檢測圖像清晰，經靈敏度試片驗證，能夠滿足磁粉檢測的基本要求，是一種切實可行的磁粉檢測系統。未來，隨著圖像處理技術的不斷完善和優化，將拓展系統的缺陷自動辨識功能，進一步推動自動化磁粉檢測系統向實用化、智能化邁進。