鋼板缺陷便攜式漏磁檢測系統設計

熊家國，周兆明，謝英豪，周文超，孫前

（西南石油大學機電工程系，四川成都，610500）

0 引言

隨著鋼鐵行業的不斷發展，各方面對鋼板的需求不斷增加，因此對于鋼板質量好壞的檢測成為一種必然的趨勢。傳統的檢測方法有超聲波法、滲透法、工業CT法等[1]。和上述檢測方法相比，漏磁檢測法在測量時自動化程度高、可靠性更強，只需要通過傳感器來接收信號，利用軟件來判斷有無缺陷。檢測范圍相對較大，效率更高，同時實現了缺陷初步量化，能對缺陷危害大小進行初步評估等[2]。

漏磁檢測具有檢測過程可控、不需要耦合劑等優勢被認為最適用于鐵磁性材料的無損檢測方法之一[3]，因此受到了國內外相關研究機構的高度重視。國外許多團隊如Zatespin和Shcherbinin對漏磁場的現象和影響方面做了許多開拓性工作，成為漏磁檢測基礎理論研究先驅[4]。一些學者也從不同角度研究了缺陷的漏磁場，得出的一系列結論加深了對漏磁檢測機理的認識[5]。國內方面沈陽工業大學楊理踐、張國光等采用ANSYS仿真軟件對漏磁檢測進行了分析[6]，得出了缺陷的幾何性質，包括長度、深度、角度等與磁場信號存在的聯系，進而可以使得到的結果對缺陷特征進行評估。東北大學的吳振寧提出了一種考慮速度影響的迭代反演缺陷重構算[7]。華中科技大學孫燕華、武新等人對漏磁檢測中最為關鍵的磁化技術進行了分析研究，利用磁場的壓縮、擴散和折射對漏磁場的形成進行了更加深入的分析，并研究了超強磁化作用下漏磁檢測能檢測到的深度。東北石油大學戴光等利用有限元構建了換熱管漏磁3D模型[8]，以此來探索磁化方式，磁化強度對漏磁場的改變如何等等。

目前漏磁檢測技術的研究工作在持續的進行當中，在美國、英國和德國等一些國家的漏磁檢測技術更為先進和成熟，且在一些領域得到廣泛的應用，這些國家的相關公司無論是在生產數量和質量方面還是在售后服務方面已經遙遙領先世界其他生產商[9]，近些年來，隨著我國運輸管道和鋼板的大量使用，我國對無損檢測技術進行了不斷的研究，許多著名大學如清華大學、上海交通大學和天津大學等在管道漏磁檢測技術的研究都比較深入[10]。研究結果表明，近年來中國在漏磁管道檢測技術方面的專利申請量和公開量增長迅猛[11]。中國漏磁檢測技術必將具有良好的發展前景。

1 便攜式漏磁檢測系統設計

1.1 便攜式漏磁檢測系統設計總框圖

要測量磁信號，首先對被測鋼板進行磁化，利用推動式小策劃帶動霍爾傳感器探頭檢測磁場信號，傳感器模塊采集到磁場信號后，經過差分放大和濾波處理，然后將信號傳送到微處理器進行處理，最后通過上位機進行顯示，其總體系統框圖1所示。

圖1 系統總體框圖

1.2 漏磁檢測系統電路設計

由于許多集成放大器的內部多是采用直接耦合的方式來放大電路，從而可能會引發零點漂移的問題，為了消除零點漂移對實驗測量帶來的影響，本次電路仿真將采用差分放大電路，由于實驗選用的霍爾傳感器的模擬靜態電壓輸出為2.5V，仿真過程中輸入2.5V的直流電壓v1來代替傳感器的靜態電壓，同時在滑動變阻器RV6的一端輸入5V的直流電壓v2，兩端同時接入LM158型放大器形成差分放大電路，通過調節滑動變阻器使得U2的示數顯示為0，以此來消除傳感器的靜態電壓，具體的仿真圖如圖2所示。仿真結果表明，當RV6調至80%時U2為0，同時信號放大倍數設定為10能達到很好的預期效果，然后將放大信號接入二階低通濾波電路做進一步處理，最后通過電壓表U3顯示。

圖2 信號放大仿真圖

1.3 便攜式漏磁檢測實驗裝置設計

霍爾傳感器是較為常見的一種測磁元件。根據霍爾效應制成，其材料主要是半導體。霍爾器件體積輕巧，精度高，使用壽命長，而且功耗小，線性度好，是測量磁場時優先考慮的元件。本實驗選用型號為AH49E的霍爾元件作為漏磁探測裝置的測量傳感器，該種型號的霍爾傳感器小巧輕便，使用壽命長，價格低廉，精度和線性度良好，工作溫度范圍寬，能滿足漏磁檢測需求，同時節約成本。實驗需設計一個檢測裝置推動式小車綁定永磁鐵來帶動霍爾傳感器探頭進行移動，經考慮設計了一個四輪平板小車作為檢測裝置的運載體，將兩塊永磁鐵擺放一定間距，并使相鄰兩邊相互吸引，以便永磁鐵與鋼板構成磁回路，形成漏磁場。再帶動霍爾傳感器進行數據采集。如圖3所示。

圖3 實驗裝置設計圖

在實驗鋼板上設計不同深度的缺陷，漏磁檢測需要在移動過程中進行檢測，從而探測到被測件缺陷處的磁場突變。由霍爾傳感器測得的漏磁信號經放大濾波調理電路，通過STM32處理器之后與計算機串口相連接。同時計算機為其工作提供所需電壓，最終將測得的信號轉變為電壓于顯示界面輸出。具體測量裝置圖如圖4所示。

圖4 實驗裝置搭建圖

2 實驗結果

將實驗鋼板按照一定距離進行切割，形成長度都為7mm，寬度都為1mm，深度分別為5mm、4mm、3mm、2mm的缺陷，如圖5所示。

圖5 鋼板試樣

每當推動式小車運行到缺陷處時，上位機所顯示的電壓值都會發生變化。測試結果如表1所示。

表1 實驗結果

當缺陷厚度為2mm時，上位機顯示界面穩定值為11mv。同樣，當小車移動到缺陷厚度為5mm時，上位機顯示值為25mv。通過Origin繪圖軟件對數據進行進一步處理，繪制該曲線并進行數據線性擬合，同時得出缺陷厚度與電壓值的相關關系。結果如圖6所示。

圖6 曲線擬合圖

3 結論

本文以STM32為主控芯片，結合漏磁檢測基本原理，對實驗鋼板進行了缺陷便攜式檢測系統設計。結合相關數據，根據實際選擇各種材料和電路元件，設計了鋼板磁化裝置及運載體，焊接電路板，利用霍爾傳感器對鋼板缺陷進行磁場信號檢測，并對得到的數據進行了一定的分析。系統采用了模塊化設計，思路清晰，功能完全。經過實驗驗證，此系統滿足檢測要求，系統運行穩定。