基于差分柔性渦流探頭的鐵軌裂紋檢測方法

許 鵬 劉柏霖 陳亞雄

南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,南京,211106

0 引言

鐵路作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國民經(jīng)濟的大動脈和大眾化交通工具,近幾年發(fā)展迅速,無論是運輸規(guī)模、里程還是行車速度都有了質(zhì)的飛躍[1]。但是在飛速發(fā)展的同時伴隨著嚴峻的安全保障問題[2-3]。在鋼軌服役的過程中,表面會出現(xiàn)各種各樣的缺陷裂紋,主要分為滾動接觸疲勞裂紋、內(nèi)部核傷、焊縫傷損、軌底腐蝕等形式[4-6]。現(xiàn)階段傳統(tǒng)的鐵道工人沿線檢視工作效率低,且難以發(fā)現(xiàn)鋼軌細小的或內(nèi)部的損傷,使列車運行具有較大隱患[7-8]。渦流檢測技術(shù)對鋼軌檢測具有獨特的優(yōu)勢[9],一是采用非接觸式測量方式,不需要緊貼試件表面,傳感器探頭不會受到鋼軌上的鐵銹、油污等介質(zhì)影響,對檢測環(huán)境要求不高,能適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件,容易實現(xiàn)自動化檢測和高速檢測;二是檢測用的渦流探頭制作方便,尺寸多樣,還可以制成陣列探頭以滿足各種不同結(jié)構(gòu)的檢測需求[10];三是不需要耦合劑、滲透液等化學(xué)物質(zhì),既降低了成本又保證了檢測人員的安全,對環(huán)境亦無污染[11-13]。然而傳統(tǒng)的電渦流傳感器普遍存在以下問題:①傳感器的檢測信號易受提離等因素的影響,定量檢測效果差;②檢測效率與檢測分辨力存在矛盾,難以實現(xiàn)快速檢測;③復(fù)雜結(jié)構(gòu)受檢件的誤檢率高[14-16]。

近年國內(nèi)外對新型電渦流傳感器開展了大量研究。有學(xué)者采取改變渦流探頭的激勵方式來優(yōu)化傳統(tǒng)渦流傳感器檢測效果,例如趙瑩等[17]提出了選頻帶脈沖渦流檢測方法,比較了傳統(tǒng)方波脈沖渦流與選頻帶脈沖渦流對一定深度范圍的局部減薄缺陷的檢測靈敏度,并考察了選頻帶脈沖渦流的提離交叉點特征。有學(xué)者提出將平面型電渦流傳感器制作在柔性印刷電路板(flexible printed circuit board,FPCB)上,這種新型傳感器貼合鐵軌檢測提離小,對裂紋的靈敏度高,有檢測復(fù)雜表面幾何形狀的可能[18-19]。MACHADO等[20]開發(fā)了5種新穎的柔性渦流探頭以檢測管道內(nèi)表面上的任意方向的亞毫米缺陷,并使用有限元方法模擬了任意方向缺陷的探測響應(yīng)。吳斌等[21]通過有限元仿真和實驗分析了圓形線圈處于不同彎曲角度時,柔性渦流傳感器對模擬裂紋缺陷方向角及深度的檢測能力變化規(guī)律。

FPCB線圈可以根據(jù)特定需求設(shè)計尺寸樣式,也能更好地貼合被測對象,并且對以大尺寸線圈傳感器為基礎(chǔ)的渦流檢測方法中難以識別的簇狀密集缺陷的檢測表現(xiàn)優(yōu)異。本文主要通過仿真分析設(shè)計并搭建了基于FPCB差分線圈的高速軌道檢測系統(tǒng),對不同激勵頻率和速度下的檢測信號進行特征提取和缺陷狀況分析,研究激勵頻率和速度對檢測信號的影響及各組檢測速度下缺陷的量化評估方法,并通過實驗驗證了FPCB線圈尺寸與檢測密集缺陷能力的關(guān)系。

1 FPCB渦流檢測仿真分析

1.1 FPCB渦流仿真模型

使用仿真軟件建立FPCB渦流檢測3D仿真模型仿真模型。實驗室的轉(zhuǎn)臺密集缺陷間距為2,4,8,16 mm,為了能夠達到良好的檢測效果,將FPCB線圈尺寸與密集缺陷間距相匹配,檢測線圈采用邊長4 mm的方形單層線圈。

建立的模型如圖1所示,兩個完全相同的FPCB線圈構(gòu)成一個差分對,實現(xiàn)對缺陷的差分渦流信號檢測,每個FPCB線圈形狀為邊長4 mm的正方形,線寬0.08 mm,共10匝,厚度約0.02 mm,材料設(shè)置為copper,與鐵軌之間的提離為0.03 mm。鐵軌的材料設(shè)置為Steel-1008,缺陷寬0.4 mm,深4 mm。采用有限元法計算FPCB線圈的電感值,研究FPCB渦流檢測的缺陷信號特征。采用靜態(tài)渦流場分析方式,在FPCB線圈上施加交流激勵電流,分別計算出前后兩個線圈經(jīng)過缺陷的電感變化曲線。

圖1 FPCB渦流檢測三維仿真模型

1.2 FPCB差分線圈渦流場分析

給兩個FPCB線圈施加相同頻率、相同方向的激勵電流,利用有限元法對線圈在樣軌試件表面產(chǎn)生的渦流場進行模擬計算,仿真結(jié)果如圖2所示,圖中給出的是兩個線圈正下方的渦流場分布。由于差分線圈對是兩個完全相同的矩形線圈,所以它們在樣軌表面產(chǎn)生的渦流分布基本一致,都為近似矩形的渦流場,且主要集中分布于兩個線圈的正下方。值得注意的是,兩個線圈的間隙下方?jīng)]有渦流分布。經(jīng)過分析可知,這是由同向激勵電流造成的,兩個線圈在鄰近位置處激發(fā)的磁場相互抵消,導(dǎo)致在中間部分的正下方試件表面并沒有產(chǎn)生較強的渦流場。

圖2 FPCB差分線圈在樣軌表面產(chǎn)生的渦流場

1.3 FPCB渦流檢測仿真信號分析

對FPCB渦流檢測模型進行仿真分析,選取缺陷中心點為基準,將渦流探頭的中心即兩個FPCB線圈的中點相對于缺陷中心在Y軸方向的位置定義為l,分別計算兩個FPCB線圈在經(jīng)過缺陷過程中不同位置處的電感值L1、L2,模擬實際檢測中的檢測結(jié)果。根據(jù)仿真得到的電感值繪制曲線,圖3示出了FPCB渦流探頭沿著Y軸負方向經(jīng)過缺陷的過程中兩個線圈電感的變化曲線。

圖3 FPCB線圈檢測缺陷的仿真結(jié)果

由于有相同的激勵電流同時通入兩個激勵線圈中,當缺陷依次經(jīng)過兩個線圈下方時,靠前的感應(yīng)線圈會先受到缺陷影響,它所感應(yīng)的電流大小發(fā)生變化,兩個感應(yīng)線圈所感應(yīng)的電壓不能相互抵消,會對外輸出一個差分信號,該差分信號表現(xiàn)為線圈電感的差分信號。將兩個FPCB線圈的電感信號作差,即ΔL=L2-L1,如圖4所示,得到的曲線即為缺陷的正負峰差分信號曲線,用以模擬實際中FPCB線圈對的缺陷檢測信號;提取差分信號的峰峰值ΔLP作為特征值用于后續(xù)仿真結(jié)果分析。

圖4 兩個FPCB線圈電感作差后的變化曲線

1.4 不同激勵頻率仿真分析

由于FPCB線圈電感值很小(約為400 nH),如果激勵頻率過低會導(dǎo)致線圈阻抗過小,流過的電流超限,很可能燒毀線圈,因此設(shè)置FPCB線圈的交流激勵頻率f分別為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MHz,研究激勵頻率與檢測信號ΔLP的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖5所示。隨著激勵頻率的增大,FPCB線圈對的電感差值ΔL也在增大,將ΔLP整理繪圖,得到圖6。可以看出,當激勵頻率低于1 MHz時,ΔLP增長的速度較快;而當激勵頻率高于1 MHz時,ΔLP增長的速度放緩。

圖5 不同激勵頻率缺陷檢測的ΔL變化曲線

圖6 不同激勵頻率缺陷檢測的ΔLP變化曲線

由此可得,增大激勵頻率可以有效增大檢測信號的峰峰值ΔLP,進而提高檢測信號信噪比,優(yōu)化檢測效果,但是,該增益效果隨著激勵頻率的增大而衰減。另外,由于趨膚效應(yīng),激勵頻率越高,電流越會集中在導(dǎo)體的表面,近表面的電流密度越大,渦流檢測的分辨率越高,但是檢測越趨于表面,不利于檢測較深的缺陷,因此需要針對待檢缺陷的特征選擇合適的激勵頻率。

1.5 不同深度缺陷仿真分析

采用1 MHz的交流電作為激勵頻率,保證其他參數(shù)不變,樣本缺陷深度d分別為0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,6.0,8.0 mm,仿真結(jié)果如圖7所示。隨著缺陷深度的增大,FPCB線圈對的電感差值ΔL也在增大,通過圖中各曲線的間距變化可以看出增大的趨勢在減緩。為了更直觀地看出增長速度的變化,繪制電感差值的峰峰值ΔLP隨著缺陷深度變化的曲線,如圖8所示。可以看出,當缺陷深度d小于4 mm時,ΔLP的增長速度較快;當缺陷深度d大于4 mm時,ΔLP的增長速度變緩。說明FPCB線圈在1 MHz激勵頻率下,對深度為4 mm以內(nèi)的垂直缺陷分辨率較高,而對深度為4 mm以上的垂直缺陷分辨率較低。

圖7 不同深度缺陷檢測的ΔL變化曲線

圖8 不同深度缺陷檢測的ΔLP變化曲線

1.6 密集缺陷仿真分析

為了研究FPCB差分線圈探頭的靈敏度,建立了圖9所示的密集缺陷仿真模型,圖中一個樣軌上有兩個距離較近的缺陷,缺陷間距分別設(shè)為0.5,1.0,1.5,2.0 mm。在仿真分析中,選取缺陷1的中心點為基準,將渦流探頭的中心即兩個FPCB線圈的中點相對于缺陷1中心在Y軸方向的位置定義為p。

圖9 FPCB渦流檢測密集缺陷三維仿真模型

仿真結(jié)果如圖10所示,圖10a和圖10b分別展示了線圈1和線圈2對密集缺陷的仿真結(jié)果,圖10c為差分信號。結(jié)果表明,間距X為0.5 mm和1.0 mm的兩個缺陷基本識別不出來,而間距為1.5 mm時可以初步判別出兩個峰值,間距為2.0 mm時可以識別出兩個密集缺陷。通過分析對比發(fā)現(xiàn)該檢測結(jié)果與線圈尺寸有關(guān),柔性線圈1、2都為邊長4 mm的正方形,通過仿真分析得出,單個線圈針對密集缺陷的最小檢測間距為2 mm。這是由FPCB線圈的尺寸(FPCB線圈橫截面為邊長4 mm的正方形)決定的,即最小檢測間距為線圈邊長的一半。

(a)線圈1仿真結(jié)果

根據(jù)已定FPCB線圈尺寸設(shè)計新的密集缺陷區(qū)缺陷參數(shù),建立了對應(yīng)的仿真模型,探究FPCB線圈檢測不同間距缺陷的能力與線圈尺寸之間的關(guān)系,改進后的模型如圖11所示。在同一鐵軌樣本上有5個完全相同的缺陷,其間距從右往左依次為2,4,8,16 mm。

圖11 多間距密集缺陷三維仿真模型

仿真分析依舊選取缺陷1的中心點為基準,將渦流探頭的中心相對于缺陷1中心在Y軸方向的相對位置仍定義為變量p。對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖12所示。圖12a和圖12b分別示出線圈1和線圈2對5個不同間距密集缺陷的仿真結(jié)果,圖12c為差分信號。圖12a和圖12b所示符合上文所述單個線圈針對密集缺陷的最小檢測間距為2 mm的結(jié)論,最佳檢測間距為4 mm及以上;通過圖12c可以看出,對應(yīng)的最佳差分信號檢測間距為8 mm及以上,即可完整地檢測出缺陷4、缺陷5的差分信號。

(a)線圈1仿真結(jié)果

綜上可得,若已知待測的一片密集缺陷區(qū)域中相鄰缺陷的最小間距為X,要設(shè)計出能夠有效識別出這組密集缺陷的FPCB線圈,則該FPCB方形線圈的尺寸應(yīng)該根據(jù)檢測效果需求進行調(diào)整:①單個線圈的邊長D滿足X≤D≤2X即可基本識別出最小間距的密集缺陷;②邊長滿足X/2≤D≤X可獲得完整較佳的單線圈檢測效果;③邊長滿足D≤X/2可以獲得最佳差分信號檢測結(jié)果。

2 高速轉(zhuǎn)臺軌道檢測實驗

2.1 FPCB渦流探頭設(shè)計

考慮到FPCB線圈更加精細,尺寸更小,能夠檢測鋼軌表面細小的裂紋,而且檢測線圈可以陣列擺放,縮短掃描時間、提高效率,再加上材料柔軟且耐磨,適應(yīng)各種復(fù)雜曲面,可以抑制渦流的提離效應(yīng),提高檢測效果的可靠性,因此采用FPCB即柔性印刷電路板進行設(shè)計。

從更經(jīng)濟更長遠的角度考慮,采用了四通道陣列式設(shè)計,即在同一片柔性基底材料上進行四路差分線圈布線,這樣既最大程度地利用了空間,也為后續(xù)陣列式FPCB渦流探頭的研究作鋪墊。

參考前文的仿真工作進行探頭結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計,每個FPCB檢測線圈設(shè)計為邊長4 mm的正方形,共10匝,線寬為0.08 mm,厚度約0.02 mm。激勵線圈采用與之匹配的邊長為4 mm的正方形,激勵線圈的線寬受電流限制,不能設(shè)計得如同檢測線圈一般精細,否則會燒毀線圈。根據(jù)渦流儀器輸出的激勵信號以及阻抗分析,激勵線圈的線寬設(shè)計為1 mm,共1匝。FPCB探頭的線圈布線如圖13所示。

(a)激勵線圈布線圖

探頭實物如圖14所示,激勵線圈和檢測線圈各在一層貼片上,將這兩層貼片緊緊疊放在一起組成一個FPCB陣列渦流探頭。方形激勵線圈直徑4 mm,寬度為1 mm,保證激勵電流不會燒毀線圈。檢測線圈邊長同樣為4 mm,與激勵線圈對應(yīng),以便更好地檢測激勵線圈在鋼軌表面產(chǎn)生的感應(yīng)渦流場,檢測線圈共10匝。探頭整體厚度僅0.1 mm,可以緊貼待測鐵軌。陣列中一共有4組差分線圈對,每組輸出差分缺陷檢測信號。

2.2 轉(zhuǎn)臺實驗平臺

以實驗室的高速鋼軌轉(zhuǎn)臺為基礎(chǔ),搭建了FPCB渦流檢測實驗平臺。高速轉(zhuǎn)臺由大功率電機驅(qū)動,可實現(xiàn)最高350 km/h的轉(zhuǎn)速。圖15為轉(zhuǎn)臺實物圖,轉(zhuǎn)臺上的鋼軌表面均勻分布人工切割的缺陷,這些缺陷是根據(jù)實際鋼軌中的裂紋形狀尺寸進行設(shè)計切割的,包括不同寬度及不同深度的垂直缺陷、表面傾斜及內(nèi)部傾斜的缺陷、埋藏盲孔等,具體的缺陷分布情況見圖16。

圖15 高速鋼軌轉(zhuǎn)臺實物圖

圖16 轉(zhuǎn)臺鋼軌的表面缺陷分布圖

高速轉(zhuǎn)臺檢測系統(tǒng)的流程如圖17所示。整個系統(tǒng)主要由高速轉(zhuǎn)動平臺、FPCB渦流檢測探頭、智能數(shù)字探傷儀以及PC端的渦流儀器軟件和LabVIEW信號處理部分組成。

圖17 高速鋼軌轉(zhuǎn)臺檢測系統(tǒng)流程圖

2.3 不同激勵頻率檢測信號分析

將激勵頻率設(shè)置為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 MHz,保持各組實驗中轉(zhuǎn)臺速度一致。選取垂直深度4 mm缺陷的檢測信號,提取電壓信號正負峰的峰峰值ΔUP進行分析,如圖18所示。可以發(fā)現(xiàn),隨著激勵頻率的增大,FPCB線圈對垂直深度4 mm缺陷檢測信號的ΔUP也在逐漸增大,當激勵頻率低于1 MHz時,ΔUP增長的速度較快;而當激勵頻率高于1 MHz時,ΔUP增長的速度放緩,與仿真結(jié)果一致。

圖18 4 mm垂直缺陷檢測信號ΔUP隨激勵頻率變化曲線

2.4 不同速度檢測信號分析

我國在役的高鐵動車類型包括:L字頭的臨時列車,一般速度范圍在80～140 km/h之間;K字頭的快速列車,時速一般在120 km/h;T字頭的特快列車,時速一般在140 km/h;Z字頭的直達特快列車,時速一般在160 km/h;D字頭的動車組列車,時速一般在200～250 km/h,甚至達到300 km/h;G字頭的高速動車組,運行時速達到300 km/h以上。

參考列車的正常運行速度,再結(jié)合實驗室高速轉(zhuǎn)臺的高速性能,取時速為40,80,120,160,200 km/h進行激勵頻率為1 MHz的缺陷檢測實驗。設(shè)定激勵頻率為1 MHz進行后續(xù)實驗,既可以降低解調(diào)難度,又能保證檢測信號質(zhì)量。分析垂直深度d為2,4,6,8 mm的4個缺陷檢測信號的ΔUP,結(jié)果如圖19所示。分析實驗結(jié)果,隨著速度的增大,4個缺陷檢測信號的ΔUP統(tǒng)一呈現(xiàn)減小的趨勢;速度到達200 km/h之后,信號衰減比超過50%,即以40 km/h速度下的信號值為基準,200 km/h的檢測信號值衰減到了其一半以下。說明隨著速度的增大,檢測信號的幅值在近似線性下降。

2.5 不同深度缺陷檢測信號分析

選取轉(zhuǎn)臺上垂直深度為2,4,6,8 mm,其他參數(shù)都相同的4個缺陷,提取分析檢測信號的ΔUP,結(jié)果如圖20所示。隨著缺陷深度的增大,FPCB線圈檢測信號的ΔUP也在增大。可以看出,當缺陷深度d小于6 mm時,ΔUP增長的速度較快;而當缺陷深度d大于6 mm時,ΔUP增長的速度變緩,這與仿真結(jié)果略有出入,但在可接受范圍內(nèi),因為實驗條件與仿真環(huán)境有一定區(qū)別。本文設(shè)計的FPCB線圈采用1 MHz激勵頻率時,對深度6 mm以內(nèi)的垂直缺陷分辨率較高,而對深度6 mm以上的垂直缺陷分辨率相對較低。這一結(jié)論可以指導(dǎo)后續(xù)對探頭最佳的深度檢測區(qū)間的研究。

圖20 不同深度缺陷檢測的ΔUP變化曲線

2.6 密集缺陷檢測信號分析

轉(zhuǎn)臺上有間距為2,4,8,16 mm的5個垂直密集缺陷,具體參數(shù)由表1給出,寬度、深度完全一致。實物圖見圖21。在低速狀態(tài)下對這些缺陷進行檢測。

表1 密集缺陷具體參數(shù)

圖21 轉(zhuǎn)臺密集缺陷實物圖

將轉(zhuǎn)臺上編號為20～24的5個缺陷的檢測信號從一個周期中單獨提取出來,對波形進行詳細分析,提取各個缺陷信號的峰間距,結(jié)合轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速及周長計算缺陷間距,驗證通過檢測信號得出的間距與實際距離是否一致。實驗采用單線圈檢測,理論上可以檢出間距為2 mm以上的密集缺陷。

實驗結(jié)果如圖22所示,檢測出了這5個密集缺陷的單峰信號,驗證了之前通過仿真結(jié)果分析得出的猜想,邊長為2 mm的FPCB線圈確實可以檢測出間距為2 mm及以上的密集缺陷。測量得到轉(zhuǎn)臺半徑約為0.425 m,算得周長約為2.67 m,這樣根據(jù)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一個周期所經(jīng)過的采樣點數(shù)可以推算出轉(zhuǎn)臺的實際轉(zhuǎn)速v,再用實際轉(zhuǎn)速乘以各峰值之間的時間差T,可得到密集缺陷的實際間距Q:

圖22 轉(zhuǎn)臺密集缺陷單峰檢測信號

Q=vT

表2給出的計算結(jié)果表明,該評估方法得到的密集缺陷間距基本都與實際間距一致,可以確定FPCB單線圈對密集缺陷的檢測效果很好,也證實了仿真結(jié)論是合理的,可以用來指導(dǎo)不同間距密集缺陷的檢測探頭尺寸設(shè)計。

表2 密集缺陷各峰值估算間距

按照上文仿真的結(jié)論,邊長為4 mm的FPCB線圈對最佳差分信號檢測間距為8 mm及以上,即能完整檢測出23號、24號的缺陷。在低速情況下,使用差分信號檢測該密集缺陷區(qū),同樣截取實驗檢測信號,結(jié)果如圖23所示。可以看出,間距在8 mm以內(nèi)的20～22號缺陷對應(yīng)的差分信號都混雜在一起,很難辨認出各個缺陷,但是與鄰近缺陷相距在8 mm以上的23與24號缺陷的差分信號幾乎完整顯現(xiàn)。差分信號對密集缺陷間距的檢測能力同樣也是由FPCB線圈的尺寸決定的,不過與單線圈檢測信號不同的是,差分信號的最佳密集缺陷檢測間距為單個方形線圈尺寸的兩倍及以上,這也驗證了前文仿真的結(jié)論。

圖23 轉(zhuǎn)臺密集缺陷差分檢測信號結(jié)果圖

綜合仿真分析與實驗結(jié)果,FPCB線圈檢測不同間距密集缺陷的能力與線圈尺寸相關(guān),其中單線圈最佳檢測間距為線圈邊長的值及以上,而差分線圈最佳檢測間距為線圈邊長的兩倍及以上。當已知一片密集缺陷區(qū)域中相鄰缺陷的最小間距時,可以根據(jù)具體檢測效果需求設(shè)計FPCB方形線圈的尺寸,有效識別出密集缺陷。

3 結(jié)論

本文主要研究了一種基于FPCB渦流的高速軌道缺陷檢測及量化評估方法,進行了仿真分析和實驗驗證,得出FPCB線圈對密集缺陷的檢測結(jié)果與線圈尺寸有關(guān):若已知相鄰缺陷的最小間距為X,則FPCB方形線圈的邊長D滿足X≤D≤2X即可基本識別出最小間距的密集缺陷;邊長滿足X/2≤D≤X可獲得完整較佳的單線圈檢測效果;邊長滿足D≤X/2可以獲得最佳差分信號檢測結(jié)果。