Page 114 - 无损检测2023年第六期
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李晓明, 等:
基于 FPGA 的交流电磁场缺陷智能检测仪
磁检测、 磁粉检测、 涡流检测等。然而, 超声检测在 仿真模型中, 试块选用碳钢材料; U 型磁芯为
检测表面缺陷时灵敏度会降低 [ 3-4 ] ; 漏磁检测对纵向 锰锌铁氧体; 激励线圈为铜线, 缠绕500匝; 其余介
裂纹灵敏度低, 恶搞检测前需要去除表面涂层 [ 5 ] ; 磁 质环境为空气, 仿真模型材料参数如表1所示。模
粉检测对表面光滑度要求高 [ 6 ] ; 涡流检测对提离变 型中直裂纹长度为30mm , 深度为4mm , 裂纹角度
化敏感, 不适合在复杂表面工况下进行缺陷检测 [ 7 ] 。 分别与扫查方向呈 0° , 30° , 60° 和 90° 。复杂裂纹为
相比涡流检测, 交流电磁场检测( ACFM ) 技术 4条与扫查方向夹角分别呈0° , 30° , 60° , 90° 的裂纹,
更容易实现缺陷量化, 而且对探头提离不敏感, 目前 其深度和长度分别为6mm 和20mm 。
该技术在碳钢结构缺陷检测方面得到了广泛应 表1 仿真模型材料参数
用 [ 8 ] 。 PAPAELIAS 等 [ 9 ] 将 ACFM 技术应用于导 参数 介质环境 激励线圈 U 型磁芯 碳钢试块
管架、 输油管道等结构物缺陷的检测中。孙长保 电阻率 /( Ω · m ) 3×10 13 1.3×10 -8 1.9×10 -6 9.78×10 -8
等 [ 10 ] 针对海洋平台焊缝检测, 提出了不同角度裂纹 相对磁导率 1.0 1.0 10000 1000
的 ACFM 缺陷识别方法。袁新安等 [ 11 ] 引入旋转交
1.2 电磁场仿真分析
流电磁场技术, 实现了任意角度裂纹检测, 并利用神
提取仿真模型中距离工件表面2mm 位置的空
经网络等方法实现了缺陷尺寸量化和轮廓重构, 开
间磁场畸变信号进行分析, 绘制不同角度直裂纹区
发了便携式检测仪器。
域内的空间磁场垂直工件表面分量 B z 的分布三维
无损检测仪器控制核心常用的设计方案有两
图, 如图2所示。
种, 一是以单片机作为控制核心, 但单片机难以满足
由图2可见, 当裂纹角度为0° 时, 由于电流扰动
处理速度的需求; 二是以 FPGA ( 现场可编程逻辑门
特征信号在裂纹两端点呈波峰波谷形状。
效应, B z
阵列) 作为控制核心, FPGA 拥有电路的并行性, 能
随着裂纹角度增大, 电流扰动效应减小, 漏磁效应增
够满足检测系统实时运行的性能需求; FPGA 每部
加, 当裂纹角度为90° 时, 全部为漏磁效应, 此时, 在裂
分电路独立工作, 提高了系统的可靠性。 YIN 等 [ 12 ]
纹两边的B z 特征信号同样会出现波峰波谷形状。
基于 FPGA 研制了一种实时多频电磁扫描仪, 提高
复杂裂纹仿真信号如图3所示, 当使用 ACFM
了数据传输速率。胡孟君 [ 13 ] 基于 FPGA 提出一种
技术对复杂裂纹进行检测时, 裂纹区域同时存在电
信号去噪算法, 有效提高了信噪比。
流干扰效应和漏磁效应。其表面电场在 0° 裂纹和
针对碳钢结构的缺陷检测, 笔者设计了一款基
30° 裂纹周围会发生较大的旋转, 并在裂纹尖端聚
于 FPGA 的交流电磁场缺陷智能检测仪, 通过仿真
集, 因此扰动电场使空间磁场沿 0° 裂纹和 30° 裂纹
模型分析不同类型裂纹的表面电流扰动情况, 提出
发生畸变, 在端点处产生了磁场强度的峰值信号; 而
基于 FPGA 的缺陷智能识别算法, 实现了不同角度
60° 与90° 裂纹附近主要表现为漏磁效应。
直线裂纹和复杂裂纹的表面轮廓重构与识别。
仿真结果表明, ACFM 感应电流可在裂纹端点
1 裂纹仿真模型 或两侧聚集, 聚集电流引起特征信号 B z 畸变, 特征
图像在电流聚集位置呈现正负峰值, 可以
1.1 模型建立
信号B z
反映裂纹的表面形貌信息。
使用 ANSYS软件构建交流电磁场检测有限元
2 智能检测仪设计
仿真模型( 见图 1 )。仿真模型主要由激励线圈、 U
型磁芯、 工件和裂纹组成, 裂纹包括不同角度的直裂
2.1 硬件设计
纹和复杂裂纹。
以芯片型号为 XC7A35T-2FGG484I的 FPGA
板卡为核心, 进行交流电磁场缺陷识别仪的总体设
计, FPGA 主要包括激励信号发生模块、 探头信号采
集模块、 均方根处理模块、 数据缓存模块和显示驱动
模块。硬件系统结构框图如图4所示。
激励信号发生模块选用 AN9767模块; FPGA
存储1kHz正弦信号数据, 通过按键控制 FPGA
图1 碳钢裂纹缺陷的交流电磁场检测仿真模型
程序中地址累加部分, 来产生频率为1kHz的激励
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2023年 第45卷 第6期
无损检测
