基于lia的三維變磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究

基于lia的三維變磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究

0acfm微測(cè)量原理acfm法結(jié)合了交變電壓降（acpd）技術(shù)的無校正測(cè)量和流道檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，以及不受提離效應(yīng)、材料屬性和邊緣效應(yīng)的影響，在檢測(cè)結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。它是一種能定量測(cè)量表面裂紋的無損檢測(cè)方法,工作原理是在待測(cè)工件中通以交變電流時(shí),電流會(huì)由于集膚效應(yīng)而聚集于導(dǎo)體表面。當(dāng)工件中有缺陷存在時(shí),由于電阻率的變化,勢(shì)必對(duì)電流分布產(chǎn)生影響,電流線在缺陷附近會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),工件表面的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變。在ACFM中,一般測(cè)量垂直工件表面以及和裂紋平行走向的磁場(chǎng)分量,但當(dāng)渦流方向平行于裂紋走向時(shí),如果只測(cè)量該2個(gè)磁場(chǎng)分量,就無法實(shí)現(xiàn)裂紋的檢出,因此,本文測(cè)量空間磁場(chǎng)的三維分量并結(jié)合頻率掃描技術(shù),可以檢測(cè)任何走向的裂紋,并能夠確定裂紋的走向以及裂紋的深度和長(zhǎng)度信息。鎖相放大電路由于其很強(qiáng)的抗干擾性能,是微弱信號(hào)檢測(cè)的常用方法。其基本原理就是利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù),基于互相關(guān)原理,使輸入待測(cè)的微弱周期信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān),從而將深埋在大量的非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號(hào)檢測(cè)出來,同時(shí),達(dá)到抑制干擾的作用。它和一般的交流放大電路不同,輸出的信號(hào)并不是對(duì)待測(cè)信號(hào)的簡(jiǎn)單放大,而是把待測(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同步的那部分信號(hào)放大檢測(cè)出來,并變成相應(yīng)的直流信號(hào)。正交型LIA檢測(cè)電路由于對(duì)檢測(cè)信號(hào)的測(cè)量不受參考信號(hào)的影響,避免了由于參考信號(hào)的自相關(guān)運(yùn)算帶來的測(cè)量誤差。1缺陷方向判斷模型三維磁場(chǎng)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的物理模型如圖1所示。其中,圖1(a)矩形線圈作為檢測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)線圈,通常具有一定幅值的交流電,以便在被測(cè)工件表面感應(yīng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)測(cè)量所需要的勻強(qiáng)渦流分布;圖1(b)是三維磁場(chǎng)測(cè)量傳感器,它由3個(gè)相互垂直的感應(yīng)線圈繞制而成,分別感應(yīng)空間點(diǎn)在3個(gè)方向的磁場(chǎng)變化。為了通過測(cè)量得出任意走向的裂紋的尺寸、方向和位置信息,只測(cè)量2個(gè)方向的磁場(chǎng)分量是無法實(shí)現(xiàn)的,因此,必須檢測(cè)3個(gè)方向檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的變化。在單一頻率激勵(lì)下,通過測(cè)量Z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,可以很容易實(shí)現(xiàn)缺陷的定性檢出以及長(zhǎng)度的測(cè)量,但對(duì)缺陷深度的定量卻需要通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型才能實(shí)現(xiàn)。由電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)可以知道,試件中的感應(yīng)電流集中于表面,渦流滲透深度隨著渦流探頭結(jié)構(gòu)的不同、激勵(lì)頻率的不同而變化,因此,本文在原有交變磁場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上,建立了基于頻率掃描技術(shù)的缺陷深度檢測(cè)模型,在實(shí)現(xiàn)深度檢測(cè)的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了裂紋方向的判斷。即如果假設(shè)空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與水平方向的夾角為α,與垂直方向的夾角為β,則3個(gè)方向的感應(yīng)電壓信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)可以如下所示X方向:X0-0=AB1cosφ=ABcosαcosβcosφ,(1)X0-1=AB1sinφ=ABcosαcosβsinφ;(2)Y方向:Y0-0=AB2cosφ=ABsinαcosβcosφ,(3)Y0-1=AB2sinφ=ABsinαcosβsinφ;(4)Z方向:Z0-0=AB3cosφ=ABsinαcosφ,(5)Z0-1=AB3sinφ=ABsinαsinφ.(6)由式(1)～式(6)可知ctgφ=X0-0X0-1=Y0-0Y0-1=Ζ0-0Ζ0-1.(7)ctgφ=X0?0X0?1=Y0?0Y0?1=Z0?0Z0?1.(7)由式(1)～式(6)可推導(dǎo)得X0-0Y0-0=X0-1Y0-1=B1B2.(8)X0?0Y0?0=X0?1Y0?1=B1B2.(8)同理,可得X0-0Ζ0-0=X0-1Ζ0-1=B1B3,(9)Ζ0-0Y0-0=Ζ0-1Y0-1=B3B2.(10)X0?0Z0?0=X0?1Z0?1=B1B3,(9)Z0?0Y0?0=Z0?1Y0?1=B3B2.(10)3個(gè)方向的感應(yīng)電壓在總的感應(yīng)的電壓的比值(量綱為1)為X方向∶Μ1=UXU=√X20-0X20-0+Y20-0+Ζ20-0=√X20-1X20-1+Y20-1+Ζ20-1;(11)Y方向∶Μ2=UYU=√Y20-0X20-0+Y20-0+Ζ20-0=√Y20-1X20-1+Y20-1+Ζ20-1;(12)Z方向:Μ3=UΖU=√Ζ20-0X20-0+Y20-0+Ζ20-0=√Ζ20-1X20-1+Y20-1+Ζ20-1.(13)圖2中,d表示裂紋的深度;δ表示渦流實(shí)際滲透深度。當(dāng)檢測(cè)線圈處于完好場(chǎng)時(shí),M1,M2,M3保持不變,是一個(gè)常數(shù);當(dāng)檢測(cè)線圈處于缺陷區(qū)域時(shí),M1,M2,M3會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,M1減小,而M2,M3增大,會(huì)在有缺陷的路徑形成缺陷環(huán),以此判斷裂紋的有無。這是由于裂紋的出現(xiàn),影響了表面渦流的走向和分布,渦流會(huì)沿著裂紋的斷面流向。在裂紋處對(duì)裂紋斷面進(jìn)行頻率掃描,根據(jù)M1,M2,M3的測(cè)量情況和對(duì)應(yīng)頻率在工件的實(shí)際集膚深度,就可以推導(dǎo)出裂紋的深度。首先,當(dāng)激勵(lì)頻率很高時(shí),渦流分布如圖2(a)所示,隨著頻率的降低,將會(huì)出現(xiàn)圖2(b)和圖2(c)的情況,也就是說,當(dāng)水平方向的感應(yīng)電壓和垂直方向的感應(yīng)電壓滿足某種規(guī)律變化時(shí),渦流此時(shí)的實(shí)際滲透深度就是缺陷的深度。2檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法都是用正弦波電流激勵(lì)探頭線圈,在被測(cè)工件表面產(chǎn)生渦流。該渦流通道的損耗電阻及渦流的反作用探頭線圈,改變了線圈的電流大小和相位,即改變了線圈的阻抗,渦流無損檢測(cè)方法就是測(cè)試線圈的阻抗變化實(shí)現(xiàn)的。對(duì)被測(cè)工件的無損檢測(cè),除了對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析外,還要對(duì)其進(jìn)行定量分析,而相位信息和缺陷的深度有直接的關(guān)系,但普通相位測(cè)量方法(如過零點(diǎn)檢測(cè)法等)由于噪聲的存在,都會(huì)給測(cè)量帶來很大的誤差。另外,由于感應(yīng)信號(hào)很小,這樣給檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求,也為測(cè)量帶來了很多不確定的因素。在此基礎(chǔ)上,本文提出基于頻率掃描技術(shù)的交變磁場(chǎng)測(cè)量法的缺陷識(shí)別模型可以很好地解決這方面的問題,它利用3個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,以缺陷環(huán)的方式判斷缺陷的存在,以頻率掃描的方式進(jìn)行裂紋深度、長(zhǎng)度、寬度和方向的測(cè)量。2.1信號(hào)檢測(cè)原理每個(gè)方向檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)原理框圖如圖3所示。2.2一些電路的具體實(shí)現(xiàn)2.2.1調(diào)理電路的設(shè)計(jì)這部分電路包括正弦波變方波電路、幅值比例放大調(diào)理電路。波形變換電路通過將反相比例電路的實(shí)現(xiàn),并通過二級(jí)運(yùn)算放大器完成幅值的調(diào)整,輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào),以便后續(xù)的正交信號(hào)產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)。2.2.2分頻鎖相電路將上述的輸出信號(hào)經(jīng)過CD4046和74LS74構(gòu)成的4倍頻鎖相電路,然后,將其經(jīng)過分頻電路就可以實(shí)現(xiàn)移相的目的。利用74LS74觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)原有信號(hào)的90°,180°,270°,360°的移相。2.2.3濾去工頻干擾該部分電路首先通過一個(gè)二階有源高通濾波器(設(shè)置通帶起始頻率為200Hz)和二級(jí)反相比例放大器,完成信號(hào)在LIA前置放大和信號(hào)濾波,以濾去50Hz的工頻干擾以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?達(dá)到測(cè)量的要求。然后,通過兩路并行的相敏檢波器(PSD)和低通濾波器(LPF,有源二階壓控低通濾波器)硬件實(shí)現(xiàn)LIA。這里相敏檢波器采用高精度同步解調(diào)器AD630,在電路中,AD630相當(dāng)于模擬乘法器,將三維磁場(chǎng)傳感器的感應(yīng)信號(hào)與參考信號(hào)的方波信號(hào)相乘,從含有噪聲的調(diào)幅波中精密檢出被調(diào)制的信號(hào)。2.2.4系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,采用了PCI8139采集卡進(jìn)行采集,該采集卡的采集準(zhǔn)確度為10位,本文應(yīng)用的是-10～10V的測(cè)量檔,放大比例為1,系統(tǒng)的測(cè)量誤差為5mV。3缺陷定性分析基于正交型LIA的三維磁場(chǎng)傳感器微弱信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng),沿著缺陷的路徑,水平方向和垂直方向(X和Y方向總的作用效果)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,會(huì)形成一個(gè)環(huán)狀,稱之為“缺陷環(huán)”,無損檢測(cè)系統(tǒng)就是通過該缺陷環(huán)對(duì)缺陷進(jìn)行定性的分析。圖4是本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)度為15cm,深度為2mm,寬度為1mm的裂紋,在激勵(lì)頻率為5.1kHz,幅值為10V的正弦電壓源的激勵(lì)下,沿其裂紋走向的測(cè)量結(jié)果。可見在圖4(d)中出現(xiàn)了明顯的“缺陷環(huán)”,所以,本測(cè)量系統(tǒng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)缺陷的判別和定性分析。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路總的信號(hào)放大倍數(shù)為100倍,由圖4可見,傳感器經(jīng)過缺陷,其感應(yīng)電壓的變化最大只有5mV的變化,這是很微弱的信號(hào),但是,基于正交型LIA的三維磁場(chǎng)傳感器微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng),完全實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一微弱信號(hào)的測(cè)量,完成了對(duì)有用信號(hào)的提取和對(duì)噪聲信號(hào)的抑制。4基于頻率