基于電磁超聲導(dǎo)波的鋁合金板材檢測(cè)裝置的研制

基于電磁超聲導(dǎo)波的鋁合金板材檢測(cè)裝置的研制

0電磁超聲導(dǎo)波鋁材料系統(tǒng)的基目前，國內(nèi)外主要采用超聲波技術(shù)完成了鋁地板的損傷試驗(yàn)。該技術(shù)雖可檢測(cè)出鋁合金板材中的多數(shù)缺陷,但其對(duì)耦合劑的嚴(yán)重依賴以及復(fù)雜的預(yù)處理過程顯著增加了鋁合金板材的檢測(cè)成本、勞動(dòng)強(qiáng)度,極大地限制了鋁合金板材的檢測(cè)精度、檢測(cè)效率和自動(dòng)化水平。這些問題不僅制約了鋁合金加工業(yè)乃至其下游產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,而且現(xiàn)有檢測(cè)中存在的漏檢、誤檢問題已對(duì)其下游產(chǎn)業(yè)造成巨大損失。為了從根本上解決上述問題,文中開展基于電磁超聲導(dǎo)波的鋁合金板材缺陷自動(dòng)檢測(cè)裝置的研究。電磁超聲技術(shù)檢測(cè)時(shí)無需聲耦合劑,無需對(duì)鋁合金板材表面進(jìn)行預(yù)處理,能夠方便地激發(fā)多種類型的超聲波,具有較低的檢測(cè)成本,較高的檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、自動(dòng)化水平和很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。目前,國內(nèi)電磁超聲技術(shù)已經(jīng)廣泛用于輪對(duì)、鋼板、管道、復(fù)合材料等缺陷檢測(cè)的應(yīng)用中。研究基于電磁超聲導(dǎo)波的鋁合金板材缺陷自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)提升我國鋁合金板材檢測(cè)水平,增強(qiáng)板材加工企業(yè)及其下游廣大用戶核心競爭力,加快我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程均具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。1自動(dòng)檢測(cè)方法1.1上位機(jī)掃描電路檢測(cè)裝置包括電磁超聲換能器(ElectromagneticAcousticTransducer,簡稱EMAT)、發(fā)射電路、接收電路、基于FPGA的控制及接口電路、USB及上位機(jī)接口電路、機(jī)械裝置等幾部分,如圖1所示。上位機(jī)參數(shù)設(shè)置完成后,通過USB控制FPGA向發(fā)射電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào),經(jīng)過功率放大電路產(chǎn)生高頻大功率發(fā)射電流,使EMAT探頭在鋁合金板材中激發(fā)導(dǎo)波。轉(zhuǎn)換開關(guān)保證在大功率超聲發(fā)射過程中不會(huì)燒毀接收電路,在接收過程中能夠可靠接收到超聲回波。EMAT探頭接收到回波后,通過轉(zhuǎn)換開關(guān),將回波信號(hào)接入接收電路。電磁超聲回波信號(hào)僅為μV級(jí),接收電路實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲回波信號(hào)的放大和噪聲濾除。通過USB完成FPGA與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。同時(shí)FPGA控制機(jī)械裝置帶動(dòng)EMAT探頭在鋁合金板材上折線形運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鋁合金板材缺陷的全面檢測(cè)。1.2超聲檢測(cè)原理該裝置采用電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)厚度10mm以下的鋁合金板材。Lamb波是一種典型的導(dǎo)波,具有傳播距離遠(yuǎn)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。Lamb波的能量遍布整個(gè)板厚,對(duì)鋁合金板材的各部分缺陷均較為敏感,常用于大型板材的高速掃查。采用曲折線圈EMAT激發(fā)Lamb波原理圖如圖2所示。圖中間距為L的曲折線圈中通以一定頻率的交變電流,使試件內(nèi)部產(chǎn)生交變的渦流,在外加靜磁場(chǎng)的作用下使得試件內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng),該振動(dòng)傳播出去即產(chǎn)生電磁超聲Lamb波。目前,超聲檢測(cè)主要是采用透射法和脈沖回波法。透射法對(duì)缺陷敏感度較高而且不存在檢測(cè)盲區(qū)問題,但是需要采用雙探頭檢測(cè)結(jié)構(gòu),增加了裝置的復(fù)雜度,同時(shí)無法精確定位缺陷。脈沖回波法采用單探頭檢測(cè),并可精確定位缺陷。該設(shè)計(jì)中采用超聲脈沖回波法對(duì)鋁合金板材缺陷進(jìn)行檢測(cè),如圖3所示。通過讀取缺陷回波的時(shí)間信息,定位缺陷在鋁合金板材中的相對(duì)位置。1.3超聲回波數(shù)據(jù)處理采用基于USB的數(shù)據(jù)采集電路對(duì)電磁超聲回波信號(hào)進(jìn)行采集,并傳送到上位機(jī),進(jìn)行電磁超聲信號(hào)的后續(xù)分析和處理。超聲回波數(shù)據(jù)處理包括缺陷特征提取、分析、分類、識(shí)別、定位、超聲成像等。上位機(jī)軟件采用VC++語言設(shè)計(jì)USB接口程序,利用LabWindowsCVI設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)軟件。2檢測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)2.1發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路EMAT的換能效率很低,為了提高接收信號(hào)的強(qiáng)度,發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路必須具有大功率的輸出能力。采用D類功率放大電路對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行功率放大,發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示。FPGA控制部分發(fā)出兩路脈沖信號(hào),信號(hào)頻率500kHz,2路信號(hào)相位相差180°,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路反相后,控制功率放大電路的功率器件的通斷,在EMAT探頭上產(chǎn)生大功率交變電流,從而在鋁合金板材中激發(fā)出Lamb波。2.2放大電路的設(shè)計(jì)通常接收線圈上的回波信號(hào)僅為幾十μV,而且它對(duì)周圍環(huán)境噪聲敏感度高,經(jīng)常被噪聲湮沒。同壓電超聲相比,EMAT的轉(zhuǎn)換效率要比其小40dB.因此需要設(shè)計(jì)低噪聲的高通濾波放大電路,保證回波信號(hào)有較高的信噪比。接收電路的原理框圖如圖5所示。3pga設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置的控制、接收信號(hào)的預(yù)處理以及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信等功能由FPGA完成。FPGA設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖6所示。數(shù)據(jù)分析及處理軟件采用LabWindowsCVI編寫,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁超聲發(fā)射和接收電路、數(shù)據(jù)采集電路的參數(shù)設(shè)置,超聲回波數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示等功能。電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析軟件流程圖如圖7所示。4選擇合適的方向運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)整體機(jī)械裝置需要完成攜帶EMAT探頭在鋁合金板材表面進(jìn)行掃描檢測(cè)的任務(wù),其設(shè)計(jì)如圖8所示。運(yùn)動(dòng)單元要在X方向和Y方向2個(gè)自由度上進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng),采用3個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。其中1個(gè)步進(jìn)電機(jī)連接絲杠傳送機(jī)構(gòu),帶動(dòng)探頭單元在Y方向(寬度)上運(yùn)動(dòng),另外2個(gè)步進(jìn)電機(jī)連接齒輪齒條的傳送機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動(dòng)左右2個(gè)夾板帶動(dòng)整個(gè)機(jī)架一起在X方向(長度)上運(yùn)動(dòng)。FPGA芯片采集4路鋁合金板材邊界接近開關(guān)信號(hào),進(jìn)而控制3路步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)折線形掃描軌跡及EMAT探頭的定位。5缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采用設(shè)計(jì)的基于電磁超聲導(dǎo)波的鋁合金板材自動(dòng)檢測(cè)裝置對(duì)厚度為10mm的整個(gè)鋁合金板材中的缺陷進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn),檢測(cè)原理如圖9所示。缺陷為鋁合金板材表面長度26mm,深度2mm的裂紋。機(jī)械裝置控制EMAT探頭在鋁合金板材表面折線形運(yùn)動(dòng),以檢測(cè)整個(gè)鋁合金板材,當(dāng)EMAT探頭正對(duì)缺陷時(shí)可以檢測(cè)出缺陷。本次試驗(yàn)中,EMAT探頭在距離缺陷約550mm處移動(dòng)。5.1中、回采中emat接頭兩端電壓波形發(fā)射信號(hào)采用500kHz脈沖串信號(hào)。經(jīng)過發(fā)射電路功率放大后得到EMAT探頭兩端的電壓波形如圖10所示。從波形中可以看出探頭上發(fā)射電壓的峰峰值已達(dá)到了323V,頻率為495kHz,滿足令EMAT探頭激發(fā)Lamb波的要求。5.2超聲回波聲程EMAT探頭上接收信號(hào)經(jīng)過接收電路濾波放大后,采用USB數(shù)據(jù)采集裝置將電磁超聲回波信號(hào)采集并傳送至上位機(jī),經(jīng)過數(shù)字濾波、相關(guān)、小波等方法消噪后信號(hào)如圖11所示。圖11中數(shù)據(jù)為EMAT探頭正對(duì)缺陷時(shí)的接收信號(hào)。數(shù)據(jù)經(jīng)過上位機(jī)處理后,可以清晰的看到端面回波和缺陷處回波信號(hào)的波形。利用超聲波傳播速度與傳播時(shí)間的乘積可以計(jì)算得到超聲回波信號(hào)的聲程,從而確定回波相對(duì)距離。實(shí)驗(yàn)中超聲回波聲程測(cè)量結(jié)果見表1,與EMAT探頭到鋁合金板材端面和缺陷位置的相對(duì)距離基本一致。探頭位置確定,進(jìn)而自動(dòng)定位缺陷的位置。6回波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的鋁合金板材缺陷自動(dòng)檢測(cè)裝置采用電磁超聲技術(shù)進(jìn)行無損檢測(cè),無需耦合劑。其中,發(fā)射電路可以提供峰峰值323V的高頻脈沖串,使EMAT探頭在鋁合金板材中激發(fā)Lamb波;接收電路可提取出僅有幾十μV的回波信號(hào)。利用導(dǎo)波的線掃描方式代替逐點(diǎn)掃描,提高了檢測(cè)效率。設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)了探頭折線形移動(dòng),可檢測(cè)整個(gè)鋁合金板材中缺陷,有利于進(jìn)一步展開板材在線檢測(cè)裝置的研制。通過USB總線實(shí)現(xiàn)了電磁超聲數(shù)據(jù)的采集,并與LabWindo