基于電磁超聲導波的鋁合金板材檢測裝置的研制

0電磁超聲導波鋁材料系統的基目前，國內外主要采用超聲波技術完成了鋁地板的損傷試驗。該技術雖可檢測出鋁合金板材中的多數缺陷,但其對耦合劑的嚴重依賴以及復雜的預處理過程顯著增加了鋁合金板材的檢測成本、勞動強度,極大地限制了鋁合金板材的檢測精度、檢測效率和自動化水平。這些問題不僅制約了鋁合金加工業乃至其下游產業的高速發展,而且現有檢測中存在的漏檢、誤檢問題已對其下游產業造成巨大損失。為了從根本上解決上述問題,文中開展基于電磁超聲導波的鋁合金板材缺陷自動檢測裝置的研究。電磁超聲技術檢測時無需聲耦合劑,無需對鋁合金板材表面進行預處理,能夠方便地激發多種類型的超聲波,具有較低的檢測成本,較高的檢測精度、檢測效率、自動化水平和很強的環境適應性。目前,國內電磁超聲技術已經廣泛用于輪對、鋼板、管道、復合材料等缺陷檢測的應用中。研究基于電磁超聲導波的鋁合金板材缺陷自動檢測技術對提升我國鋁合金板材檢測水平,增強板材加工企業及其下游廣大用戶核心競爭力,加快我國工業現代化進程均具有十分重要的理論意義和實用價值。1自動檢測方法1.1上位機掃描電路檢測裝置包括電磁超聲換能器(ElectromagneticAcousticTransducer,簡稱EMAT)、發射電路、接收電路、基于FPGA的控制及接口電路、USB及上位機接口電路、機械裝置等幾部分,如圖1所示。上位機參數設置完成后,通過USB控制FPGA向發射電路發出驅動信號,經過功率放大電路產生高頻大功率發射電流,使EMAT探頭在鋁合金板材中激發導波。轉換開關保證在大功率超聲發射過程中不會燒毀接收電路,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,通過轉換開關,將回波信號接入接收電路。電磁超聲回波信號僅為μV級,接收電路實現對超聲回波信號的放大和噪聲濾除。通過USB完成FPGA與上位機的數據傳送。同時FPGA控制機械裝置帶動EMAT探頭在鋁合金板材上折線形運動,實現鋁合金板材缺陷的全面檢測。1.2超聲檢測原理該裝置采用電磁超聲導波技術檢測厚度10mm以下的鋁合金板材。Lamb波是一種典型的導波,具有傳播距離遠、靈敏度高等優點。Lamb波的能量遍布整個板厚,對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,使試件內部產生交變的渦流,在外加靜磁場的作用下使得試件內部的質點產生振動,該振動傳播出去即產生電磁超聲Lamb波。目前,超聲檢測主要是采用透射法和脈沖回波法。透射法對缺陷敏感度較高而且不存在檢測盲區問題,但是需要采用雙探頭檢測結構,增加了裝置的復雜度,同時無法精確定位缺陷。脈沖回波法采用單探頭檢測,并可精確定位缺陷。該設計中采用超聲脈沖回波法對鋁合金板材缺陷進行檢測,如圖3所示。通過讀取缺陷回波的時間信息,定位缺陷在鋁合金板材中的相對位置。1.3超聲回波數據處理采用基于USB的數據采集電路對電磁超聲回波信號進行采集,并傳送到上位機,進行電磁超聲信號的后續分析和處理。超聲回波數據處理包括缺陷特征提取、分析、分類、識別、定位、超聲成像等。上位機軟件采用VC++語言設計USB接口程序,利用LabWindowsCVI設計分析系統軟件。2檢測設備的硬件設計2.1發射驅動電路EMAT的換能效率很低,為了提高接收信號的強度,發射驅動電路必須具有大功率的輸出能力。采用D類功率放大電路對發射信號進行功率放大,發射驅動電路原理如圖4所示。FPGA控制部分發出兩路脈沖信號,信號頻率500kHz,2路信號相位相差180°,經驅動電路反相后,控制功率放大電路的功率器件的通斷,在EMAT探頭上產生大功率交變電流,從而在鋁合金板材中激發出Lamb波。2.2放大電路的設計通常接收線圈上的回波信號僅為幾十μV,而且它對周圍環境噪聲敏感度高,經常被噪聲湮沒。同壓電超聲相比,EMAT的轉換效率要比其小40dB.因此需要設計低噪聲的高通濾波放大電路,保證回波信號有較高的信噪比。接收電路的原理框圖如圖5所示。3pga設計軟件設計檢測裝置的控制、接收信號的預處理以及與上位機的數據通信等功能由FPGA完成。FPGA設計軟件流程圖如圖6所示。數據分析及處理軟件采用LabWindowsCVI編寫,可以實現對電磁超聲發射和接收電路、數據采集電路的參數設置,超聲回波數據的采集、處理、分析、顯示等功能。電磁超聲數據采集及分析軟件流程圖如圖7所示。4選擇合適的方向運動,實現平面運動整體機械裝置需要完成攜帶EMAT探頭在鋁合金板材表面進行掃描檢測的任務,其設計如圖8所示。運動單元要在X方向和Y方向2個自由度上進行平面運動,采用3個步進電機作為動力源。其中1個步進電機連接絲杠傳送機構,帶動探頭單元在Y方向(寬度)上運動,另外2個步進電機連接齒輪齒條的傳送機構同步驅動左右2個夾板帶動整個機架一起在X方向(長度)上運動。FPGA芯片采集4路鋁合金板材邊界接近開關信號,進而控制3路步進電機實現折線形掃描軌跡及EMAT探頭的定位。5缺陷檢測實驗采用設計的基于電磁超聲導波的鋁合金板材自動檢測裝置對厚度為10mm的整個鋁合金板材中的缺陷進行檢測實驗,檢測原理如圖9所示。缺陷為鋁合金板材表面長度26mm,深度2mm的裂紋。機械裝置控制EMAT探頭在鋁合金板材表面折線形運動,以檢測整個鋁合金板材,當EMAT探頭正對缺陷時可以檢測出缺陷。本次試驗中,EMAT探頭在距離缺陷約550mm處移動。5.1中、回采中emat接頭兩端電壓波形發射信號采用500kHz脈沖串信號。經過發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射電壓的峰峰值已達到了323V,頻率為495kHz,滿足令EMAT探頭激發Lamb波的要求。5.2超聲回波聲程EMAT探頭上接收信號經過接收電路濾波放大后,采用USB數據采集裝置將電磁超聲回波信號采集并傳送至上位機,經過數字濾波、相關、小波等方法消噪后信號如圖11所示。圖11中數據為EMAT探頭正對缺陷時的接收信號。數據經過上位機處理后,可以清晰的看到端面回波和缺陷處回波信號的波形。利用超聲波傳播速度與傳播時間的乘積可以計算得到超聲回波信號的聲程,從而確定回波相對距離。實驗中超聲回波聲程測量結果見表1,與EMAT探頭到鋁合金板材端面和缺陷位置的相對距離基本一致。探頭位置確定,進而自動定位缺陷的位置。6回波檢測系統設計的鋁合金板材缺陷自動檢測裝置采用電磁超聲技術進行無損檢測,無需耦合劑。其中,發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Lamb波;接收電路可提取出僅有幾十μV的回波信號。利用導波的線掃描方式代替逐點掃描,提高了檢測效率。設計的機械裝置實現了探頭折線形移動,可檢測整個鋁合金板材中缺陷,有利于進一步展開板材在線檢測裝置的研制。通過USB總線實現了電磁超聲數據的采集,并與LabWindo