摘 要: 为了实现表面裂纹的非接触性检测, 利用电磁声技术设计并制作了表面波传感器. 解决了用于发射电磁声信号的高压窄脉冲串电路以及电磁声信号的高速采样电路这两项关键技术, 构建了表面波电磁声裂纹检测虚拟仪器硬件系统, 并利用虚拟仪器语言LabVIEW 进行了相应的软件开发, 采集并分析了电磁声遇到钢板表面裂纹后的回波信号. 实验分析结果表明了系统用于裂纹检测的有效性.
关键词: 无损检测; 裂纹探伤; 电磁声传感器; 虚拟仪器; LabVIEW
现代工业自动化程度的提高, 迫切需要一种技术可以针对原材料和生产过程中半成品的质量和安全性进行在线自动无损检测, 以提高检验速度和减少人为因素的影响, 确保产品质量. 目前, 无损检测的常用方法有: 磁粉法、渗透法、射线法、电涡流检测法、超声波检测法和近年来逐步成为实用技术的声发射法, 电磁超声和激光全息摄影检测等方法. 其中, 针对裂纹检测这一领域, 电磁声技术凭借其环境适应能力强、环保、扫查速度快、兼有电涡流的非接触性和超声波灵敏度高、穿透力强等优点, 逐步受到重视并很快成为研究热点[ 1] .
1 电磁声的发射和接收原理
电磁超声波就是通过电磁耦合产生的超声波,它的产生和接收利用的是电磁感应原理.
如果在金属表面放置一个通有交变电流的线圈( 发射线圈) , 那么这个线圈会产生一个交变磁场, 而金属表面相当于一个整体导电回路, 在交变磁场的作用下, 金属表面将感应出电流, 即涡流, 涡流的变化频率同线圈中电流的变化频率相一致. 此时如果在外界再施加一个偏置磁场, 涡流在这个固定磁场中会受到洛仑兹力的作用, 而金属介质在交变的洛仑兹力的作用下将产生应力波, 频率在超声波范围内的应力波即为超声波[ 2] .
与此相反, 由于此效应呈现可逆性, 返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈( 接收线圈) 两端的电压发生变化, 因此可以通过接收装置进行接收并放大显示. 我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声. 如图1 所示, 外加偏置磁场B 的方向若平行于工件表面, 则洛仑兹力F 垂直于表面, 其结果是产生沿z 轴方向传播的纵波和沿x 轴两个方向传播的表面波. 磁场B 的方向若垂直于工件表面, 沿z 轴方向传播的则为横波, 沿x 轴方向掠过界面的纵波退化为表面波[ 3] . 图中的K为波长, D为涡流透入深度, H x 为外磁场强度矢量, Jy 为涡流密度矢量.
产生磁场的磁铁和产生涡流的感应线圈的不同组合形式可以产生不同方向的洛仑兹力, 从而形成不同型式的超声波, 可以形成纵波、横波( 包括SV 波、SH 波) 、表面波、板波、棒波、管波等. 本系统选择块状永磁铁和折线形线圈的组合来发射和接收表面波, 图2 即为设计制作完成的电磁声换能器的结构图.
2 硬件电路原理
所研制的电磁声探伤系统的电路原理如图3. 首先, 由低频多谐振荡器产生一定占空比的脉冲, 由高频多谐振荡器产生占空比为50%的高频脉冲, 这两个信号经相位控制电路将二者相位差锁定, 再经逻辑控制电路, 产生两列幅值相等, 占空比皆为0. 3%, 频率相等, 相位相反的脉冲串, 由功率放大电路放大后使之达到所需要的输出功率, 成为图中所示的两列波a 和b. 再经匹配网络耦合至发射探头, 从而按电磁声转换机理在工件表层产生超声波. 当脉冲串a 为高电平, b 为低电平时, 电磁声传感器的发射线圈中电流为正向; 当脉冲串a 为低电平, b 为高电平时, 电磁声传感器的发射线圈中电流则为反向. 接收探头将端部或裂纹反射的超声波拾取出来, 经接收电路放大后,由数据采集电路将其送入计算机显示.
其中, 数据采集电路基于对电磁超声数据进行快速采集、顺序存储和传送的需要, 利用了笔记本电脑的增强型并口EPP( Ehanced Parallel Port ) 的数据传送协议进行设计. 增强并口模式( EPP) 协议的目的是寻求一种高性能的并行端口连接方式, 它实现了主机驱动的非对称双向数据传输, 系统可以获得500 kb/ s~ 2 Mb/ s 的传输率, 此协议是面向主机总线的, 所有时序都由主机发出. 整个数据采集电路选用8 位40 M 的AD9057- 8- 40 作为A/ D 采样保持转换器, 双口输入输出、采集传送速度快的先进先出存储器芯片IDT 7203 作为存储器, 由精密有源时钟供给AD9057 采样脉冲和IDT 7203 写FIFO 脉冲, 先将高速采集到的数据存入FIFO, 再利用FIFO 可以低速取出数据的特点, 以较低的速度通过EPP 接口电路传入计算机内, 从而实现电磁声信号的采集. 图4 即为数据采集电路的原理框图.
本文将发射电路、接收电路和数据采集电路集成在一起, 制作完成了PCB 板, 并将其与电源模块集成到如图5 所示的仪器箱中, 与电磁声换能器及笔记本电脑一起, 构建了电磁声裂纹检测仪的硬件.
3 软件设计
本检测系统软件部分主要实现的是对电磁声信号的采集、显示和存储, 采用了图形化编程语言LabVIEW 进行设计.
由于电磁声数据是通过EPP 端口输入计算机显示和存储的, 所以程序设计的重点在于如何驱动EPP 接口进行数据采集. 而LabVIEW 作为现在应用广泛的虚拟仪器开发软件, 将数据采集与分析的大多数方法都模块化, 供用户任意组合, 其强大的图形显示能力及数据分析处理能力, 不但降低了软件开发难度, 而且提高了用户界面的可视性[ 4] .
EPP 模式面向主机总线, 所有时序均由主机发出. 首先, 主机发出一个时序周期, 将寻址地址发送到总线上; 当主机产生地址选通信号时, 地址就由外部电路锁存; 数据传输由数据选通信号进行; 当被寻址器件应答一个准备好信号时, 这个周期即被接收[ 5] . 本系统的软件设计调用了LabVIEW 中的“ InPor t”和“Out Po rt”节点, 不用考虑操作系统就可以实现端口的直接访问, 而且可以用软件的实时控件保证采集的实时性, 编写显示操作界面非常简单. 免去了购买采集卡的昂贵费用和复杂的程序编写, 具有经济上和实现上的双重优势. 具体实现方法是:
① 调用“ In Port” 节点对“378H+ 3”或“ 378H+ 4”地址操作, 可以产生地址或数据的读入周期;
② 调用“ Out Port”节点对“378H+ 3”或“ 378H+ 4”地址操作, 可以产生地址或数据的写出周期;另外读入的数据可以利用Wavefo rm Graph 节点显示到屏幕上. 图6 即为LabVIEW 下采集EPP端口数据的程序框图.
图中, 最外围为Lo op 型循环程序, 如果用户不点击ST OP 键, 采集卡会连续采集数据. 从采集到显示在屏幕上的时间由Loop 循环体的w ait 延时实现, 设定为50 ms.
主Loop 循环内前一部分为等待中断部分. 由于时钟、采样芯片、FIFO 始终在工作, 当外部的延时触发信号复位FIFO 后, 采样电路会马上将FIFO采满数据. PC 机循环检测EPP 端口的中断针状态,当中断为低电平时, FIFO 采集满2 048 个数据, 此时PC 机可以读取FIFO 里存储的数据. 等待的时间由外部的电位器控制. 显示的时间间隔由主Loo p循环的延时控制.
主Loop 循环内后一部分为采样和存储部分.For 循环通过对0x 37C 端口进行连续的读取操作,采集EPP 端口的2 048 个数据. 数据在调整到零点后进入Waveform Graph 显示波形. 程序开始设定存盘控制按钮为False 时, 程序只是显示数据但不存储. 当设置为True 时, 弹出对话框, 要求选择存盘路径和文件名, 之后采集的数据会全部以二进制的形式存入该文件, 以备后期的查看和分析.
4 钢板裂纹探伤实验
本文利用实验室里现有的一块0. 5 mm 厚的冷轧薄钢板, 进行了板波裂纹探伤的试验研究. 薄钢板的几何尺寸、刻伤位置和EMAT 布置如图7 所示.在距右端300 mm、中心线20 mm 的下方, 沿横向做一人工刮痕缺陷, 深约0. 2 mm, 长20 mm. EMAT探头正对刮伤.
图8 是利用研制的电磁声裂纹检测虚拟仪器系统对裂纹进行探伤时采集到的回波信号. 从图中可以看出明显的板波频散特征. 板波由一组频率成分相近的波构成, 由于频率不相同, 所以传播速度也不一致, 因而图中出现的波是一群峰值, 水平坐标表示板波经端部反射后回到探头接收线圈处所用的时间. 第一群峰值的波是由左、右两端的一次反射波共同构成的, 而左端的第一次反射回波不会受到刮伤的影响, 所以第一群波的幅值还是较大的.
第二群波是由从探头处向两端传播, 经过左、右端两次反射, 恰好走过两个板的长度后, 重新汇合在探头下形成的. 试验中左右移动探头时无法使这群波的幅值增大, 因此可以证明幅值的下降不是由于驻波现象引起的, 而是由于两列波都受到了伤痕的衍射、散射造成的衰减作用的影响, 因此波幅有明显的下降.
5 结 论
本系统能够成功地在薄钢板中激发并探测到板波和表面波的多次回波, 以及人工缺陷造成的信号衰减. 另外, 由于采用了专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的虚拟仪器语言Lab-VIEW 进行软件开发, 所以大大方便了检测系统的功能扩展.
参考文献:
[ 1] 张广纯. 电磁声技术的进展与应用. 无损检测[ J ] . 1990, ( 4 ) :103-105.
[ 2] [ 英] J. 西拉德主编. 陈积懋, 余南廷译. 超声检测新技术[ M ] .北京: 科学出版社, 1991: 206-210.
[ 3] M axf ield BW, Kuarmot o A, Hu lbert JK. Evaluat in g EMATdes igns for s elect ed applicat ions. Mat erials E valuat ion [ M ] .45, Oct ober, 1987: 1166- 1183.
[ 4] 杨乐平、李海涛等编著, 虚拟仪器技术概论[ M ] . 电子工业出版社, 2003: 144-147.
[ 5] Dh ananjay. V. Gadre 著, 韩永彬、袁潮译. 并行端口编程[ M ] .中国电力出版社, 2000: 98-110.
