钢板缺陷便携式漏磁检测系统设计

熊家国，周兆明，谢英豪，周文超，孙前

（西南石油大学机电工程系，四川成都，610500）

0 引言

随着钢铁行业的不断发展，各方面对钢板的需求不断增加，因此对于钢板质量好坏的检测成为一种必然的趋势。传统的检测方法有超声波法、渗透法、工业CT法等[1]。和上述检测方法相比，漏磁检测法在测量时自动化程度高、可靠性更强，只需要通过传感器来接收信号，利用软件来判断有无缺陷。检测范围相对较大，效率更高，同时实现了缺陷初步量化，能对缺陷危害大小进行初步评估等[2]。

漏磁检测具有检测过程可控、不需要耦合剂等优势被认为最适用于铁磁性材料的无损检测方法之一[3]，因此受到了国内外相关研究机构的高度重视。国外许多团队如Zatespin和Shcherbinin对漏磁场的现象和影响方面做了许多开拓性工作，成为漏磁检测基础理论研究先驱[4]。一些学者也从不同角度研究了缺陷的漏磁场，得出的一系列结论加深了对漏磁检测机理的认识[5]。国内方面沈阳工业大学杨理践、张国光等采用ANSYS仿真软件对漏磁检测进行了分析[6]，得出了缺陷的几何性质，包括长度、深度、角度等与磁场信号存在的联系，进而可以使得到的结果对缺陷特征进行评估。东北大学的吴振宁提出了一种考虑速度影响的迭代反演缺陷重构算[7]。华中科技大学孙燕华、武新等人对漏磁检测中最为关键的磁化技术进行了分析研究，利用磁场的压缩、扩散和折射对漏磁场的形成进行了更加深入的分析，并研究了超强磁化作用下漏磁检测能检测到的深度。东北石油大学戴光等利用有限元构建了换热管漏磁3D模型[8]，以此来探索磁化方式，磁化强度对漏磁场的改变如何等等。

目前漏磁检测技术的研究工作在持续的进行当中，在美国、英国和德国等一些国家的漏磁检测技术更为先进和成熟，且在一些领域得到广泛的应用，这些国家的相关公司无论是在生产数量和质量方面还是在售后服务方面已经遥遥领先世界其他生产商[9]，近些年来，随着我国运输管道和钢板的大量使用，我国对无损检测技术进行了不断的研究，许多著名大学如清华大学、上海交通大学和天津大学等在管道漏磁检测技术的研究都比较深入[10]。研究结果表明，近年来中国在漏磁管道检测技术方面的专利申请量和公开量增长迅猛[11]。中国漏磁检测技术必将具有良好的发展前景。

1 便携式漏磁检测系统设计

1.1 便携式漏磁检测系统设计总框图

要测量磁信号，首先对被测钢板进行磁化，利用推动式小策划带动霍尔传感器探头检测磁场信号，传感器模块采集到磁场信号后，经过差分放大和滤波处理，然后将信号传送到微处理器进行处理，最后通过上位机进行显示，其总体系统框图1所示。

图1 系统总体框图

1.2 漏磁检测系统电路设计

由于许多集成放大器的内部多是采用直接耦合的方式来放大电路，从而可能会引发零点漂移的问题，为了消除零点漂移对实验测量带来的影响，本次电路仿真将采用差分放大电路，由于实验选用的霍尔传感器的模拟静态电压输出为2.5V，仿真过程中输入2.5V的直流电压v1来代替传感器的静态电压，同时在滑动变阻器RV6的一端输入5V的直流电压v2，两端同时接入LM158型放大器形成差分放大电路，通过调节滑动变阻器使得U2的示数显示为0，以此来消除传感器的静态电压，具体的仿真图如图2所示。仿真结果表明，当RV6调至80%时U2为0，同时信号放大倍数设定为10能达到很好的预期效果，然后将放大信号接入二阶低通滤波电路做进一步处理，最后通过电压表U3显示。

图2 信号放大仿真图

1.3 便携式漏磁检测实验装置设计

霍尔传感器是较为常见的一种测磁元件。根据霍尔效应制成，其材料主要是半导体。霍尔器件体积轻巧，精度高，使用寿命长，而且功耗小，线性度好，是测量磁场时优先考虑的元件。本实验选用型号为AH49E的霍尔元件作为漏磁探测装置的测量传感器，该种型号的霍尔传感器小巧轻便，使用寿命长，价格低廉，精度和线性度良好，工作温度范围宽，能满足漏磁检测需求，同时节约成本。实验需设计一个检测装置推动式小车绑定永磁铁来带动霍尔传感器探头进行移动，经考虑设计了一个四轮平板小车作为检测装置的运载体，将两块永磁铁摆放一定间距，并使相邻两边相互吸引，以便永磁铁与钢板构成磁回路，形成漏磁场。再带动霍尔传感器进行数据采集。如图3所示。

图3 实验装置设计图

在实验钢板上设计不同深度的缺陷，漏磁检测需要在移动过程中进行检测，从而探测到被测件缺陷处的磁场突变。由霍尔传感器测得的漏磁信号经放大滤波调理电路，通过STM32处理器之后与计算机串口相连接。同时计算机为其工作提供所需电压，最终将测得的信号转变为电压于显示界面输出。具体测量装置图如图4所示。

图4 实验装置搭建图

2 实验结果

将实验钢板按照一定距离进行切割，形成长度都为7mm，宽度都为1mm，深度分别为5mm、4mm、3mm、2mm的缺陷，如图5所示。

图5 钢板试样

每当推动式小车运行到缺陷处时，上位机所显示的电压值都会发生变化。测试结果如表1所示。

表1 实验结果

当缺陷厚度为2mm时，上位机显示界面稳定值为11mv。同样，当小车移动到缺陷厚度为5mm时，上位机显示值为25mv。通过Origin绘图软件对数据进行进一步处理，绘制该曲线并进行数据线性拟合，同时得出缺陷厚度与电压值的相关关系。结果如图6所示。

图6 曲线拟合图

3 结论

本文以STM32为主控芯片，结合漏磁检测基本原理，对实验钢板进行了缺陷便携式检测系统设计。结合相关数据，根据实际选择各种材料和电路元件，设计了钢板磁化装置及运载体，焊接电路板，利用霍尔传感器对钢板缺陷进行磁场信号检测，并对得到的数据进行了一定的分析。系统采用了模块化设计，思路清晰，功能完全。经过实验验证，此系统满足检测要求，系统运行稳定。