羅成漢，解  源，王  飛

1  引言
鋼桿已廣泛使用在冶金、礦山、油田、建筑等眾多行業(yè)。在使用過(guò)程中，設備部件長(cháng)期承受交變載荷的作用，表面橫向裂紋引起的損傷程度直接影響著(zhù)材料的承載能力、使用的安全和壽命。因此，對鋼材表面橫向裂紋缺陷進(jìn)行定量檢測原理和方法的研究具有十分重要的意義。目前，對鋼桿進(jìn)行無(wú)損檢測有超聲波檢測法、渦流檢測法和漏磁場(chǎng)檢測法等，最常用和可靠的方法是漏磁場(chǎng)檢測法[1]。
本文對鋼材設備的缺陷定量檢測方法進(jìn)行探討，設計了基于LabVIEW的鋼桿裂紋缺陷漏磁信號
的定量檢測系統，通過(guò)實(shí)驗對鋼桿表面橫向裂紋缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測，獲得裂紋缺陷信號波形，采用曲線(xiàn)擬合法對實(shí)驗數據進(jìn)行分析、處理，初步建立了系統的數學(xué)模型。
2  系統原理及組成
2.1  定量檢測系統的原理
系統采用漏磁場(chǎng)檢測法，它的基本原理是利用勵磁磁場(chǎng)和缺陷相互作用產(chǎn)生的漏磁現象來(lái)檢測鐵磁性材料表面的缺陷，當將鐵磁材料磁化至深度飽和時(shí)，材料裂紋處的磁導率將降低，磁阻將增加并產(chǎn)生磁場(chǎng)畸變，導致一部分磁場(chǎng)從材料中向外擴散并泄漏出來(lái)，形成裂紋漏磁場(chǎng)。采用磁敏檢測探頭檢測這一漏磁場(chǎng)可獲得反映裂紋狀況的特征信號，通過(guò)對該信號即裂紋檢測信號峰峰值Vpp的定量分析，便可獲得裂紋的大小、位置等信息。
反映裂紋狀況主要有裂紋長(cháng)度、裂紋寬度、裂紋深度和裂紋走向等參量。由于探傷傳感器采用聚磁檢測技術(shù)，檢測信號是裂紋漏磁場(chǎng)空間分布的平均量，該平均量反映了裂紋長(cháng)度、裂紋寬度、裂紋深度和裂紋走向等參量對裂紋漏磁場(chǎng)的綜合影響。因此，系統采用裂紋引起的鋼桿橫截面積相對損失量作為定量評價(jià)裂紋大小的主要指標。橫截面積相對損失量定義為裂紋橫截面積占鋼桿總橫截面積的百分比。漏磁場(chǎng)理論分析和實(shí)驗數據分析表明，Vpp主要取決于鋼桿橫截面積相對損失量（DA），受裂紋寬度與裂紋橫向傾斜角度的影響很小，且Vpp與 之間具有較好的指數對應關(guān)系。從而推導出DA―Vpp的函數式為：
DA=a₁+a₂logVpp    (1)
式(1)中a₁、a₂為與具體檢測對象、探傷傳感器和信號處理器有關(guān)的系數。
通過(guò)對樣品鋼桿上制成的標準表面橫向裂紋的大量檢測數據進(jìn)行分析處理，用數據的最小二乘法對實(shí)驗數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，采用上述數學(xué)表達式作為擬合函數，可標定此數學(xué)關(guān)系式，作為定量檢測裂紋大小的直接依據。
在鋼材表面裂紋的定量檢測中，采用漏磁檢測法，使用霍爾探傷傳感器對其缺陷的漏磁信號進(jìn)行檢測，可獲取反映裂紋狀況的特征信號。采用曲線(xiàn)擬合法探索建立DA―Vpp模型，以獲取裂紋缺陷的相關(guān)信息，從而實(shí)現計算機定量檢測[2][3][4]。
2.2  定量檢測系統的組成
如圖1所示，定量檢測系統由探傷傳感器、預處理電路、數據采集卡及計算機組成。探傷傳感器采用集成霍爾元件UGN-3501T，以獲取裂紋缺陷信號；信號預處理電路對檢測信號進(jìn)行濾波、放大、隔離等處理，使信號達到A/D轉換輸入電平的幅度要求；調理后的信號經(jīng)數據采集卡進(jìn)行A/D轉換，將模擬量信號轉換成數字量信號。

圖1  檢測系統結構框圖

3  軟件設計
3.1  軟件開(kāi)發(fā)平臺
本系統軟件設計采用的是美國NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺，LabVIEW是基于圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它通過(guò)建立和連接圖標來(lái)構成程序，同時(shí)還可以通過(guò)動(dòng)態(tài)連接庫調用其他語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，其擴展性好。用LabVIEW編程具有簡(jiǎn)單易學(xué)、編程效率高、通用性好、交互性好等優(yōu)點(diǎn)，是編制虛擬檢測儀器程序的強大的軟件工具[5][6]。
3.2  主要的功能模塊
3.2.1  數據采集
利用LabVIEW軟件控制數據采集卡對模擬信號進(jìn)行采集有多種方法，對于LabVIEW支持的數據采集卡可以利用LabVIEW的功能模板（Functions Palette）中Date Acquisition提供的Analog Input等函數進(jìn)行采集，對于LabVIEW不支持的數據采集卡還可以利用功能模板中Advanced提供的Call Library Function（CLF），Call Interface Node（CIN）和Port I/O子模板中的In Port、Out Port函數進(jìn)行采集。由于系統采用的由北京中泰計算機研究所生產(chǎn)的PC6313數據采集卡不是LabVIEW支持的數據采集卡，所以采用In Port、Out Port函數完成數據的采集，數據采集程序框圖如2所示。

圖2  用LabVIEW實(shí)現的數據采集程序框圖

PC6313采集卡采集數據前，需要對不同端口進(jìn)行讀寫(xiě)，用In Port和Out Port函數可分別完成數據的讀和寫(xiě)功能。
3.2.2  Vpp的測量
利用LabVIEW軟件提供的Peak Detector函數，可以得到波峰值Peak Value和波谷值Valley Value，從而得出Vpp值為：
Vpp＝|Peak Value－Valley Value|
4  探傷實(shí)驗
4.1  裂紋波形

圖3  直徑為10mm鋼桿的裂紋缺陷信號波形圖

預先在直徑為10mm鋼桿上采用電火花加工工藝，制作了五處深度為0.8mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm和2.1mm的橫向切口式模擬裂紋，通過(guò)檢測系統對它進(jìn)行試驗。得到如圖3所示裂紋缺陷的信號波形圖，測得如表1所示的缺陷信號的峰峰值Vpp。

表1  缺陷信號峰峰值

4.2  特征信號的提取
如何提取混雜在檢測信號中的裂紋信號，是對裂紋狀況進(jìn)行定量檢測的關(guān)鍵。裂紋特征信號的提取應根據裂紋檢測信號的特征進(jìn)行。
(1)  裂紋檢測信號的峰峰值Vpp
對圖3中的缺陷信號波形分析可知，得到的缺陷信號是一些疊加在直流量和噪聲背景上的局部雙峰電壓信號。采取峰峰值超門(mén)限法對該信號的特征量進(jìn)行提取，當某一局部雙峰信號的峰峰值超過(guò)門(mén)限時(shí)，認為是局部異常波形。峰峰值Vpp定義為局部異常波形信號的波峰與波谷間幅值差的絕對值。
(2)  鋼桿截面積相對損失量DA
系統中鋼桿模擬裂紋截面積相對損失量DA的表達式為：
      (2)
式(2)中：r為圓形鋼桿橫截面的半徑；h為模擬裂紋的深度。
4.3  數學(xué)建模
為了驗證鋼桿裂紋定量檢測的可能性，同時(shí)探索建立DA―Vpp的數學(xué)模型的方法，用數學(xué)軟件MATLAB計算出相關(guān)數據見(jiàn)表2。

表2  裂紋的檢測數據

使用MATLAB軟件對實(shí)驗數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，由于Vpp與 之間具有較好的指數對應關(guān)系，因此擬合函數采用DA=a₁+a₂logVpp，能得到如表3所示的DA(%)的擬合值、相對誤差值。得到DA―Vpp的解析表達式為DA=4.5961+3.9243logVpp，其擬合曲線(xiàn)如圖4中曲線(xiàn)①所示。

表3  擬合數據 

表4  擬合數據 

從表3中可知，DA擬合值與實(shí)際值之間存在偏差，有的誤差值較大（特別在Vpp值較小時(shí)），為了減少擬合誤差，系統采用擬合函數為DA=a₁+a₂logVpp+a₃Vpp，使用MATLAB軟件對實(shí)驗數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，能得到如表4所示的DA(%)的擬合值、相對誤差值。得到DA―Vpp的解析表達式為：DA=4.1726+2.6821logVpp+0.7983Vpp其擬合曲線(xiàn)如圖4中曲線(xiàn)②所示。

圖4  檢測系統的DA―Vpp關(guān)系曲線(xiàn)

5  結語(yǔ)
(1)  通過(guò)實(shí)際測量獲取裂紋輸出信號Vpp值，依據所建立的數學(xué)模型，通過(guò)評價(jià)Vpp可以得到反映裂紋狀況的定量檢測結果。
(2)  由于實(shí)驗條件的限制（如探傷傳感器與鋼桿相對運動(dòng)時(shí)存在較大晃動(dòng)及速度不均等因素），造成測量誤差值較大，有待進(jìn)一步采取措施，減少測量誤差。
(3)  要獲得具有實(shí)用價(jià)值的數學(xué)模型，需要對被檢測鋼桿進(jìn)行取樣（相同的直徑和材質(zhì)），在樣品鋼桿上制成大小不同的標準橫向裂紋，通過(guò)對大量檢測數據的分析及模型參數計算，建立DA―Vpp的準確數學(xué)模型，從而提高檢測靈敏度和定量準確性。

參考文獻：
[1]  金建華,等. 漏磁場(chǎng)法在線(xiàn)定量檢測鋼絲裂紋的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報, 1999,20(3):285-286.
[2]  金建華, 康宜華,等. 用集成霍耳元件定量檢測缺陷漏磁場(chǎng)的特點(diǎn)[J]. 無(wú)損檢測, 1998,20(2):34-38.
[3]  楊叔子, 康宜華,等. 鋼絲繩斷絲定量檢測原理與技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1995.
[4]  孫曉云, 袁斌, 盛劍霓. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法在渦流無(wú)損檢測定量分析中的應用[J]. 西安交通大學(xué), 2000,34(6):517-522.
[5]  National Instruments Corporation. LabVIEW user'smanual. 1998,1-8.
[6]  National Instrument Inc. LabVIEW Manuals. 2002.
[7]  National Instrument Inc. Peak Detection Using LabVIEW and Measurement Stdio. 2002.