基于电磁超声导波的铝合金板材检测装置的研制

基于电磁超声导波的铝合金板材检测装置的研制

0电磁超声导波铝材料系统的基目前，国内外主要采用超声波技术完成了铝地板的损伤试验。该技术虽可检测出铝合金板材中的多数缺陷,但其对耦合剂的严重依赖以及复杂的预处理过程显著增加了铝合金板材的检测成本、劳动强度,极大地限制了铝合金板材的检测精度、检测效率和自动化水平。这些问题不仅制约了铝合金加工业乃至其下游产业的高速发展,而且现有检测中存在的漏检、误检问题已对其下游产业造成巨大损失。为了从根本上解决上述问题,文中开展基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置的研究。电磁超声技术检测时无需声耦合剂,无需对铝合金板材表面进行预处理,能够方便地激发多种类型的超声波,具有较低的检测成本,较高的检测精度、检测效率、自动化水平和很强的环境适应性。目前,国内电磁超声技术已经广泛用于轮对、钢板、管道、复合材料等缺陷检测的应用中。研究基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测技术对提升我国铝合金板材检测水平,增强板材加工企业及其下游广大用户核心竞争力,加快我国工业现代化进程均具有十分重要的理论意义和实用价值。1自动检测方法1.1上位机扫描电路检测装置包括电磁超声换能器(ElectromagneticAcousticTransducer,简称EMAT)、发射电路、接收电路、基于FPGA的控制及接口电路、USB及上位机接口电路、机械装置等几部分,如图1所示。上位机参数设置完成后,通过USB控制FPGA向发射电路发出驱动信号,经过功率放大电路产生高频大功率发射电流,使EMAT探头在铝合金板材中激发导波。转换开关保证在大功率超声发射过程中不会烧毁接收电路,在接收过程中能够可靠接收到超声回波。EMAT探头接收到回波后,通过转换开关,将回波信号接入接收电路。电磁超声回波信号仅为μV级,接收电路实现对超声回波信号的放大和噪声滤除。通过USB完成FPGA与上位机的数据传送。同时FPGA控制机械装置带动EMAT探头在铝合金板材上折线形运动,实现铝合金板材缺陷的全面检测。1.2超声检测原理该装置采用电磁超声导波技术检测厚度10mm以下的铝合金板材。Lamb波是一种典型的导波,具有传播距离远、灵敏度高等优点。Lamb波的能量遍布整个板厚,对铝合金板材的各部分缺陷均较为敏感,常用于大型板材的高速扫查。采用曲折线圈EMAT激发Lamb波原理图如图2所示。图中间距为L的曲折线圈中通以一定频率的交变电流,使试件内部产生交变的涡流,在外加静磁场的作用下使得试件内部的质点产生振动,该振动传播出去即产生电磁超声Lamb波。目前,超声检测主要是采用透射法和脉冲回波法。透射法对缺陷敏感度较高而且不存在检测盲区问题,但是需要采用双探头检测结构,增加了装置的复杂度,同时无法精确定位缺陷。脉冲回波法采用单探头检测,并可精确定位缺陷。该设计中采用超声脉冲回波法对铝合金板材缺陷进行检测,如图3所示。通过读取缺陷回波的时间信息,定位缺陷在铝合金板材中的相对位置。1.3超声回波数据处理采用基于USB的数据采集电路对电磁超声回波信号进行采集,并传送到上位机,进行电磁超声信号的后续分析和处理。超声回波数据处理包括缺陷特征提取、分析、分类、识别、定位、超声成像等。上位机软件采用VC++语言设计USB接口程序,利用LabWindowsCVI设计分析系统软件。2检测设备的硬件设计2.1发射驱动电路EMAT的换能效率很低,为了提高接收信号的强度,发射驱动电路必须具有大功率的输出能力。采用D类功率放大电路对发射信号进行功率放大,发射驱动电路原理如图4所示。FPGA控制部分发出两路脉冲信号,信号频率500kHz,2路信号相位相差180°,经驱动电路反相后,控制功率放大电路的功率器件的通断,在EMAT探头上产生大功率交变电流,从而在铝合金板材中激发出Lamb波。2.2放大电路的设计通常接收线圈上的回波信号仅为几十μV,而且它对周围环境噪声敏感度高,经常被噪声湮没。同压电超声相比,EMAT的转换效率要比其小40dB.因此需要设计低噪声的高通滤波放大电路,保证回波信号有较高的信噪比。接收电路的原理框图如图5所示。3pga设计软件设计检测装置的控制、接收信号的预处理以及与上位机的数据通信等功能由FPGA完成。FPGA设计软件流程图如图6所示。数据分析及处理软件采用LabWindowsCVI编写,可以实现对电磁超声发射和接收电路、数据采集电路的参数设置,超声回波数据的采集、处理、分析、显示等功能。电磁超声数据采集及分析软件流程图如图7所示。4选择合适的方向运动,实现平面运动整体机械装置需要完成携带EMAT探头在铝合金板材表面进行扫描检测的任务,其设计如图8所示。运动单元要在X方向和Y方向2个自由度上进行平面运动,采用3个步进电机作为动力源。其中1个步进电机连接丝杠传送机构,带动探头单元在Y方向(宽度)上运动,另外2个步进电机连接齿轮齿条的传送机构同步驱动左右2个夹板带动整个机架一起在X方向(长度)上运动。FPGA芯片采集4路铝合金板材边界接近开关信号,进而控制3路步进电机实现折线形扫描轨迹及EMAT探头的定位。5缺陷检测实验采用设计的基于电磁超声导波的铝合金板材自动检测装置对厚度为10mm的整个铝合金板材中的缺陷进行检测实验,检测原理如图9所示。缺陷为铝合金板材表面长度26mm,深度2mm的裂纹。机械装置控制EMAT探头在铝合金板材表面折线形运动,以检测整个铝合金板材,当EMAT探头正对缺陷时可以检测出缺陷。本次试验中,EMAT探头在距离缺陷约550mm处移动。5.1中、回采中emat接头两端电压波形发射信号采用500kHz脉冲串信号。经过发射电路功率放大后得到EMAT探头两端的电压波形如图10所示。从波形中可以看出探头上发射电压的峰峰值已达到了323V,频率为495kHz,满足令EMAT探头激发Lamb波的要求。5.2超声回波声程EMAT探头上接收信号经过接收电路滤波放大后,采用USB数据采集装置将电磁超声回波信号采集并传送至上位机,经过数字滤波、相关、小波等方法消噪后信号如图11所示。图11中数据为EMAT探头正对缺陷时的接收信号。数据经过上位机处理后,可以清晰的看到端面回波和缺陷处回波信号的波形。利用超声波传播速度与传播时间的乘积可以计算得到超声回波信号的声程,从而确定回波相对距离。实验中超声回波声程测量结果见表1,与EMAT探头到铝合金板材端面和缺陷位置的相对距离基本一致。探头位置确定,进而自动定位缺陷的位置。6回波检测系统设计的铝合金板材缺陷自动检测装置采用电磁超声技术进行无损检测,无需耦合剂。其中,发射电路可以提供峰峰值323V的高频脉冲串,使EMAT探头在铝合金板材中激发Lamb波;接收电路可提取出仅有几十μV的回波信号。利用导波的线扫描方式代替逐点扫描,提高了检测效率。设计的机械装置实现了探头折线形移动,可检测整个铝合金板材中缺陷,有利于进一步展开板材在线检测装置的研制。通过USB总线实现了电磁超声数据的采集,并与LabWindo