一种基于霍尔传感器阵列的电磁探伤方法及系统

摘要

本发明涉及一种电磁探伤系统，该系统包含磁场产生装置和磁场检测装置，磁场检测装置通过检测磁场产生装置产生的磁场对磁感元器件进行探伤，其中磁场产生装置主要包括全桥逆变器、主控芯片、交叉磁轭、电源检测模块，主要用于产生对工件进行磁化的电磁场；磁场检测装置包括霍尔传感器阵列、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，用于检测和显示磁场产生装置在工件各处产生的磁力线。本发明解决了磁粉探伤方式在无损检测过程中的缺点，同时又提高了单次充电的检测时间、检测范围、检出率和检测速度。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种无损检测系统，具体地说涉及一种基于霍尔传感器阵列的电磁探伤方法及系统。

背景技术

磁粉探伤作为一种成熟的无损检测手段，在国内外各个领域都得到广泛应用，磁粉探伤的基本原理是：利用铁磁性材料的导磁率远大于非铁磁材料的导磁率，根据工件被磁化后的磁通密度β=μH来分析，在工件的单位面积上穿过B根磁力线，而在缺陷区域的单位面积上不能容许B根磁力线通过，就迫使一部分磁力线挤到缺陷下面的材料里，其它磁力线不得不被迫逸出工件表面以外出形成漏磁，磁粉将被这样所引起的漏磁所吸引，进而实现磁粉探伤。

从固定式、移动式到便携式,从自动、全自动到专用设备,从单向磁化到多向磁化,设备己系列化和商品化。国外先进的大型探测装置虽然探测效果好,但价格昂贵,很多时候并不适合在国内的推广。而国内在磁粉检测技术产业方向相对落后，市场上的电磁探伤仪往往只能对缺陷深度不大,方向单一的工件进行检测,对一些大面积,缺陷深度和方向未知的工件检测效果不明显。

交叉磁化法的原理是在磁粉检测中只有缺陷的取向与磁力线方向垂直或者存在较大的夹角时，才能有利地形成漏磁场，进而有效地吸附磁粉形成磁痕。交叉磁化法一次可以同时检查不同取向的缺陷，保障检测的可靠性并大大提高检测效率。国内外工业探伤使用的便携式交叉磁轭或者说是旋转磁场磁粉探伤机正式基于这种原理。 交叉磁轭或者说是旋转磁场由两组线圈构成，因而需要供给两组电源，供给信号一般采用36V/10A , 工作频率固定50HZ的交流信号。当多个磁场同时对工件进行多方向磁化时，对工件作用的磁场应是各磁场的矢量和，即合成磁场为各个磁场矢量的叠加。 

在实际的探伤工作中，尤其是现场进行的磁粉检测，很多的场合，例如：野外、高空、容器内部、压力管道在线检测，～220V的交流电无法送达或出于安全考虑不允许进入。并且由于采用的是～220V的交流供电，检测的部位往往是分布广泛，每个部位检测都需要把～220V的交流电源配送到位，否则无法检测。磁粉检测速度很快，但是，电源的配送需要很长时间，有些位置，如高空、容器内部，电源的配送还很困难，离开～220V的交流电源，寸步难行，这样大大减低了工作效率。从事现场检测的人员一般深有体会，磁粉探伤检测的时间往往远低于电源的配送时间。并且采用~220V交流供电，也相对较为危险。

另一方面，目前磁粉检测是以磁粉作为显示介质对缺陷进行观察。根据磁化时施加的磁粉介质的种类，该检测方法被分为湿法和干法。磁粉悬浮在油、水或其他液体介质中使用称为湿法检测。它是在检测过程中，将磁悬液均匀分布在工件表面上，利用载液的流动和漏磁场对磁粉的吸引显示出缺陷的形状和大小。干法又称干粉法在一些特殊场合下不能采用湿法进行检测时而采用特制的干磁粉按程序直接施加在磁化的工件上，工件的缺陷处即显示出磁痕，干法检测多用于大型铸锻件毛坯及大型结构件。这两种方法对检测件的表面光滑度要求较高，对实施检测人员的技术和经验要求较高，并且检测范围小，速度慢。而无论是干法还是湿法用于检测的磁粉会由于自身剩磁的因素而被吸附在已被检测工件的表面不容易被清除,可能影响工件的使用，对于要多次探测的工件表面形成遗留的微磁痕也会影响磁粉探伤的性能。另一方面这种探伤方式每次使用都会消耗一定量的磁粉和载液，这造成了巨大的浪费，而残留的磁粉和载液又会造成污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于霍尔传感器阵列的电磁探伤方法及系统，使系统在克服磁粉探伤磁粉残留和磁粉、载液浪费的同时，还具有安全性、检测灵敏度、检测范围等方面的优点。

       为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于霍尔传感器阵列的电磁探伤方法，包括以下步骤：

S01：全桥逆变器将输入的直流电逆变为频率可控的交流电，并在每个单位充磁周期内提供给交叉磁轭不少于两个不同频率的交流电流；

S02：交叉磁轭在单位充磁周期内输出两组电流，产生不同方向的磁场；

S03：霍尔传感器阵列检测交叉磁轭在被测工件表面磁场的磁场强度；

S04：数据采集模块采集霍尔传感器阵列检测到的磁场强度，并进行A/D转换；

S05：数据处理模块分析来自数据采集模块的数据判断是否存在漏磁情况，并计算出缺陷形态；

S06：数据显示模块显示来自数据处理模块的分析结果。

所述霍尔传感器阵列由至少一个霍尔传感器单元组成，每个霍尔传感器单元包含四个霍尔传感器，该单元中的四个霍尔传感器方向为朝向均分平面的四条相交于一点的直线所指向的8个方向，在交叉磁轭形成的磁场中的N或者S的方向上，设置包含这8个方向的霍尔传感器单元。

所述霍尔传感器单元指向的8个方向形成的平面与交叉磁轭的磁场方向垂直。

所述全桥逆变器提供的交变电流频率不大于50HZ。

所述单位充磁周期和所述全桥逆变器提供的不同频率分别为3秒和5个频率：5HZ、10HZ、20HZ、40HZ、50HZ。

一种基于霍尔传感器阵列的电磁探伤系统，包括磁场产生装置和磁场检测装置，磁场检测装置检测磁场产生装置在工件上产生的漏磁场强度。

所述的磁场产生装置，它包括全桥逆变器以及与全桥逆变器相连接的交叉磁轭，其中，全桥逆变器将直流电逆变为频率可控的交流电，为交叉磁轭提供不同频率的交流电流；交叉磁轭位于被测工件的周围，并在单位充磁周期内输出两组电流，产生不同方向的磁场；

所述磁场检测装置中设有检测漏磁场强度的霍尔传感器阵列，霍尔传感器阵列检测交叉磁轭在被测工件表面磁场的漏磁场强度；数据采集模块采集霍尔传感器阵列输出的漏磁场强度，数据处理模块对采集到的漏磁场强度进行分析，并将分析结果通过数据显示模块显示出来。

所述磁场产生装置还包括电源检测模块、主控芯片、控制按键、电池组和充电接口，充电接口连接到电池组和全桥逆变器，电池组连接到电源检测模块和全桥逆变器，主控芯片连接到全桥逆变器，全桥逆变器连接到交叉磁轭，控制按键连接到主控芯片。

所述霍尔传感器阵列由至少一个霍尔传感器单元组成，每个霍尔传感器单元包含四个霍尔传感器，该单元中的四个霍尔传感器方向为朝向均分平面的四条相交于一点的直线所指的8个方向，在交叉磁轭形成的磁场中的N或者S的方向上，设置包含这8个方向的霍尔传感器单元。

所述霍尔传感器单元指向的8个方向形成的平面与交叉磁轭的磁场方向垂直。

所述全桥逆变器提供的交变电流频率不大于50HZ。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、使用霍尔传感器阵列测量元件周围的漏磁场强度，以代替使用磁粉覆盖元件被探测部位，可以避免使用磁粉时在元件表面形成的残留造成的探伤性能的降低，也可以避免磁粉和载液造成的浪费和污染。

2、本发明使用直流电源，再通过全桥逆变器转变为交流电，克服了在磁粉探伤过程中使用高压交流电源造成的危险，提高了安全性。

3、本发明利用全桥逆变器转换的频率可控的交流电，在单位充磁时间内，提供给探伤探头连续的不同频率进行磁化，大大提高缺陷的检出率，扩大检出范围，提高检测工作效率，例如利用本发明优选的5个连续不同频率的交流电流磁化，既可以检测表面及近表面的缺陷，又可以检测出深达5mm的深埋缺陷，克服了交流电检测工件表面和近表面的缺陷时，只能检测近表面1mm的缺陷；同时克服了单靠一种频率很难达到对工件进行一次充磁的时间内同时检测表面和深埋缺陷的不足。

4、利用霍尔传感器阵列组成的磁场检测装置代替磁粉显示探伤结果，全桥逆变器产生的电流无需太大并且无需采取旋转磁场的方式便可以进行磁化，既保留了测试准确度，同时增加了检测装置的应用范围和检测速度，又节省能量延长了电池工作时间。

附图说明

       图1是交叉磁轭结构示意图。

图2为给交叉磁轭两组线圈提供的电流图。

图3为交叉磁轭两组线圈形成的电流强度图。

       图4是磁场产生装置硬件框图。

       图5是全桥逆变器原理图。

       图6是主控芯片原理图。

       图7是电源检测模块原理图。

       图8是磁场检测装置系统框图。

图9是一个霍尔传感器单元。

       图10是一个霍尔传感器阵列拓扑结构。

图11是工作频率与检测深度的关系。

       图12是脉宽调制波信号示意图。

       图13是8个磁化方向。

       图14是单位周期内两组磁轭的输出电流。

    图15为磁粉探伤深度试块。

其中1,2,3,4为霍尔传感器。

具体实施方式

       下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

       为了使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，本发明所描述的具体实施例只是一种优选的方式，仅仅用来解释本发明，并不能以任何方式限定本发明。

本发明提供一种电磁探伤的方法及系统，使用这种探伤方法有以下几个步骤：

S01：全桥逆变器将输入的直流电逆变为频率可控的交流电，并在每个单位充磁周期内提供给交叉磁轭不少于两个不同频率的交流电流；

S02：交叉磁轭在单位充磁周期内输出两组电流，产生不同方向的磁场；

S03：霍尔传感器阵列检测交叉磁轭在被测工件表面磁场的漏磁场强度；

S04：数据采集模块采集霍尔传感器阵列检测到的漏磁场强度，并进行A/D转换；

S05：数据处理模块分析来自数据采集模块的数据判断是否存在漏磁情况，并计算出缺陷形态。

S06：数据显示模块显示来自数据处理模块的分析结果。

本发明提供的电磁探伤系统包括磁场产生装置和磁场检测装置，磁场产生装置能够产生磁场，磁场检测装置检测由磁场产生装置在工件上产生的漏磁场强度。

如图4所示的磁场产生装置，包括电源检测模块、主控芯片、控制按键、电池组、全桥逆变器、交叉磁轭和充电接口。充电接口连接到电池组和全桥逆变器，电池组连接到电源检测模块和全桥逆变器，主控芯片连接到全桥逆变器，全桥逆变器连接到交叉磁轭，控制按键连接到主控芯片。

 其中，主控芯片由单片机构成，电池组用来向电源检测模块和全桥逆变器供电，电源检测模块主要用来检测电源电压并且向主控芯片提供工作电压，如果电池组电力不足，电源检测模块检测到电压欠压的情况时，电源检测模块提供给主控芯片的工作电压就会发生变化，为了防止与主控芯片相连的全桥逆变器输出电流的改变，主控芯片会控制改变全桥逆变器的功率，使输出的电流保持不变，用于确保全桥逆变器产生符合系统要求的频率的电流。同时，主控芯片还接受来自外部控制按键的信息。

本发明的磁场产生装置的核心是全桥逆变器，用于将电池提供的直流电以逆变的方式转化为频率可控的交流电，输出到如图1所示的交叉磁轭中，使交叉磁轭产生符合系统要求的磁场。具体的说，全桥逆变器需要在一次充磁时间，即单位充磁周期内，为交叉磁轭提供至少两个不同频率的交流电流，用以解决单一频率无法同时检测近表面缺陷和深埋缺陷的问题，本发明的实施方式中，全桥逆变器需要两路。图2为给交叉磁轭两组线圈提供的电流图，图3为交叉磁轭两组线圈形成的电流强度图。四个磁极两两一组，相当于2个磁轭（即交叉磁轭），分别由两相具有一定相位差的正弦交变电流激磁，在工件上形成复合磁场。当满足一定条件时形成旋转磁场。即:

给两组线圈提供的电流为：

用磁场强度表示：

当H_m1=H_m2，并且两个磁轭几何夹角α与两相激磁电流的相位差Φ均等于90°时，在交叉磁轭的中心形成圆形旋转磁场。

需要说明的是，如附图11中所示的使用不同频率的方波信号进行检测时，频率较高（例如约50HZ）时，只能发现近表面的缺陷，随着频率的提高，检测深度越来越浅，随着频率的降低，检测深度越来越深，但是频率大于50HZ时，检测深度与约50HZ时相比，并没有较大改变，因此，全桥逆变器输出的交流频率控制在不大于50HZ的范围。

图8为本发明的磁场检测装置，磁场检测装置设有检测磁场磁场强度的霍尔传感器阵列，霍尔传感器阵列包含若干个霍尔传感器单元，在磁场产生装置对工件表面进行磁化的同时，磁场检测装置中的霍尔传感器阵列检测其所在区域特定几个方向的磁场强度，数据采集模块采集霍尔传感器阵列输出的磁场强度数据，数据处理模块对采集到的磁场强度数据进行分析，确定该区域磁力线走向，并类比理想无裂痕情况下的磁力线强度及走向得出探伤结果；并将分析结果通过数据显示模块显示出来。其中，如附图9所示的霍尔传感器单元，霍尔传感器单元的数量可以根据实际成像的面积进行设定，可以是一个、两个、三个、四个或者更多。每个霍尔传感器单元包含四个霍尔传感器，该单元中的四个霍尔传感器方向为垂直均分平面的四条相交于一点的直线所指的8个方向。霍尔传感器阵列中的多个霍尔传感器单元的放置可根据需要进行设计，在本发明的一些实施例中，可以如附图10所示的排列方式进行霍尔传感器单元的设计，即所有的霍尔传感器单元中的霍尔传感器朝向相同的8个方向。在本发明中，交叉磁轭形成的旋转磁场的N或者S的方向，设置至少包含一个霍尔传感器单元的霍尔传感器阵列，用于检测通过工件的磁力线。在本发明的一些实施例中，也可以在交叉磁轭形成的旋转磁场的N和S的方向，均设置至少包含一个霍尔传感器单元的霍尔传感器阵列，用于检测磁力线当前的数值。同时在本发明的系统中，霍尔传感器单元指向的8个方向形成的平面与交叉磁轭的磁场方向垂直，以便测量更加准确。

在图15所示的在磁粉探伤深度试块上进行试验的实施方式中，磁场产生装置的全桥逆变器为两路，其中一路的电路原理图如图5所示，主控芯片采用型号为ATMEGA48PA的单片机芯片，它的电路原理图如图6所示，电源检测模块采用的是如图7所示的电路原理图。使用的单位充磁周期为3秒，在3秒的充磁周期内，全桥逆变器产生如图13所示的周期分别为0.2秒、0.1秒、0.05秒、0.025秒和0.02秒，即频率分别为5HZ、10HZ、20HZ、40HZ、50HZ的5个频率的交流电流，输出给交叉磁轭。将周期划分为8份，使用主控芯片控制，使两组磁轭在单位充磁周期内对应输出如图14所示的两组电流，产生图13所示的八个方向的磁场。

具体来说，使用如图1所示的交叉磁轭，见图14的极化电流，在第一个八分之一周期内线圈L1和L2、L3和L4通过电流产生的磁场满足图14中1号方向，第二个八分之一周期内线圈L1和L2通过电流产生的磁场满足图14中2号方向，第三个八分之一周期内线圈L1和L2，L3和L4产生的磁场满足图14中3号方向，在第四个八分之一周期内线圈L3和L4产生磁场满足图14中4号方向，在第五个八分之一周期内线圈L1和L2、L3和L4通过电流产生的磁场满足图14中5号方向，第六个八分之一周期内线圈L1和L2通过电流产生的磁场满足图14中6号方向，第七个八分之一周期内线圈L1和L2，L3和L4产生的磁场满足图14中7号方向，在第八个八分之一周期内线圈L3和L4产生磁场满足图14中8号方向，采用这种方式可以节省25%的电能。

霍尔传感器阵列需要同时检测每个八分之一周期内，如图13所示的8个方向的磁场强度，数据采集模块采集霍尔传感器阵列发出的数据并对数据进行A/D转换，然后交由数据处理模块与无损状态下的磁力线强度进行比对，判断是否存在裂痕，如果有裂痕估计裂痕大概方向，最后由数据显示模块以图像的方式显示出来真实的磁场损伤情况。在此过程中，全桥逆变器产生的频率不大于50HZ，电源检测模块为主控芯片提供工作电压并检测电源电压，当电源出现欠压情况时，主控芯片将控制改变全桥逆变器的功率，使其输出电流不变，确保磁场产生装置产生的磁场强度维持不变。