基于ACFM的缺陷可视化检测实验系统设计与测试

袁新安， 赵建超， 李 伟， 张广泰， 李 肖

（1.中国石油大学（华东）海洋石油装备与安全技术研究中心，山东青岛 266580；2.中海油能源发展股份有限公司，天津 300452）

0 引 言

无损检测是一门融合传感器、信号处理、图像识别、仪器仪表、安全评价、完整性管理等多学科交叉的技术，在不破坏结构情况下及时发现缺陷，保障装备或结构的安全服役［1］。无损检测技术在特种装备、能源、交通、民用设施等领域有着广泛的应用，一定程度上反映了一个国家的工业化程度［2-4］。无损检测作为新兴学科和交叉性学科，在机械、安全、信号处理、仪器仪表等专业本科生实验教学和研究生科研中占有重要地位。电磁无损检测技术具有非接触测量、信息丰富、适用铁磁性和非铁磁性材料等特点，在结构表面缺陷检测领域具备突出的优势。而传统的电磁无损检测实验系统通常以特征信号幅值表征缺陷存在（例如涡流阻抗平面图），不能直观显示缺陷的真实形貌，造成缺陷评估高度依赖实验操作人员主观判定和经验，对初学学生造成一定难度，缺陷误判及漏检率高，缺陷评估精度低，影响科研及实验效果。因此，研发一套可视化的电磁无损检测科研实验与教学系统显得尤为重要。

交流电磁场检测（Alternating Current Field Measurement，ACFM）技术是近年来快速发展的电磁无损检测技术，可实现金属工件表面和近表面缺陷定量检测和评估，具有理论模型精确、大提离、定量评估等优势，具备广阔的应用前景［5］。其检测原理是：通有正弦激励信号的线圈在金属表面感应出均匀电流，当缺陷存在时，表面电流会从缺陷的两端和底部绕过，使电流密度发生变化，进而改变裂纹附近的磁场分布，通过拾取畸变的磁场信号，从而实现缺陷的检测［6-7］。

本文选择以PC104 嵌入式平台为交流电磁场可视化检测系统核心，研制高灵敏度检测探头，开发可视化检测算法及软件，形成融合探头—主机—软件为一体的可视化检测系统，实现结构缺陷形貌的可视化检测，提高实验的演示效果和教学水平。

1 实验系统构成

1.1 系统总体设计

基于PC104 嵌入式平台的交流电磁场可视化检测实验系统包括检测探头、仪器主机及三轴台架，如图1 所示。探头用于检测试块缺陷周围畸变电磁场，三轴台架用于完成扫描轨迹控制，仪器内部集成信号采集、处理及存储模块，检测的畸变电磁场信号经过处理后直观显示缺陷形貌。

图1 交流电磁场智能检测实验系统结构

1.2 高灵敏度探头开发

探头是整个实验系统设计的关键，决定了缺陷信号检测精度。探头内部设有激励模块、U型磁芯、隧道磁阻（Tunnel Magneto Resistance，TMR）磁场传感器及信号处理模块，如图2 所示。励磁线圈为500 匝直径0.15 mm漆包铜丝，均匀缠绕在U 型磁芯的横梁上，当加载正弦激励信号时可在试块表面感应出均匀电流［8］。TMR传感器安装在U型磁芯正下方，可测量垂直于试块方向畸变磁场。由于探头内TMR 检测信号较为微弱，采用信号处理电路进行放大和滤波，增加信号传输距离［9］。

图2 检测探头结构

1.3 仪器主机设计开发

仪器主机采用集成式方案，以PC104 嵌入式平台为核心，整合信号采集、信号存储、辅助模块及显示模块，如图3 所示。嵌入式平台各模块之间相互独立，便于系统拓展与更新。PC104 嵌入式平台选用研华PCM-3365 工业主板，搭载英特尔四核处理器，主频最高可达1.91 GHz，运行内存最大可支持8 GB，系统启动及运算速度快，可满足实验系统高速数据采集和处理的要求；主板具有不同的扩展接口，可以与不同的硬件进行通信，方便数据存储、调用及传输。

图3 便携式一体仪器主机

数据采集模块为NI 公司的USB-6361 采集卡，支持16 路模拟输入通道，采集速度最大可达到1.25 MS/s，AD转换的分辨率为16 位，满足实验系统对数据采集速度和精度的要求。辅助模块包括电源模块、人机交互模块、激励模块及存储模块，电源采用锂电池供电，保证实验系统6 h 持续稳定工作［10］；人机交互模块选用的是研华公司的液晶显示屏，屏幕具有显示与触屏的功能，可以用来控制程序以及显示缺陷形貌可视化检测结果；激励模块选用的是利用直接数字合成技术（DDS）［11］，结合STM8 单片机和FPGA 构架设计的一款数字信号发生器，可输出频率、幅值可调的正弦波，便于实验过程参数的调整。

2 可视化算法与软件开发

2.1 缺陷可视化反演算法

为探究缺陷形貌成像算法，采用预实验方式，设置激励信号参数为频率1 kHz，幅值10Upp，利用三轴台架带着探头栅格扫查（步长1 mm，扫查区域130 cm ×130 mm）碳钢表面长40 mm宽0.2 mm 深6 mm 的裂纹，如图4（a）所示。获取缺陷表面垂直方向畸变磁场Bz，如图4（b）所示。图4（b）展示的是缺陷周围畸变磁场信号，不能直观反映缺陷的形貌。为了提高科研和教学演示效果，对图4（c）进一步处理，获取缺陷可视化形貌。首先，图像梯度场可反映图像的畸变程度［12-13］，裂纹轮廓周围信号畸变量比较大，通过对图像求取x方向梯度，可获取缺陷轮廓周围最大畸变信号，如图4（d）所示。梯度场可呈现正负峰值，图像上表现出正反色差，影响缺陷形貌成像，抠除图像背景噪声可得到祛除背景图像G0，能够很好地反映缺陷的形貌和轮廓（见图4（d））。

图4 可视化过程

由以上可总结出基于梯度场的缺陷形貌可视化反演算法步骤：①探头栅格扫查，获取缺陷垂直方向畸变磁场Bz图像；②对Bz图像求取x方向梯度，获取畸变磁场在缺陷边缘轮廓的畸变图像GBz；③抠除图像背景噪声，得到缺陷形貌轮廓图像G0。

2.2 软件开发

缺陷形貌可视化检测软件采用LabVIEW 与Matlab混合编程的方式，主要包括台架控制程序、数据采集程序、数据处理及图像可视化。利用LabVIEW在信号采集、处理与显示的优势，完成数据的采集、存储及数字信号处理［14］，LabVIEW软件框图如图5 所示。

图5 LabVIEW数据采集及存储程序

利用Matlab 在图像处理方面的优势，借助LabVIEW调用Matlab脚本节点，依据缺陷成像算法完成图像可视化处理，最终呈现缺陷可视化形貌，如图6所示。

图6 缺陷可视化软件

3 实验系统测试

为验证缺陷可视化检测系统测试效果，搭建结构缺陷交流电磁场可视化检测实验系统，如图7 所示。系统包括三轴台架、探头、仪器主机及待测试块。利用三轴台架带动探头在试块表面做栅格扫查，通过仪器主机设置激励信号参数，激励信号加载至探头内部激励线圈并在试块表面感应出均匀电流场。当缺陷存在时，缺陷周围磁场发生畸变，通过探头测量垂直方向畸变磁场信号并传输至仪器主机。仪器主机完成畸变磁场信号采集、处理及存储。缺陷形貌可视化软件完成图像处理，最终呈现缺陷的可视化形貌。

图7 缺陷可视化检测实验系统

测试块为带有腐蚀缺陷的钢板，缺陷为φ10 mm× 0.5 mm（直径×深度）的圆柱腐蚀坑，如图8（a）所示。三轴台架带动探头完成栅格扫查（步长0.5 mm，区域扫查50 mm × 50 mm），软件处理缺陷畸变磁场信号，最终仪器主机屏幕显示缺陷形貌可视化检测结果如图8（b）所示。由图8（b）可见，左侧图像显示缺陷周围畸变磁场Bz，不能直观得到缺陷形貌信息，右侧经过可视化检测算法处理过的图像能够呈现缺陷的边缘轮廓信息，直观判定缺陷为腐蚀缺陷，有助于学生直接判定缺陷类型，提高了缺陷评估准确率［15］，显著提升了科研和教学演示效果。

图8 腐蚀缺陷可视化检测结果

4 结 语

基于PC104 平台的结构缺陷交流电磁场可视化检测系统，通过高精度的检测探头、集成化主机仪器完成缺陷信号的检测、采集、处理、存储。通过基于梯度场的缺陷形貌可视化算法及软件完成缺陷畸变磁场信号到形貌可视化的跨越，直观显示试块表面缺陷形貌。该系统解决了传统电磁无损检测科研及教学设备只显示特征信号的弊端，直接呈现直观缺陷形貌信息，提高了缺陷判定和评估准确度，为电磁无损检测的教学和科研提供可视化的实验平台，提高了电磁无损检测科研实验和教学的质量。