CN112946063A - 基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于差分线圈的高速轮毂在线电磁无损检测系统及检测方法，该检测系统包括检测探头、检测辅助装置、信号调理模块和信号采集模块；本发明方法中，首先将检测探头以给定提离固定，启动电机驱动标定轮毂旋转，并将检测探头的差分线圈电压信号通过信号调理和采集设备处理记录，整理得到裂纹深度‑信号特征量标定曲线，然后对待检轮毂进行检测，得到电压信号；最后基于标定曲线提取实验所得特征量对应的待检轮毂裂纹深度值。该方法将永磁体和轮毂的相对运动作为激励源，同时在永磁体周围布置差分线圈，提取出差分线圈的感应电压，以实现得到待检轮毂的裂纹深度值。本发明无需涡流激励模块，可有效检出在役轮毂的裂纹深度值，降低事故风险。

Description

基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及一种轨道裂纹无损检测方法，具体涉及一种基于差分线圈的高速轮毂裂纹深度在线电磁检测系统及检测方法。
背景技术
我国工业蓬勃发展，轮毂在很多工业设备上的应用极为广泛，诸如飞机起落架和汽车行业。由于飞机起落架长期处于高温高强度、高负荷的工作环境下，其主机轮毂R处、毂部转接R处及固定轮缘根部R处属于应力高度集中的部位，其表面极易产生疲劳裂纹，从而对飞机的安全飞行构成严重威胁。汽车行业的低压铸造铝合金轮毂在铸造过程中常见的缺陷有气孔、裂纹、缩孔、缩松和冷隔等，这些缺陷对在路面上行驶的汽车都是严重的隐患，长时间使用可能会造成严重的交通事故造成巨大的经济损失。因此要预先对铝合金轮毂的这些潜在缺陷进行检测以保证使用的安全。
针对轮毂的检测一般有目测法，荧光渗透法，超声检测，涡流检测，X射线检测等方法。目测法只能检出因折叠产生的较大裂纹；荧光渗透法用于检测金属表面开口、裂纹等缺陷，但操作繁琐；超声检测对轮毂内部缺陷的定量尚需完善；涡流检测用于检出锻造轮毂的轮幅表面、胎圈座、中心孔等位置的表面及近表面缺陷；X射线可以直观地显示出轮毂内部及表面的缺陷，但射线在检测过程中会对人体及环境造成一定的危害，不能满足无害检测环境的要求，并且成本较高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统及检测方法，具有激励源无需供电，检出信号信噪比高，适用于在线检测的优点，可广泛应用于高速轮毂的在线检测。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于差分线圈的高速轮毂裂纹深度在线电磁检测系统，包括检测探头1、检测辅助装置、信号调理模块8和信号采集模块9，所述检测探头1由相连接的永磁体14和差分线圈15组成；所述检测辅助装置包括待检轮毂2，驱动待检轮毂2旋转的电机3和电机轴承4，为各检测器件提供支撑的平台5，固定检测探头的轮式夹具6和调整轮式夹具的三自由度升降台7；所述电机3悬挂于测试平台5的下部，电机轴承4穿过支撑平台5，待检轮毂2安装于电机轴承4上，并由电机3驱动旋转；所述检测探头1以一给定提离固定于轮式夹具6上，以保证检测过程中提离不变；所述三自由度升降台7固定于支撑平台5上；所述轮式夹具6固定于三自由度升降台7上，并通过旋转按钮调整升降台的位置，使得检测探头1对准待检轮毂2的环面，所述信号调理模块8的输入端连接检测探头的差分线圈，输出端连接信号采集模块9，信号调理模块8和信号采集模块9对检测探头的差分线圈电压信号进行处理分析，以实现对高速轮毂进行检测的目的。
所述的基于差分线圈的高速轮毂裂纹深度在线电磁检测系统，采用轮式夹具6保证了检测探头提离，所述轮式夹具6包括底座10、弹簧12和包含滚轮13的可移动部件11，底座10与可移动部件11之间由弹簧12连接，底座10安装于平台5之上，并保证弹簧12处于压缩状态，使得检测时滚轮13始终与待检轮毂12的环面相切；所述检测探头1固定于可移动部件11上。
所述的基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，所述检测探头1的承担激励作用的永磁体14采用剩磁大于1.0T、截面尺寸与缺陷尺寸比值相等的永磁体。
所述的基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，其特征在于：所述检测探头1的承担检出作用的差分线圈15采用两个完全相同的线圈反接以实现差分。
所述的基于差分线圈的高速轮毂裂纹深度在线电磁检测系统的检测方法，其特征在于：
1)建立裂纹深度-信号特征量标定曲线：加工一个用于建立裂纹尺寸-信号特征量标定曲线的标定轮毂，在标定轮毂的环面加工不同深度的轴向裂纹；将标定轮毂安装在电机转轴4上，将检测探头1以一固定提离固定于轮式夹具6上，然后调整三自由度升降台7，使得检测探头1对准标定轮毂环面加工的轴向裂纹，最后启动电机3，驱动标定轮毂旋转，由于标定轮毂相对检测探头的永磁体高速运动，根据法拉第电磁感应定律，标定轮毂内部会产生涡流，涡流会激发二次磁场，处于二次磁场中的检测探头的差分线圈会产生感应电压，将该电压信号通过信号调理模块8作5kHz的低通滤波的同时将信号放大400倍，然后通过信号采集模块9记录数据，由于裂纹的深度会影响涡流的分布，从而影响差分线圈的电压幅值，因此以差分线圈的电压幅值为特征量对标定轮毂的环面轴向裂纹进行标定，建立裂纹深度-信号特征量之间的拟合曲线，即为裂纹深度-信号特征量标定曲线；
2)通过实验获取待测轮毂的裂纹检测特征量：将待检轮毂安装与电机轴承4之上，按照步骤1)的流程调整检测探头1位置并启动电机3，给电机3施加与步骤1)中完全相同的旋转速度，得到差分线圈的电压信号，并提取相应的电压幅值作为特征量；
3)计算待测轮毂的裂纹深度：在步骤1)所得的标定曲线中，获取与步骤2)所得特征量相对应的裂纹深度值，即为待测轮毂的裂纹深度。
所述的基于差分线圈的高速轮毂裂纹深度在线电磁检测系统的检测方法，步骤1)建立的裂纹深度-信号特征量标定曲线的表达式如下：
V＝-0.0.12x2+1.236x+0.302
其中，V为经信号采集模块9输出的检测探头1的差分线圈电压，x为标定轮毂的环面裂纹深度。
本发明通过高速轮毂与静止的永磁体的相对运动在轮毂内部形成涡流，通过差分检出线圈测量该涡流的空间分布，进而实现对轮毂的完整性评价。和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明方法采用检测探头内的永磁体与被检件的相对运动作为激励，具有激励模块无需供电、容易更换等优点，能够实现高速轮毂的在线检测，具有很强的实用价值。
2)本发明方法采用轮式夹具保证了检测探头提离，适用于工业在线测试的需要，同时采用差分线圈作为检出可有效剔除振动噪声等干扰信号，应用于高速轮毂的在线检测，检出信号具有很高的信噪比。
附图说明
图1为基于差分线圈的高速轮毂的在线电磁检测系统示意图。
图2为轮式夹具示意图。
图3为检测探头示意图。
图4为标定曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明的检测原理为：将永磁体和轮毂的相对运动作为激励源，同时在永磁体周围布置差分线圈，根据法拉第电磁感应定律，永磁体和轮毂的相对运动会在轮毂内感生涡流，会产生时空变化的二次磁场，进而在其中的两个检测线圈中产生感应电压，经过差分得到只表征轮毂完整性的电压信号。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本实例为一种基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，包括检测探头和检测辅助装置。检测探头1由相连接的永磁体14和差分线圈15组成；检测辅助装置包括待检轮毂2，驱动待检轮毂2旋转的电机3和电机轴承4，为各检测器件提供支撑的平台5，固定检测探头的轮式夹具6和调整轮式夹具的三自由度升降台7；电机3悬挂于测试平台5的下部，电机轴承4穿过支撑平台5，待检轮毂2安装于电机轴承4上，并由电机3驱动旋转；检测探头1以一给定提离固定于轮式夹具6上，以保证检测过程中提离不变；三自由度升降台7固定于支撑平台5上；轮式夹具6包括底座10、弹簧12和包含滚轮13的可移动部件11，底座10与可移动部件11之间由弹簧12连接，底座10安装于平台5之上，并保证弹簧12处于压缩状态，使得检测时滚轮13始终与待检轮毂12的环面相切；所述检测探头1固定于可移动部件11上。轮式夹具6固定于三自由度升降台7上，并通过旋转按钮调整升降台的位置，使得检测探头1对准待检轮毂2的环面，信号调理模块8的输入端连接检测探头的差分线圈，输出端连接信号采集模块9，信号调理模块8和信号采集模块9对检测探头的差分线圈电压信号进行处理分析，以实现对高速轮毂进行检测的目的。
本发明提出的基于差分线圈的高速轮毂的在线电磁检测方法，其实现过程主要包括如下步骤：
1)建立裂纹深度-信号特征量标定曲线：加工一个用于建立裂纹尺寸-信号特征量标定曲线的标定轮毂(直径500mm，壁厚30mm，轴向厚度50mm)，在标定轮毂的环面加工5个间隔均匀的不同深度的轴向裂纹(10mm，0.2mm，深度分别为1mm，2mm，3mm，4mm，5mm)；将标定轮毂安装在电机转轴4上，将检测探头1(检测探头的永磁体部分采用截面积10mm*20mm，高50mm的永磁体，剩磁1.5T，差分线圈部分采用外径3mm，内径1mm，高2mm，匝数300)以一固定提离固定于轮式夹具6上，然后调整三自由度升降台7，使得检测探头1对准标定轮毂环面加工的轴向裂纹，开启信号调理模块8(作5kHz的低通滤波且将信号放大400倍)和信号采集模块9，最后启动电机，驱动标定轮毂环面以50km/h的线速度旋转，由于标定轮毂相对检测探头的永磁体高速运动，根据法拉第电磁感应定律，标定轮毂内部会产生涡流，涡流会激发二次磁场，处于二次磁场中的检测探头的差分线圈会产生感应电压，由于裂纹的深度会影响涡流的分布，从而影响差分线圈的电压幅值，因此以差分线圈的电压幅值为特征量对标定轮毂的环面轴向裂纹进行标定，标定轮毂的裂纹信息与对应特征量如表1所示，建立裂纹深度-信号特征量之间的标定曲线如图4所示，其表达式为；
V＝-0.0.12x2+1.236x+0.302
其中，V为经信号采集模块(9)输出的检测探头(1)的差分线圈电压，x为标定轮毂的环面裂纹深度。
表1标定件裂纹参数
Figure BDA0002932245630000081
2)通过实验获取待测轮毂的裂纹检测特征量：将待检轮毂安装与电机轴承4之上，按照步骤1)的流程调整检测探头1位置并启动电机3，给电机3施加与步骤1)中完全相同的旋转速度(轮毂环面线速度50km/h)，得到差分线圈的电压信号，并提取相应的电压幅值作为特征量；
3)计算待测轮毂的裂纹深度：在步骤1)所得的标定曲线中，获取与步骤2)所得特征量相对应的裂纹深度值，即为待测轮毂的裂纹深度。待测轮毂的三个裂纹的深度的检测值，真实值及相对误差如表2所示。
表2待测点钢衬厚度检测结果
Figure BDA0002932245630000082
Figure BDA0002932245630000091
由表2检测结果可知，检测误差在允许的范围内，从而证明该检测系统的可行性。

Claims (6)

1.一种基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，其特征在于：包括检测探头(1)、检测辅助装置、信号调理模块(8)和信号采集模块(9)，所述检测探头(1)由相连接的永磁体(14)和差分线圈(15)组成；所述检测辅助装置包括待检轮毂(2)，驱动待检轮毂(2)旋转的电机(3)和电机轴承(4)，为各检测器件提供支撑的平台(5)，固定检测探头的轮式夹具(6)和调整轮式夹具的三自由度升降台(7)；所述电机(3)悬挂于测试平台(5)的下部，电机轴承(4)穿过支撑平台(5)，待检轮毂(2)安装于电机轴承(4)上，并由电机(3)驱动旋转；所述检测探头(1)以一给定提离固定于轮式夹具(6)上，以保证检测过程中提离不变；所述三自由度升降台(7)固定于支撑平台(5)上；所述轮式夹具(6)固定于三自由度升降台(7)上，并通过旋转按钮调整升降台的位置，使得检测探头(1)对准待检轮毂(2)的环面，所述信号调理模块(8)的输入端连接检测探头的差分线圈，输出端连接信号采集模块(9)，信号调理模块(8)和信号采集模块(9)对检测探头的差分线圈电压信号进行处理分析，以实现对高速轮毂进行检测的目的。
2.根据权利要求1所述的基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，其特征在于：采用轮式夹具(6)保证了检测探头提离，所述轮式夹具(6)包括底座(10)、弹簧(12)和包含滚轮(13)的可移动部件(11)，底座(10)与可移动部件(11)之间由弹簧(12)连接，底座(10)安装于平台(5)之上，并保证弹簧(12)处于压缩状态，使得检测时滚轮(13)始终与待检轮毂(12)的环面相切；所述检测探头(1)固定于可移动部件(11)上。
3.根据权利要求1所述的基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，其特征在于：所述检测探头(1)的承担激励作用的永磁体(14)采用剩磁大于1.0T、截面尺寸与缺陷尺寸比值相等的永磁体。
4.根据权利要求1所述的基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统，其特征在于：所述检测探头(1)的承担检出作用的差分线圈(15)采用两个完全相同的线圈反接以实现差分。
5.权利要求1至4任一项所述的基于差分线圈的高速轮毂在线电磁检测系统的检测方法，其特征在于：
1)建立裂纹深度-信号特征量标定曲线：加工一个用于建立裂纹尺寸-信号特征量标定曲线的标定轮毂，在标定轮毂的环面加工不同深度的轴向裂纹；将标定轮毂安装在电机转轴(4)上，将检测探头(1)以一固定提离固定于轮式夹具(6)上，然后调整三自由度升降台(7)，使得检测探头(1)对准标定轮毂环面加工的轴向裂纹，最后启动电机(3)，驱动标定轮毂旋转，由于标定轮毂相对检测探头的永磁体高速运动，根据法拉第电磁感应定律，标定轮毂内部会产生涡流，涡流会激发二次磁场，处于二次磁场中的检测探头的差分线圈会产生感应电压，将该电压信号通过信号调理模块(8)作低通滤波的同时将信号放大，然后通过信号采集模块(9)记录数据，由于裂纹的深度会影响涡流的分布，从而影响差分线圈的电压幅值，因此以差分线圈的电压幅值为特征量对标定轮毂的环面轴向裂纹进行标定，建立裂纹深度-信号特征量之间的拟合曲线，即为裂纹深度-信号特征量标定曲线；
2)通过实验获取待测轮毂的裂纹检测特征量：将待检轮毂安装与电机轴承(4)之上，按照步骤1)的流程调整检测探头(1)位置并启动电机(3)，给电机(3)施加与步骤1)中完全相同的旋转速度，得到差分线圈的电压信号，并提取相应的电压幅值作为特征量；
3)计算待测轮毂的裂纹深度：在步骤1)所得的标定曲线中，获取与步骤2)所得特征量相对应的裂纹深度值，即为待测轮毂的裂纹深度。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：步骤1)建立的裂纹深度-信号特征量标定曲线的表达式如下：
V＝-0.0.12x2+1.236x+0.302
其中，V为经信号采集模块(9)输出的检测探头(1)的差分线圈电压，x为标定轮毂的环面裂纹深度。
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