基于柔性阵列涡流传感器的转向架构架无损探伤系统

（华东交通大学 机电与车辆工程学院，南昌 330013）

随着高速铁路的不断发展，列车运营环境变得日益复杂。转向架构架作为列车的关键部件，长期承受和传递着各种多维激励力，其安全性和可靠性越来越受到重视。文献[1-3]研究表明，转向架构架裂纹主要集中于横梁连接处、构架弯角处及焊缝处。

现今无损检测方法主要有磁粉、射线、超声波、涡流和渗透检测[4-5]。其中涡流检测相对其它几种检测有其独特的优势，然而一般的涡流检测技术已无法满足转向架构架检修现状。最近，出现一种柔性涡流传感器，该传感器探头能够自由弯曲，其结构灵活多变[6]。文献[7]针对柔性电涡流传感器实现大面积金属曲面部件位置实时监测，对其测试技术进行研究；文献[8]针对直升机旋翼应力检测的需求，研制了一种新型平面柔性涡流传感器；文献[9]研制了由多个偏平磁线圈组成的低分辨率矩阵传感器，用于平坦金属表面缺陷的检测与识别；文献[10]通过矩形柔性涡流阵列传感器对金属结构的裂纹进行定量检测，并且分析了传感器对提离距离的响应特性。但是，柔性涡流传感技术在高速铁路方面研究甚少，因此针对转向架构架的柔性涡流检测系统的研制显得尤其重要。

国内各大动车检修段对转向架构架日常检查都采用手摸和强光手电的检查方法[11]，这些检查方法存在较高的人为干扰和客观误差。基于以上背景，本文利用柔性涡流检测技术，对转向架构架无损检测系统进行设计，能有效地解决构架在复杂环境下的检修问题及提高构架日常检查的效率，具有良好的研究前景。

1 柔性阵列涡流传感器检测原理

本文设计了由6个完全相同的螺旋线圈所组成的柔性阵列涡流传感器探头，如图1所示。r1和r2分别是螺旋线圈的内外径，r1=4 mm、r2=10 mm。为了防止螺旋线圈之间磁场的相互影响，相邻螺旋线圈的间距b设计为线圈外径r2的2倍。各螺旋线圈的输入电流由一个激励发生器提供，输出分别向外引出，各条输出线分别与各自的处理电路相连，信号输出采用时分多路输出方式。

图1 柔性涡流阵列传感器Fig.1 Flexible eddy current array sensor

当螺旋线圈通入交流电流时，线圈周围就会产生交变磁场，如果将金属导体材料移入此交变磁场中，金属材料表面就会产生感应电流，而此感应电流又会产生一个磁场，该磁场方向与原线圈磁场方法正好相反，从而减弱了原磁场。如果被测工件表面或近表面存在缺陷，将会影响涡流的强度和分布，涡流的变化又会引起线圈的阻抗变化，因此，工件缺陷的检测可以通过测量传感器内各螺旋线圈磁感应阻抗的变化。线圈的等效阻抗Z一般可表示为

式中：e，h分别为被测导体的电导率和磁导率；f为激励信号的频率；x为金属导体与线圈之间的距离；r为线圈的尺寸因子，与线圈的结构、形状以及尺寸有关。

2 系统硬件设计

针对转向架构架及其裂纹分布特点，对系统硬件进行设计。系统硬件框图如图2所示，硬件电路主要包括激励发生电路、功率放大电路、柔性阵列探头、多路复用器、前置放大电路、A/D转换和计算机处理模块。

图2 系统硬件Fig.2 System hardware block diagram

由于转向架构架待测面积较大，采用手动扫描的方法，通过控制多路复用器，逐个扫描全部的阵列单元线圈，来实现阵列探头中所有螺旋线圈的检测。激励信号发生模块产生30 kHz正弦信号，该信号经过功率放大后输入柔性阵列探头；通过微型电压互感器ZMPT107采集柔性阵列线圈两端的检测电压，采用74HC4051作为模拟开关，对6个阵列单元输出信号进行选通，输出信号时分多路传输；时分输出信号经过前置放大电路放大，再经过A/D转换后输入计算机进行处理，由计算机处理判断该信号是否存在缺陷信息。

2.1 激励信号发生电路

激励信号发生电路选用AD9850模块，该模块以高集成度频率合成器AD9850芯片为基础，辅以简单的电路和软件构成的小型的信号发生器，其原理如图3所示。

图3 AD9850电路原理Fig.3 AD9850 circuit schematics

AD9850可分别同时输出 2个 0～40 MHz的正弦波和方波，当频率大于35 MHz时谐波较大。本系统需要的正弦信号频率为30 kHz，因而可满足需要。由于AD9850带负载能力比较差，因此需要功率放大电路，如图4所示。

图4 功率放大电路Fig.4 Power amplifying circuit

功率放大电路是由S8050三极管构成，其中RB1和RB2分别为基级的输入电阻，其阻值分别为1 kΩ，2 kΩ；由于柔性涡流线圈所需的电流较大能达到0.3 A，故RC需选用大功率电阻，RC取40 Ω。柔性阵列线圈电阻非常小，每个线圈阻值才10 Ω左右，如果将负载连接到集电级输出，则会因为放大倍数很小而无法满足柔性阵列线圈所需的电流大小。因此，在原来的基础上对其进行改进，将输出负载接在发射极，经过检测，该方法能满足柔性阵列线圈对电流的要求。

2.2 多路复用器及信号调理模块

多路复用器选用74HC4051，采用微型电压互感器来检测柔性螺旋线圈两端的检测电压，将其检测电压信号输入多路复用器。根据电涡流检测的特点，对螺旋线圈的引线进行优化，线圈阵列中所有线圈引线的一端公共并接，作为公共端直接与激励信号发生电路相连，而另一端的6路输出先分别通过各自微型电压互感器后，再与多路复用器相连。

图5 多路复用器电路Fig.5 Multiplexer circuit diagram

图5所示为多路复用器的电路，该电路用于柔性涡流阵列探头6个阵列线圈检测信号的选通。选74HC4051作为多路复用器，A、B、C端为控制输入口（可由单片机控制）从Y0-Y5通道中选择1个通道输入。运放A1（OP296）构成的电压跟随器接收模拟开关选择的信号，从而消除模拟开关的通态电阻的影响。VD1-VD12为保护二极管，R1用于防止电压跟随器振荡，通过单片机编程控制6路的选通。

由于检测线圈输出的涡流信号十分微弱，只有毫伏级，因而需要增加前置放大电路将信号放大到合适的大小。前置放大电路采用高精度低失调电压的精密运放集成电路OP07芯片，本芯片具有非常低的失调电压，能够满足柔性阵列涡流检测系统放大电路的要求。本系统的检测线圈感抗很小，对于前置放大电路输入阻抗比较小，选择反向放大电路。设计电路如图6所示。

图6 前置放大电路Fig.6 Preamplifier circuit diagram

检测到的涡流信号通过前置放大电路后，输出信号幅值能达到5 V。最后将放大后的信号通过A/D转换直接输入计算机处理，通过计算机处理分析可知检测信号是否存在缺陷。

3 系统软件设计

主程序的功能和任务是对整个系统进行必要的初始化，然后设置激励信号频率，使之能正常工作，系统程序流程如图7所示。

图7 系统程序流程Fig.7 System program flow chart

给柔性阵列探头输入正弦信号，阵列探头采用手动扫描的方法对被测转向架构架表面进行检测，检测的信号通入多路复用器对其六路进行分时选通。将检测的信号进行分时处理，每一路输出检测信号经过数据采集之后，进入计算机处理，判断其是否存在缺陷，如果存在则保存此时的图像及数据，如果没有则返回进行下一路的数据处理。直到六路数据处理完之后，多路复用器复位，重新开始下一轮的检测，将新检测到的信号逐路进行处理分析。如此循环，来完成对整个转向架构架的无损探伤。

4 试验分析

目前，国内高速列车转向架构架所使用的材料主要是从日本和欧洲进口的耐候性钢材[12]。试验所选取的钢材与耐候性钢材的磁导率和电导率相近，以半径为7 cm，高为10 cm的圆柱形钢柱钢作为试验对象，模拟试验转向架构架拐角处裂纹的检测，其表面刻有长度为30 mm，深度为3 mm的纵向裂痕。试验通入频率为30 kHz的正弦交流信号，金属圆柱与柔性涡流阵列探头的距离保持1 mm，图8所示为检测时感应电压幅值变化对比图。

图8 裂纹检测时感应电压幅值变化Fig.8 Crack detection sensor voltage amplitude change map

由于试验信号发生模块在频率为30 kHz时，频率不稳定，得到的图像波形略有毛糙，频率的些许抖动在试验误差允许范围之内，对试验结果几乎无影响。图中虚线表示有裂纹处的感应电压，实线表示无裂纹处的感应电压。由图8可知有裂纹处感应电压峰-峰值为6.16 V，而无裂纹处感应电压峰-峰值为4.60 V，对比有无裂纹处感应电压幅值可知幅值变化可达1.56 V，试验结果明显。由试验结果可知，所设计的转向架构架无损探伤系统能够有效地模拟检测出构架拐角处裂纹是否存在。

5 结语

针对转向架构架日常检查需求，基于柔性涡流传感器，通过对传感器探头及激励电路的优化，采用分时多路的扫描测试方式，设计了转向架构架无损探伤系统。模拟实验表明，检测系统满足设计要求，能有效地检测转向架构架表面裂纹，还能为新型转向架构架无损检测设备的研制提供参考，为转向架日常维护手段的改进提供新的思路。

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