【2023研电赛】兆易创新命题三等奖：奥氏体不锈钢裂纹交流电磁场检测量化与仪器

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奥氏体不锈钢裂纹交流电磁场检测量化与仪器

参赛单位：中国矿业大学
指导老师：曹丙花
参赛队员：杨淑珍、叶添寅、严佳航
参赛奖项：国赛三等奖

作品简介

奥氏体不锈钢由于其良好的塑性和抗腐蚀性能，在石油化工、特种设备、医疗设备和航空航天中得到大量应用，常用于腐蚀、有毒介质的存储。由于工作环境和材质特性，设备失效的主要原因为在应力腐蚀作用下产生表面、近表面裂纹开裂缺陷。一旦这些承载腐蚀及有毒介质的设备发生事故，将造成严重的经济损失和灾难性的安全事故，给人民生命财产带来巨大损失。为保障设备安全运行，运用无损检测技术掌握不锈钢表面缺陷信息是常用而有效的方法，具有重要的工程价值。

本文采用交流电磁场检测奥氏体裂纹，并进行量化。MAXWELL仿真软件建立奥氏体不锈钢有限元模型，生成数据集，通过FNN神经网络，确定裂纹长度和深度与磁场特征值映射关系，其最大误差在3%。搭建交流电磁场检测仪器，实现奥氏体表面裂纹检测，通过梯度算法，识别微小裂纹。检测标定试件，实现有限元模型与实验数据匹配，实验数据进行转换，引入神经网络，确定裂纹的长度与深度，其最大误差在4.9%。

创新特色

   首先利用有限元模型分析奥氏体不锈钢电磁特性对交流电磁场检测的影响，研究激励参数和裂纹尺寸与检测方向磁场的映射关系；其次，根据仿真结果制定奥氏体不锈钢样件和设计探头结构，开发出一套交流电磁场检测系统；最后利用梯度算法识别微小裂纹，同时利用FNN神经网络确定裂纹长度和深度。  
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（1）高温压力容器裂纹交流电磁场检测有限元仿真建模研究
构建考虑高温压力罐电磁特性、探头提离效应等多个因素影响的高温压力容器裂纹交流电磁场检测有限元模型。分析频率、幅值等交流电磁参数以及尺寸、数量、位置等缺陷特征对交流电磁场检测磁场信号特征的影响规律。

（2）具有不同尺寸裂纹的奥氏体不锈钢试件和交流电磁场检测系统装置
研究奥氏体不锈钢常见的结构和缺陷特征，设计不同尺寸、不同位置的裂纹的标准试件。交流电磁场检测装置主要包括激励信号产生电路、信号检测电路、信号调理电路、电源电路等。设计人机交互界面设计、实现数据实时显示、可视化实现远程检测的状态。

   研究有限元仿真模型，使用FNN神经网络确定特征值与裂纹尺寸关系。通过标定试件，匹配有限元模型与实验系统。通过FNN神经网络确定裂纹长度和深度。  
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传感器设计

使用MAXWELL仿真软件构建高温压力容易有限元模型，对不同激励频率，不同的裂纹尺寸进行研究，确定合适的激励频率以及信号特征，并对交流电磁场仪器进行参数优化。在MAXWELL构建交流电磁场检测三维有限元模型。Ansys Maxwell 软件构建交流电磁场的有限元模型。该模型主要是由U型磁芯和不锈钢试件组成。300匝铜线圈缠绕长为60mm，宽为28mm的锰锌氧化铁的磁芯。检测点位于裂纹中心线上方1mm处，检测X轴、Z轴分量的电磁大小。

硬件电路设计

本文所设计的ACFM（交流电磁场）缺陷无损检测系统硬件部分主要分为主控MCU部分、信号源激励部分、信号调理部分、传感器部分。

   系统硬件电路主要实现正弦激励信号触发、信号功率放大、提取传感器特征信号、信号处理以及数据传输转换等功能，并通过串口屏检测参数设置、检测数据显示等功能。因此需要选取合适的主控MCU、DDS芯片、高精度A/D采集芯片、差分放大芯片等，还需根据各级输入输出设计对应的针对各芯片输出信号质量情况，设计对应放大电路、滤波电路、信号解调电路设计。搭建检测系统后再逐级调试，最后将硬件系统的各模块集成封装。  
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上位机设计

在下位机检测程序开发部分，这一部分的主要工作内容有检测信号的采集与滤波，编码器位置信息的转换，以及完整数据的打包与发送。上位机可视化程序开发部分，主要的工作内容有对检测前的检测参数进行设置，接收下位机传输的数据包并进行解包拿到数据，对检测结果进行动态显示，对检测结果进行成像，对检测到缺陷时的报警处理，以及整个检测过程中数据的存储。

   第二部分主要就是接收下位机传输的数据包，并对数据进行解包，并拿到各个通道的检测值以及编码器的位置值。解包的过程是非常重要，如果解出来的包是错误的，最终的检测结果也是错误的。解包的过程本质上是去寻找包头的位置，并根据已知的包的字节数判断包尾是否正确。  
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a) 根据已知一个包的数据大小，从串口接收的缓存中读取22个字节的数据；
b) 为了方便存储，将读到的数据以16进制的形式进行存储，这样存储的好处是每四个字符代表了一个两个字节的值；
c) 遍历字符串寻找包头，寻找从index位置开始的四个字符组成的值等于包头；
d) 根据包头的位置，获得帧头的偏移量offset，再从串口缓存中读取offset个字节，保证下一次读取数据时开头就是包头。

对于检测到缺陷时，报警灯会变红，同时启动报警声音。对于数据保存的功能，在接收到下位机的传输数据后，数据的保存就已经开始，数据保存的格式为.csv文件。

  同时把训练完成的FNN神经网络进行封装函数，上位机调用函数，进行实时测量裂纹的长度和深度。  
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总结

基于交流电磁检测原理，研发了一套交流电磁场检测系统，实现微小裂纹的识别，裂纹长度和深度测量，最大误差在4.9%,同时完成系统硬件设计封装、软件编写、算法验证。
（1）MAXWELL建立高温压力容器的交流电磁场有限元模型，分析激励频率、裂纹尺寸等对检测信号的影响，通过FNN神经网络方法，确定裂纹长度和深度与磁场特征值映射关系，为实验系统提供理论支持。
（2）搭建交流电磁场检测系统，实现高温压力容器表面裂纹检测。其主要模块包括差分放大、移相器、锁相放大等模块。在实验系统中，实现微小裂纹的实时识别，为后续裂纹量化提供数据支持。
（3）搭建上位机软件，调用神经网络，实现裂纹实时显示与存储以及裂纹量化，量化的最大误差在4.9%。调节反馈电阻，实现有限元与实验系统的匹配。将检测数据进行转换，导入到神经网络参数，实现裂纹量化。

参赛感悟

首先，这次比赛是一个很好的机会让我将在课堂学习中获得的电子设计知识进行实践。我们团队的项目涉及了复杂的电路设计、信号处理和系统实现，这需要我们对专业知识有着扎实的理解和掌握。在比赛过程中，我们深入钻研相关领域的文献资料和技术手册，不断调试和优化设计方案，这锻炼了我们解决实际问题的能力和工程实践经验。其次，参加比赛不仅要求我们有扎实的专业素养，还需要具备良好的团队合作和沟通能力。我们团队成员在整个项目中密切合作，充分发挥各自的优势和专长。我们通过有效的分工和协作，相互帮助和支持，共同面对挑战并找到解决问题的最佳方法。团队合作的经验让我认识到了团结合作的力量，也让我更加重视与他人的交流与合作。 最重要的是，参加比赛让我直面竞争压力和不断追求的动力。这次比赛中，我们与其他优秀的队伍竞争，不断比较、学习和完善自己的设计。竞争的压力激发了我们的潜力和创新思维，促使我们不断进步和超越自我。从与其他团队的交流中，我获取了很多前沿技术和创新思路的启发，这对我的个人和专业发展非常有益.总结起来，参加研究生电子设计大赛国赛并获得三等奖是一次难得的机会和宝贵的经验。通过这次比赛，我不仅提高了专业水平，也锻炼了团队合作和沟通能力。我相信这些经历将对我未来的学习和职业发展产生积极的影响，让我更加有信心和决心在电子设计领域取得更好的成就。

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