小口徑管道的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)★

段成功，高松巍

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

脈沖渦流檢測技術(shù)是渦流無損檢測技術(shù)的一個(gè)分支，以其平均功率小、瞬時(shí)功率大、穿透深度大和信息量豐富等優(yōu)勢擁有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在檢測金屬裂紋和腐蝕方面表現(xiàn)尤為突出[1-3]。遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)又不同于常規(guī)渦流檢測技術(shù)，將低頻脈沖信號(hào)加到激勵(lì)線圈上，在遠(yuǎn)場區(qū)的檢測線圈會(huì)收到兩次穿越管壁、攜帶管壁信息的檢測信號(hào)。遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)對(duì)管道內(nèi)外的缺陷具有相同的檢測靈敏度，可以通過檢測信號(hào)的幅值和相位來分析管壁減薄程度。本文中通過各硬件部分的搭建，制作完成了信號(hào)發(fā)生、放大及檢測環(huán)節(jié)的工作，同時(shí)基于LabVIEW平臺(tái)功能，使用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢測信號(hào)的優(yōu)化處理，具體包括軟件濾波、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及顯示等。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)場區(qū)的檢測信號(hào)表現(xiàn)比較敏感，在缺陷處數(shù)據(jù)的變化尤其十分明顯，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)比計(jì)算可以推算出管壁壁厚缺失的大小情況。

1 脈沖遠(yuǎn)場渦流的檢測原理

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)是一種新興的無損檢測技術(shù)。它既保持了常規(guī)渦流檢測的一些優(yōu)點(diǎn)，又具有平均功率小、瞬時(shí)功率大、穿透深度大和信息量豐富等獨(dú)特的優(yōu)勢。當(dāng)激勵(lì)線圈上有脈沖激勵(lì)信號(hào)時(shí)，管道內(nèi)產(chǎn)生的磁場能量會(huì)沿著兩條不同的路徑進(jìn)行傳遞（如圖1所示）：1）沿著管道中心軸向的方向，隨著與激勵(lì)線圈距離的增大，呈指數(shù)衰減地直接傳遞；2）兩次穿過管壁的間接傳遞。

圖1 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理圖

當(dāng)檢測線圈與激勵(lì)線圈之間的距離小于2倍管內(nèi)徑時(shí)，直接傳遞的能量會(huì)明顯地多于間接傳遞的能量，該區(qū)域被稱為近場區(qū)；當(dāng)檢測線圈與激勵(lì)線圈之間的距離為2～3倍管內(nèi)徑時(shí)，直接傳遞的能量與間接傳遞的能量互有影響，該區(qū)域被稱為過渡區(qū)；當(dāng)檢測線圈與激勵(lì)線圈之間的距離大于3倍管內(nèi)徑時(shí)，間接傳遞的能量會(huì)明顯地多于直接傳遞的能量，該區(qū)域被稱為遠(yuǎn)場區(qū)[4]。

在遠(yuǎn)場區(qū)，占主導(dǎo)地位的間接傳遞能量由激勵(lì)線圈發(fā)出，兩次經(jīng)過管壁，包含著管壁的詳細(xì)信息，利用檢測線圈來接收檢測信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理計(jì)算即可得到關(guān)于管壁厚度的變化情況，這也是脈沖遠(yuǎn)場渦流在遠(yuǎn)場區(qū)檢測的最根本的依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

利用DDS技術(shù)產(chǎn)生低頻脈沖信號(hào)經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)后送入激勵(lì)線圈作為激勵(lì)信號(hào)，檢測線圈接收檢測信號(hào)，放大后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集及處理，將信號(hào)送入到上位機(jī)中，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示，即得到了關(guān)于缺陷的有關(guān)信息（如圖2所示）。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)發(fā)生及功率放大環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)中，利用DDS技術(shù)，由單片機(jī)控制，使用AD 9850芯片模塊產(chǎn)生頻率為25 Hz、占空比20%的方波激勵(lì)信號(hào)。DDS技術(shù)有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號(hào)純度高和相位可控等優(yōu)點(diǎn)，這可以保證實(shí)驗(yàn)中信號(hào)的高純度。

功率放大環(huán)節(jié)使用放大芯片OPA 548進(jìn)行搭建（如圖3所示），該芯片是低功耗、高電壓和大電流運(yùn)算放大器，可以驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。芯片可以使用單電源供電，也可以雙電源供電，這就為電路設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。芯片內(nèi)部集成了保護(hù)電路，用來防止芯片過熱和電流過載情況下的損害。

圖3 功率放大電路

2.2.2 探頭傳感器結(jié)構(gòu)

利用ANSYS軟件對(duì)探頭傳感器在管道中的工作環(huán)境進(jìn)行模擬，依據(jù)模擬仿真參數(shù)，確定探頭傳感器的結(jié)構(gòu)。探頭傳感器由激勵(lì)線圈和檢測線圈兩部分構(gòu)成。激勵(lì)線圈和檢測線圈都采用直徑0.27 mm的漆包線，采用雙線并繞的方式進(jìn)行制作。激勵(lì)線圈的匝數(shù)選為500，檢測線圈的匝數(shù)選為1500，兩線圈的外徑均為78 mm，并將兩部分線圈用同一連接桿固定，同時(shí)將激勵(lì)線圈與檢測線圈之間的距離調(diào)整為3倍管道內(nèi)徑。因?yàn)樘筋^傳感器需在管道內(nèi)部完成檢測工作，會(huì)存在很多干擾因素，可以考慮在兩線圈之間加入金屬外殼等措施來去除外界干擾。

2.2.3 信號(hào)放大環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

圖4 信號(hào)放大電路

檢測線圈接收到的檢測信號(hào)十分微弱，需加入信號(hào)放大環(huán)節(jié)。信號(hào)放大環(huán)節(jié)以AD 620芯片為核心進(jìn)行搭建（如圖4所示），采用兩級(jí)放大方式實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的放大[5]。第一級(jí)放大倍數(shù)選擇10倍，同時(shí)采用差分輸入方式來去除共模干擾；第二級(jí)作為主運(yùn)放其放大倍數(shù)選擇30倍，達(dá)到理想放大的目的。具體放大倍數(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)整兩個(gè)滑動(dòng)變阻器R 1、R 2的值來完成的。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在LabVIEW平臺(tái)上完成軟件程序的編寫，系統(tǒng)總體采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)編寫，具體包含軟件濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示等功能（如圖5所示），同時(shí)設(shè)計(jì)了前端顯示界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)很好地利用了虛擬儀器平臺(tái)可以將控制信息集中于軟件模塊中的優(yōu)勢，針對(duì)不同的需求將不同的功能模塊加以組合編輯，構(gòu)成各種功能儀器，既而減小對(duì)硬件的依賴性，同時(shí)又不必受限于某些儀器廠商提供的特定功能的限制。

2.3.1 軟件濾波

檢測信號(hào)經(jīng)前端放大后仍然存在很多干擾，會(huì)對(duì)后續(xù)分析造成一定的影響，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要加入濾波環(huán)節(jié)來去除干擾。LabVIEW平臺(tái)自帶濾波器VI模塊，圖形化信號(hào)處理包含小波變換、時(shí)頻分析、圖像處理、濾波器設(shè)計(jì)、聲音與振動(dòng)、系統(tǒng)辨識(shí)和RF分析等各種專業(yè)工具包，同時(shí)兼容.m文件等數(shù)學(xué)腳本語言與函數(shù)接口，可與硬件無縫地結(jié)合，使算法得到快速的驗(yàn)證與部署。

圖5 軟件系統(tǒng)總體框圖

程序選用的是巴特沃斯（Butterworth）濾波器，巴特沃斯濾波器擁有平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下調(diào)，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零，過濾帶的陡峭程度正比于濾波器階數(shù)，因此通過提高濾波階數(shù)可以明顯地改善濾波效果，用戶還可以根據(jù)實(shí)際的濾波要求來選擇低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等不同的濾波方式以達(dá)到理想的濾波效果[6]。

根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選擇低通濾波，濾波器階數(shù)為3階，截止頻率設(shè)置為50 Hz。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)

使用研華PCI-1716 L高分辨率數(shù)據(jù)采集卡，通過USB總線將數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)內(nèi)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示。

因?yàn)闄z測通道只有一路，可以使用數(shù)據(jù)采集卡的第0通道來采集數(shù)據(jù)。采集卡將采集到的數(shù)據(jù)首先保存到板載的FIFO中，但該FIFO的存儲(chǔ)大小有限，所以要選擇合理的讀取點(diǎn)數(shù)，及時(shí)地將FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀取出來，以防止FIFO中的數(shù)據(jù)被新寫入的數(shù)據(jù)所替換掉，導(dǎo)致丟點(diǎn)等后果（如圖6所示）。檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)以TDMS文件格式保存，可由Excel打開。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3.3 報(bào)警系統(tǒng)

設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。若系統(tǒng)運(yùn)行中遇到問題，則將在報(bào)警顯示欄中顯示錯(cuò)誤，方便及時(shí)處理。根據(jù)脈沖激勵(lì)在截止一段時(shí)間內(nèi)檢測線圈上仍然有電壓信號(hào)輸出的特點(diǎn)，并且電壓的時(shí)域波形在上升沿和下降沿都會(huì)有十分明顯的變化，這樣可以對(duì)輸出電壓信號(hào)設(shè)置一基準(zhǔn)閾值，判定是否超過閾值來對(duì)缺陷做出判斷。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)管道試件規(guī)格為外徑86 mm，內(nèi)徑80 mm。在管道周向上有人為制作的兩處不同的深度缺陷，深度分別為 1 mm和 1.5 mm（如圖7所示）。

圖7 試驗(yàn)管道剖面圖

系統(tǒng)在檢測時(shí)會(huì)自動(dòng)地采集相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在Excel表格中，同時(shí)將采集結(jié)果在前面板界面中顯示（如圖8所示）。系統(tǒng)前面板中包含了數(shù)據(jù)采集功能的開始、停止按鍵，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能按鍵，采樣頻率的設(shè)置欄，以及報(bào)警等相關(guān)功能按鍵。系統(tǒng)檢測時(shí)設(shè)置的采集頻率為1000 Hz/s。

圖8 系統(tǒng)檢測結(jié)果圖

通過讀取存在Excel中的檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)經(jīng)過無傷處時(shí)，數(shù)據(jù)總體平穩(wěn)，峰值電壓約為0.34 V，過零時(shí)間約為15.61 ms；經(jīng)過缺陷處時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生明顯的改變，變化劇烈處分別出現(xiàn)在第1010～1160這150個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及第6430～6570這150個(gè)點(diǎn)兩處。通過Excel圖表化處理而形成直觀顯示圖（如圖9所示）。

通過對(duì)圖9（a）中的數(shù)據(jù)計(jì)算而得出檢測系統(tǒng)通過此處缺陷時(shí)的峰值電壓約為0.43 V，過零時(shí)間約為15.36 ms；通過對(duì)圖9（b）中的數(shù)據(jù)計(jì)算而得出檢測系統(tǒng)通過此處缺陷時(shí)峰值電壓約為0.49 V，過零時(shí)間約為15.16 ms。

圖9 不同缺陷處的數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

檢測系統(tǒng)經(jīng)過缺陷處時(shí)峰值電壓與過零時(shí)間發(fā)生明顯的變化，且對(duì)數(shù)據(jù)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化幅度與缺陷深度間存在一定的關(guān)系，據(jù)此可以推算出管道上某處壁厚的實(shí)際減薄程度。

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