基于數(shù)字信號(hào)處理的核反應(yīng)堆壓力容器鋼輻照脆化的巴克豪森噪聲檢測(cè)儀

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.蘇州熱工研究院，蘇州 215004；3.山東長(zhǎng)城計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司，煙臺(tái) 264000)

反應(yīng)堆壓力容器(RPV)具有固定的包容堆芯，可提供密封工作環(huán)境和防止放射性物質(zhì)泄漏等作用，其安全運(yùn)行壽命決定了核電站的服役壽命及經(jīng)濟(jì)性[1]。由于核電站在服役期間長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高輻射等惡劣環(huán)境下，RPV鋼容易產(chǎn)生輻照損傷性能劣化，快中子輻照是導(dǎo)致脆斷失效的最主要因素[2]。因此，研究RPV鋼輻照脆化的情況，可以保證RPV鋼延壽運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

2007年MILLER[2]利用原子探針斷層析掃描(APT)和中子小角散射(SANS)表征了RPV鋼的微觀結(jié)構(gòu)；2011年上海大學(xué)材料研究所利用原子探針層析技術(shù)分析了時(shí)效模擬的RPV鋼材料，證實(shí)了Ni會(huì)增加RPV鋼中子輻照脆化敏感特性；2017年蘇州熱工院錢(qián)王潔[4]利用巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)得到了不同熱老化程度下Fe-Cu合金的巴克豪森噪聲(MBN)信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)MBN信號(hào)與維氏硬度存在線性關(guān)系。綜上，MBN信號(hào)對(duì)于RPV鋼材料的輻照脆化研究具有可行性。

國(guó)外已有多種成熟的MBN儀器銷(xiāo)售，廣泛使用的有芬蘭Stresstech公司和德國(guó)Fraunhofer無(wú)損檢測(cè)研究所的MBN儀器，可進(jìn)行特定功能的信號(hào)檢測(cè)，但是價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)目前幾乎沒(méi)有商業(yè)化的MBN檢測(cè)儀器，上海交通大學(xué)和南京航空航天大學(xué)近年來(lái)對(duì)MBN現(xiàn)象進(jìn)行研究，搭建了用于試驗(yàn)研究的MBN檢測(cè)系統(tǒng)，并初步制備了相關(guān)檢測(cè)儀器。但是，國(guó)內(nèi)外已有的MBN系統(tǒng)或儀器滿(mǎn)足不了RPV鋼輻照脆化方面的研究。

基于磁巴克豪森信號(hào)機(jī)理，并針對(duì)RPV鋼試樣尺寸小及材料力學(xué)特性，筆者設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)RPV鋼輻照脆化的MBN傳感器；結(jié)合MBN檢測(cè)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，利用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)，完成了便攜式MBN檢測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)。結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)的小型化巴克豪森信號(hào)檢測(cè)儀器有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

1 便攜式RPV鋼輻照脆化巴克豪森噪聲檢測(cè)儀

在交變磁場(chǎng)的作用下，對(duì)外本不顯磁性的鐵磁性材料內(nèi)部磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁壁移位，即被磁化，而材料表面的傳感器會(huì)接收到一定功率頻譜分布的微弱電信號(hào)，即巴克豪森噪聲信號(hào)[5]。MBN信號(hào)對(duì)輻照脆化后的RPV鋼內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化具有很強(qiáng)的感知性，其檢測(cè)尺寸大小可達(dá)10-6m，能檢測(cè)到中子輻照產(chǎn)生的缺陷尺寸[6]?；贛BN信號(hào)的RPV輻照脆化檢測(cè)技術(shù)是一種切實(shí)可行且可以保留材料完整性的無(wú)損檢測(cè)方法，不僅便于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，還可以為RPV鋼延壽運(yùn)行的監(jiān)督分析提供可靠依據(jù)。

圖1 便攜式RPV輻照脆化檢測(cè)儀原理框圖

儀器采用的傳感器由U型磁化器、激勵(lì)線圈和接收線圈3部分組成。磁化器為錳鋅鐵素體U型磁軛，與被檢測(cè)試塊形成一個(gè)通路，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)通過(guò)激勵(lì)線圈時(shí)，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，會(huì)形成一個(gè)磁通路，以產(chǎn)生mV級(jí)微弱巴克豪森信號(hào)。激勵(lì)線圈選用0.21 mm 漆包電感線繞在U型磁軛上，可以產(chǎn)生激勵(lì)電壓16×sin(2×π×10×t) V。接收器選取4.7 MHz的電感線圈，其材料也為錳鋅鐵氧體，可以減少高頻信號(hào)損失。

儀器采用的處理器選取TI公司的TMS320F28335型號(hào)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)開(kāi)發(fā)板，該處理器具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)運(yùn)算單元，12位信號(hào)發(fā)生模塊和12位信號(hào)采集模塊。其功耗小，功能多，控制能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快且便于開(kāi)發(fā)，能滿(mǎn)足便攜式巴克豪森檢測(cè)儀的處理器要求。

儀器內(nèi)置功率放大器，用來(lái)對(duì)DSP產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，使其滿(mǎn)足傳感器激勵(lì)所需能量的要求；內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路用來(lái)對(duì)采集到的微弱巴克豪森信號(hào)進(jìn)行高通濾波及信號(hào)放大，使其便于采集與分析。

儀器前面板的顯示模塊選取分辨率為400X240的液晶顯示屏，根據(jù)串行通信協(xié)議(SCI)與DSP進(jìn)行SCI數(shù)據(jù)通訊，用于實(shí)時(shí)顯示濾波后的波形及提取的特征值。

2 儀器DSP處理器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

2.1 開(kāi)發(fā)工具及軟件總體設(shè)計(jì)

CCS(全稱(chēng)Code Composer Studio)是TI公司官方提供的DSP處理器開(kāi)發(fā)工具，其以ECLIPSE軟件框架為基礎(chǔ)，結(jié)合了TI先進(jìn)的調(diào)試功能，給開(kāi)發(fā)人員提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

軟件運(yùn)行的總體流程圖如圖2所示(FIR濾波為有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)濾波)，其中系統(tǒng)初始化包括通用輸入輸出引腳(GPIO)寄存器的初始化，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)寄存器的初始化，中斷寄存器的初始化及數(shù)據(jù)通信模塊的初始化。

圖2 軟件運(yùn)行的整體流程圖

2.2 激勵(lì)信號(hào)的發(fā)生

模擬正弦波的表達(dá)式為

從圖4接收信號(hào)相關(guān)后的頻譜可以看出其中包括一次諧波和二次諧波的和頻和差頻,以及對(duì)應(yīng)的倍頻分量等高頻信號(hào),以及去調(diào)制后的低頻信號(hào)[9];本文對(duì)相關(guān)處理后的信號(hào)設(shè)計(jì)了低通濾波器以濾除高頻分量,考慮FPGA的資源限制,設(shè)計(jì)了一個(gè)32階的FIR低通濾波器,截止頻率設(shè)計(jì)為10 Hz[10];根據(jù)設(shè)計(jì)原理將低通濾波后的信號(hào)進(jìn)行平方和開(kāi)根號(hào)處理后,可得提取的一次諧波和二次諧波信號(hào)[11],如圖5(a)、圖5(b)所示。

x(t)=sin(2πFt+θ)

(1)

以固定的時(shí)間間隔對(duì)x(t)進(jìn)行采樣得到

x(n)=sin(2πfn+θ),

(f=F/Fs,n=0,1,2,…)

(2)

式中：θ為初始相位；F為模擬頻率；Fs為采樣頻率。

x(n)值為每個(gè)采樣間隔的正弦值，在程序中構(gòu)造正弦函數(shù)表，利用查表法得到正弦值，結(jié)合DAC7724信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生和輸出規(guī)定幅值和頻率的正弦波。DAC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)查表程序放在中斷服務(wù)程序中，正弦函數(shù)表取sinx一個(gè)周期400個(gè)值。試驗(yàn)需要產(chǎn)生一個(gè)4 Hz ，500 mV的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)。

(3)

式中：VOUT為模擬輸出信號(hào)；VREFL，VREFH為參考電壓，轉(zhuǎn)換精度為12位；N為輸入的數(shù)字量。

設(shè)置幅值系數(shù)為310，即可得到幅值為500 mV的正弦信號(hào)(見(jiàn)圖3)。

圖3 產(chǎn)生500 mV,4 Hz正弦波的波形

2.3 MBN信號(hào)采集

DSP開(kāi)發(fā)板內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集模塊，采樣幅值范圍為03.3 V，分辨率為8 mV。在使能ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘后，賦值A(chǔ)D寄存器來(lái)設(shè)置采樣模式，分別設(shè)置AD采樣頻率為8.3 MHz，采樣通道為A0，選取自動(dòng)啟動(dòng)、連續(xù)采樣模式。由于采樣頻率較信號(hào)頻率高，所以可以進(jìn)行5次采樣取平均值來(lái)優(yōu)化信號(hào)值。采樣結(jié)果放在RESULT0寄存器中，再依次提取信號(hào)值，進(jìn)行信號(hào)處理與分析。

AD采樣流程及采樣結(jié)果如圖4,5所示。

圖4 AD采樣流程

圖5 AD采樣結(jié)果

得到的采樣結(jié)果即巴克豪森信號(hào)原始數(shù)據(jù)，可以看到信號(hào)中仍存在微弱的噪聲，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波處理與提取特征值。

2.4 信號(hào)濾波

可以利用DSP處理器軟件濾波來(lái)進(jìn)一步改善信號(hào)，經(jīng)過(guò)頻域快速傅里葉變換(FFT)不難發(fā)現(xiàn)，信號(hào)主要集中在3 kHz15 kHz頻段，可以設(shè)計(jì)使用FIR濾波器進(jìn)行帶通濾波，濾波后的頻域圖和時(shí)域圖如圖6所示。

圖6 DSP濾波后的巴克豪森信號(hào)時(shí)頻域波形

濾波后的信號(hào)相對(duì)原始信號(hào)更加集中，少毛刺，信號(hào)均方根和峰峰值更趨于穩(wěn)定，有利于試驗(yàn)結(jié)果的分析。

2.5 特征值計(jì)算

一般提取MBN 信號(hào)特征值來(lái)表征材料微觀結(jié)構(gòu)的變化[7]。常見(jiàn)提取MBN信號(hào)的特征值主要有均方根(RMS)、峰峰值(Vpp)、半高寬(Wc)、包絡(luò)面積等。

2.5.1 均方根計(jì)算方法

均方根是以數(shù)學(xué)方法表示信號(hào)的有效值，在交流信號(hào)或者隨機(jī)信號(hào)上應(yīng)用普遍。所以，可以用巴克豪森信號(hào)的均方根表示鐵磁性材料在交變磁場(chǎng)下的信息。均方根也是目前已有的研究中最通用、最有效的巴克豪森信號(hào)特征值。

均方根計(jì)算公式為

(4)

式中：vi為每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣值；i為單個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)；n為采樣總數(shù)。

2.5.2 峰峰值和半高寬

研究表明，不同材料的硬度、晶粒度等力學(xué)性能指標(biāo)的不同會(huì)導(dǎo)致巴克豪森信號(hào)包絡(luò)的高度和寬度不同,用峰峰值反映信號(hào)包絡(luò)的幅值信息。峰峰值指信號(hào)最大正值與最大負(fù)值的差的絕對(duì)值，表征信號(hào)高度的變化，計(jì)算公式為

Vpp=|Vmax-Vmin|

(5)

式中：Vmax為最大采樣值;Vmin為最小采樣值。

包絡(luò)半寬度與包絡(luò)面積示意如圖7所示，用半高寬反映信號(hào)包絡(luò)的寬度信息。半高寬指的就是在信號(hào)幅值只有峰值一半時(shí)，信號(hào)的寬度。

圖7 包絡(luò)半寬度與包絡(luò)面積示意

2.5.3 包絡(luò)面積

包絡(luò)面積的求法類(lèi)似于求函數(shù)積分，將包絡(luò)分成若干個(gè)小矩形并求和。包絡(luò)面積可以反映巴克豪森信號(hào)的能量大小。

MBN信號(hào)特征值往往與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及輻照脆化程度[8]息息相關(guān)。包絡(luò)線幅值變化對(duì)應(yīng)材料磁滯回線斜率的變化，半高寬與磁滯回線矯頑力隨應(yīng)力變化趨勢(shì)一致,均方根更能反映材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化,所以可以根據(jù)MBN信號(hào)與材料力學(xué)性能指標(biāo)建立關(guān)系，從而表征RPV輻照下的脆化狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以熱時(shí)效處理過(guò)的尺寸為15 mm×15 mm×1 mm (長(zhǎng)X寬X高)的RPV鋼試樣為例進(jìn)行MBN檢測(cè)試驗(yàn)。

MBN信號(hào)波形及特征值如圖8所示，該MBN信號(hào)的峰峰值(最大值)數(shù)字量為216，則對(duì)應(yīng)模擬量為2.97 V；均方根(有效值)數(shù)值為39，對(duì)應(yīng)模擬量為0.76 V。半高寬和包絡(luò)面積所對(duì)應(yīng)的模擬量同理可得。

圖8 MBN信號(hào)波形及特征值

以均方根作為特征值，分析不同質(zhì)子輻照劑量下試塊MBN信號(hào)的規(guī)律，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 質(zhì)子輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)(以均方根為特征值) V

MBN均方根隨輻照劑量的變化曲線如圖9所示。

圖9 MBN均方根隨輻照劑量的變化曲線

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著輻照劑量的增加，檢測(cè)到的MBN信號(hào)均方根呈下降趨勢(shì)，與其他文獻(xiàn)結(jié)果吻合[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)巴克豪森噪聲信號(hào)機(jī)理，研制了一套基于DSP的便攜式RPV鋼輻照脆化檢測(cè)儀，該儀器包括MBN傳感模塊、信號(hào)處理與調(diào)理模塊，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的激勵(lì)與采集、處理與顯示的功能。通過(guò)選取均方根為特征值進(jìn)行試驗(yàn)，建立了MBN信號(hào)均方根與材料質(zhì)子輻照劑量的關(guān)系。

所開(kāi)發(fā)的儀器是針對(duì)RPV鋼輻照脆化檢測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了其他檢測(cè)儀器滿(mǎn)足不了的特定檢測(cè)功能。利用磁巴克豪森噪聲原理對(duì)RPV鋼輻照脆化的在線檢測(cè)在工程上將有廣泛的應(yīng)用前景。