電磁導(dǎo)波與脈沖渦流檢測(cè)儀

劉瑞慶 ，李大偉， 吳朝來(lái)，葛宜元

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司專(zhuān)用設(shè)備中心，河南洛陽(yáng) 471009；2.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

0 引言

在管道無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中，電磁導(dǎo)波方法應(yīng)用廣泛，但實(shí)際使用過(guò)程中，受系統(tǒng)設(shè)計(jì)、導(dǎo)波傳播方式限制[1]，電磁導(dǎo)波的回波信號(hào)不能提取完整的管道損傷特征。為建立完善的管道檢測(cè)機(jī)制，采用導(dǎo)波和脈沖渦流結(jié)合的方法全面識(shí)別管道損傷。

1 電磁導(dǎo)波與脈沖渦流檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

電磁導(dǎo)波檢測(cè)原理是利用電磁發(fā)射，通過(guò)電磁發(fā)射和接收信號(hào)的對(duì)比確定管道狀態(tài)，但由于發(fā)射信號(hào)近距離傳輸時(shí)容易受傳播路徑和干擾信號(hào)影響，檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，近距離時(shí)用短距離檢測(cè)更加準(zhǔn)確的脈沖渦流方法[2]。電磁導(dǎo)波和脈沖渦流檢測(cè)方案如圖1所示，在整體系統(tǒng)中電磁導(dǎo)波發(fā)射模塊和脈沖渦流發(fā)射模塊共用一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，同理兩種接收模塊共用一個(gè)接收系統(tǒng)，兩種檢測(cè)方法可以共用一套硬件電路。發(fā)射電路包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大電路等[3]，導(dǎo)波和渦流信號(hào)穿過(guò)被測(cè)物體后進(jìn)入接收系統(tǒng)，軟件分析程序得出管道內(nèi)的完整特征信號(hào)。

圖1 電磁導(dǎo)波和脈沖渦流檢測(cè)方案

2 檢測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)

2.1 信號(hào)發(fā)生器

根據(jù)管道材料、直徑、彎曲率等外界條件設(shè)置發(fā)射系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器可以發(fā)出正弦波、三角波、脈沖等多種信號(hào)，并且可以自主調(diào)節(jié)信號(hào)頻率、幅值、占空比等特征[4]。具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)發(fā)生電路

AD9837是低功耗DDS器件，能夠產(chǎn)生高性能的正弦波和三角形波，芯片內(nèi)部具有一個(gè)比較器，允許通過(guò)MCLK時(shí)鐘引腳產(chǎn)生方波。采用串行控制方式產(chǎn)生信號(hào)，在電源引腳VDD和校準(zhǔn)引腳COMP之間連接一個(gè)0.01 μF的電容C334，芯片CAP引腳處連接10 μF電容C331和0.1 μF電容C332。

2.2 功率放大電路

傳感器靈敏低等問(wèn)題對(duì)探測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差，在檢測(cè)遠(yuǎn)距離部位時(shí)感應(yīng)電流非常微弱。為提高導(dǎo)波和渦流發(fā)射模塊覆蓋范圍，在探頭前端加入功率放大電路，可以解決探測(cè)區(qū)域小、感應(yīng)電流微弱等問(wèn)題[5]，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大校正后可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。整體電路如圖3所示，使用2個(gè)NPN管和1個(gè)運(yùn)算放大器

圖3 功率放大電路

作為電流放大核心電路，運(yùn)算放大器AD811AN電路起到放大信號(hào)的作用，利用Q8和Q92個(gè)三極管可以實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的功率放大。

3 檢測(cè)儀接收系統(tǒng)

3.1 接收方案

對(duì)于任何一個(gè)接收系統(tǒng)，信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之前都要進(jìn)行預(yù)處理[6]，需要調(diào)制出滿足系統(tǒng)需要的輸入信號(hào)，電磁導(dǎo)波傳感器和脈沖渦流傳感器輸出的信號(hào)需要放大，且不會(huì)出現(xiàn)明顯滯后，具體接收方案如圖4所示。信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大電路后才能進(jìn)入A/D采集電路，為避免混疊效應(yīng)設(shè)計(jì)了濾波電路，為提高輸入信號(hào)信噪比設(shè)計(jì)了增益可調(diào)的放大電路[7]，在連接到A/D電路之間設(shè)計(jì)了阻抗匹配和差分輸出電路。信號(hào)讀入系統(tǒng)后還要依靠軟件分析系統(tǒng)，程序?qū)Ρ劝l(fā)射和接收信號(hào)并得出檢測(cè)結(jié)果。

圖4 接收系統(tǒng)方案

3.2 信號(hào)放大電路

為了限制噪聲帶寬并避免混疊，采用低噪聲JFET運(yùn)算放大器AD8510濾波，電壓噪聲密度為8 nV/Hz。具體設(shè)計(jì)如圖5所示，輸入部分顯示電路配置為2極點(diǎn)的Sallen-Key濾波器，轉(zhuǎn)折頻率為460 Hz，該濾波器僅允許目標(biāo)頻率通過(guò)，從而防止ADC采集混疊頻率信號(hào)。AD8421的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)20 kΩ電阻R347、R341組成的分壓器[8]，以便該信號(hào)能縮放至ADC輸入范圍，使用此分壓器以及配置為單位增益的放大器，濾波器電路的總增益為0.5。AD8475是一款差分ADC驅(qū)動(dòng)器，配置增益為0.4，如圖5最右側(cè)所示，它可執(zhí)行單端至差分的轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供REF引腳，允許用戶將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC的最佳電平。本電路中輸出共模電平是ADC的一半基準(zhǔn)電壓，可以確保輸入ADC的信號(hào)具有最大動(dòng)態(tài)范圍[9]?？紤]到上一級(jí)的增益，則信號(hào)調(diào)理電路的輸出增益為0.2，在衰減系數(shù)下，當(dāng)ADC使用2.5 V基準(zhǔn)電壓時(shí)，可獲得 ±10 V可用輸入范圍。

圖5 信號(hào)放大電路

3.3 軟件分析程序

硬件電路接收到發(fā)射信號(hào)后，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)軟件系統(tǒng)，具體方法調(diào)用程序如圖6所示。軟件首先進(jìn)入復(fù)合系統(tǒng)，主要目的是判斷信號(hào)類(lèi)型[10]，根據(jù)用戶設(shè)置的控制命令接收和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷完成后進(jìn)入電磁導(dǎo)波或脈沖渦流模式，根據(jù)模式程序狀態(tài)和接收的命令對(duì)比數(shù)據(jù)，通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)波形對(duì)比，判斷管體的故障類(lèi)型和嚴(yán)重程度。

圖6 檢測(cè)方法程序

4 檢測(cè)儀性能測(cè)試

在管道側(cè)安裝檢測(cè)儀，在不同距離分別設(shè)置不同管道凹槽，具體檢測(cè)方案如圖7所示，分別設(shè)置脈沖渦流檢測(cè)模式和電磁導(dǎo)波檢測(cè)模式[11]，在5、100、200 m設(shè)置缺陷故障，對(duì)比兩種檢測(cè)結(jié)果分析檢測(cè)儀的整體性能。

圖7 管體檢測(cè)方案

4.1 脈沖渦流實(shí)驗(yàn)

設(shè)置檢測(cè)系統(tǒng)為脈沖渦流檢測(cè)模式，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，在近距離5 m處的管道故障可以被檢測(cè)出來(lái)，但對(duì)中遠(yuǎn)距離缺陷，脈沖渦流方法是沒(méi)有效果的[12]，檢測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的有效性，在近距離管道檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)儀可以進(jìn)行缺陷識(shí)別并定量評(píng)定。

圖8 脈沖渦流檢測(cè)結(jié)果

4.2 電磁導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)

設(shè)置檢測(cè)系統(tǒng)為電磁導(dǎo)波檢測(cè)模式，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，在遠(yuǎn)距離100 m和200 m處的管道故障可以被檢測(cè)出來(lái)，但對(duì)近距離缺陷，脈沖渦流方法是沒(méi)有效果的，電磁導(dǎo)波信號(hào)經(jīng)過(guò)多種噪聲影響后仍然可以檢測(cè)出管道缺陷。隨著距離增加，接收信號(hào)幅值會(huì)出現(xiàn)衰減，但是檢測(cè)距離至少可以達(dá)到200 m。

圖9 電磁導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

為建立完整的管道檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種電磁導(dǎo)波與脈沖渦流檢測(cè)儀，通過(guò)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)搭建整體檢測(cè)儀。在管道中5、100、200 m設(shè)置缺陷來(lái)分析系統(tǒng)性能，結(jié)果表明系統(tǒng)均能將上述缺陷檢測(cè)出來(lái)，有效檢測(cè)距離可以達(dá)到200 m，且故障特征信號(hào)幅值最小為0.5 V。