基于STM32F1的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)

馬文家

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130000）

0 引言

目前，漏磁無損檢測已被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)當(dāng)中，鋼絲繩無損檢測方法就是采用漏磁檢測技術(shù)獲得可靠的檢測效果[1]。在傳統(tǒng)的漏磁檢測中，早期的DC交變激勵(lì)磁化方式已經(jīng)基本淘汰，被普遍使用的磁化方法主要包括線圈電磁磁化方法和稀土材料永磁鐵磁化方法[2]；而其檢測傳感器多采用感應(yīng)線圈、磁通門和霍爾元件來檢測漏磁場。

中國直到20世紀(jì)60年代才開始相關(guān)研究。20世紀(jì)80年代，撫順煤礦分院與哈工大合作開發(fā)了中國首臺(tái)LMA和LF復(fù)合檢測的GST鋼絲繩探傷儀；華中科技大學(xué)以楊叔子、康宜華以及武新軍為代表的無損檢測團(tuán)隊(duì)提出了等空間采樣技術(shù)理論，先后研發(fā)了GDJY-I和GDJY-Ⅱ型便攜式鋼絲繩無損檢測儀；其后續(xù)組員孫燕華等繼續(xù)深入開展了大量基礎(chǔ)研究及技術(shù)開發(fā)工作[3-7]。大多數(shù)鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)的集成化程度相當(dāng)有限，在測試現(xiàn)場操作復(fù)雜，對操作人員的技術(shù)水平要求較高，這就增加了整套設(shè)備的復(fù)雜性。同時(shí)，大部分測試現(xiàn)場的環(huán)境工況惡劣、操作空間不大，并沒有針對檢測裝置有相應(yīng)的空間設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)一套便攜式鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)十分必要。

1 鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)方案

基于上述背景設(shè)計(jì)了一套基于STM32f1的鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)，主要包括鋼絲繩缺陷檢測探頭和基于STM32f1的下位機(jī)采集系統(tǒng)兩部分。

主要工作流程如下：檢測探頭將采集檢測信號傳入數(shù)據(jù)采集裝置后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體包括信號的濾波放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及打包發(fā)送，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)中，在上位機(jī)進(jìn)行解包并將數(shù)據(jù)分析對比，最終顯示檢測波形并可以根據(jù)輸入?yún)?shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選報(bào)警。

2 探頭設(shè)計(jì)

2.1 磁化器設(shè)計(jì)

典型磁軛式漏磁檢測原理如圖1所示。其通過永磁磁軛沿軸向?qū)Υ龣z測鋼絲繩進(jìn)行磁化，同時(shí)沿鋼絲繩軸向進(jìn)行勻速移動(dòng)。移動(dòng)過程中，磁敏感元件會(huì)對磁化段鋼絲繩部分漏磁場進(jìn)行捕捉，出現(xiàn)缺陷磁場會(huì)發(fā)生變化，這種變化被磁敏感元件捕捉，即為鋼絲繩缺陷信號。對于缺陷來說，外界磁場越強(qiáng)，則其漏磁場越大。因此，為了準(zhǔn)確檢驗(yàn)出鋼絲繩所存在的微小缺陷，通?；诖跑検铰┐艡z測原理的磁化器會(huì)采用體積較大的強(qiáng)磁體，以盡量增大磁化場強(qiáng)度，提高檢測精度，但這勢必會(huì)造成磁化器體積較大、外形笨重、操作不便的問題?；诖?，本文從磁化器的磁橋路進(jìn)行改進(jìn)。由于磁感線是封閉曲線，因此磁橋路中所引導(dǎo)的磁感線越多，也就意味著進(jìn)入待測鋼絲繩內(nèi)的磁感線越多，檢測到的缺陷信號越大。因此，本文采用開環(huán)式永磁鋼絲繩漏磁檢測探頭[8]，并將銜鐵材料選定為坡莫合金，其特點(diǎn)是在弱磁場中具有極強(qiáng)的導(dǎo)磁性，可以檢測到更微弱的缺陷信號，增加探測靈敏度。

圖1 磁軛式漏磁檢測原理圖

2.2 磁敏感元件選用

考慮到評價(jià)鋼絲繩損傷的兩大指標(biāo)，即截面積損傷（LMA）和斷絲（LF），探頭中磁敏感元件同時(shí)選用霍爾元件及貼片電感2種進(jìn)行檢測，以達(dá)到將損傷完全檢出的目的。鑒于霍爾元件和貼片電感的檢測范圍不足以覆蓋整個(gè)鋼絲繩周向，因此設(shè)計(jì)探頭時(shí)考慮多個(gè)磁敏元件周向環(huán)繞鋼絲繩進(jìn)行檢測。最終設(shè)計(jì)出的檢測探頭實(shí)物如圖2所示。

圖2 檢測探頭實(shí)物圖

3 數(shù)據(jù)采集下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)中，最核心的部分是微處理器，其選擇決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率、采集能力以及采集精度。針對設(shè)計(jì)探頭的缺陷采樣數(shù)據(jù)，下位機(jī)應(yīng)用在8～12位AD轉(zhuǎn)換信號比較合適，可以達(dá)到同時(shí)接收貼片電感和霍爾元件2種傳感器缺陷信號，不漏檢的同時(shí)又不造成性能浪費(fèi)。綜合成本、性能及功耗等特點(diǎn)，擬選取ARM架構(gòu)芯片為數(shù)據(jù)采集下位機(jī)核心處理器。

最終選擇數(shù)據(jù)采集板的芯片ARM架構(gòu)的STM32F103ZET6。選擇該芯片的原因在于其內(nèi)部自帶12位ADC轉(zhuǎn)換，無需外加ADC芯片即可實(shí)現(xiàn)滿足信號采集精度的AD轉(zhuǎn)換，功耗較低，適合在無外接電源情況下在野外作業(yè)使用；同時(shí)配合該芯片的112個(gè)通用IO口，可實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)采集處理數(shù)據(jù)，可達(dá)到將鋼絲繩周向無死角檢測的目的。

微處理器選擇好以后，還要選擇合理的上位機(jī)連接方式。本設(shè)備此處選擇為DM9000芯片，通過RJ232網(wǎng)絡(luò)接口通訊的方式與上位機(jī)進(jìn)行連接通信。其與STM32芯片的工作電壓相同，STM32與其相連接后可以以DMA方式直接讀寫，能夠大大提高信號對電腦的傳輸效率。

下位機(jī)采集模塊除這2個(gè)核心芯片以外，還包括1塊基準(zhǔn)為2.5 V的REF192精密帶隙基準(zhǔn)電壓源，其作用是作為STM32芯片比較輸入的檢測信號幅值大小的比較穩(wěn)定電壓源，另外還加入了用于報(bào)警的蜂鳴器模塊及指示工作狀態(tài)的LED模塊等，最終設(shè)計(jì)了如圖3所示的信號采集板。

圖3 信號采集電路圖

下位機(jī)中，除信號采集電路板外，還要合理設(shè)計(jì)放大電路板。其主要目的是將傳感器采集到的檢測工件信號進(jìn)行信號放大和濾波，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮到傳感器輸出信號的特點(diǎn)和采集電路的輸入特點(diǎn)，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

針對上述檢測探頭中常用貼片線圈及霍爾元件這2種傳感器的輸出信號特點(diǎn)，采集放大電路的放大倍數(shù)及濾波情況不可能完全一致。為兼顧到下位機(jī)采集模塊中信號放大電路設(shè)計(jì)的普適性，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能做到1塊電路板在電路稍作修改即可同時(shí)適用2種傳感器元件的放大，這樣可以在節(jié)約成本的同時(shí)，在采集時(shí)靈活布置霍爾元件及感應(yīng)線圈的通道數(shù)，以適應(yīng)不同的檢測情況。

對于放大電路中主要芯片的選擇，考慮到信號采集電路中STM32芯片ADC引腳輸入要求以及工作電壓，為了統(tǒng)一輸入電源幅值，設(shè)計(jì)時(shí)，該放大電路與采集電路同樣采用5 V電壓供電，運(yùn)算放大芯片采用TLC2262i二級軌對軌放大芯片。此處采用該芯片的優(yōu)點(diǎn)是可以工作在輸入或輸出范圍的極限值，避免出現(xiàn)丟失動(dòng)態(tài)范圍的情況，保證整套采集系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性。

檢測探頭中，貼片電感的信號通常量級在μV級別，而設(shè)計(jì)的采集板內(nèi)部STM32內(nèi)置僅僅為12位ADC轉(zhuǎn)換器，采集范圍為0～2.5 V，因此要調(diào)整一個(gè)較大的適合采集電路板的放大倍數(shù)。通過Multisim對采集到的鋼絲繩信號仿真模擬后，確定放大前后兩級倍數(shù)均為100倍，共計(jì)放大為100 100，即10 000倍時(shí)得到的信號信噪比比較好，此處電路采用反向放大并加入104電容進(jìn)行濾波。根據(jù)感應(yīng)線圈的工作原理，依據(jù)外界磁場變化方向的不同，其內(nèi)部感應(yīng)電壓可能為正也可能為負(fù)，而此處放大電路采用單電源供電，所以對于感應(yīng)線圈放大電路而言，需要將放大電路的放大形式設(shè)計(jì)為偏置放大，此處采用LM336穩(wěn)壓二極管將電壓降到輸入值Vcc/2的一半，即2.5 V作為感應(yīng)線圈的基準(zhǔn)電壓?？紤]到采集電路所選用的STM32芯片引腳閾值為2.5 V，因此在電路最后加入1∶1分壓電阻，最終電路在無信號時(shí)輸出為1.25 V，經(jīng)采集電路ADC轉(zhuǎn)換后恰好在中間基線位置，極大地避免出現(xiàn)基線偏移導(dǎo)致的信號丟失現(xiàn)象。

相對應(yīng)的，在不改變上述感應(yīng)線圈信號放大電路主體的基礎(chǔ)上，對霍爾元件信號進(jìn)行放大濾波電路的設(shè)計(jì)。考慮到整套系統(tǒng)電源選擇的一致性，此處霍爾元件的輸入電壓同樣選擇為5 V。本文中測試時(shí)所選用霍爾元件的具體型號為常用的A1302K，在無外加磁場時(shí)，霍爾元件的靜態(tài)輸出電壓為輸入電壓的一半，即2.5 V；考慮到極端情況下，其輸出范圍為0～5 V。下位機(jī)采集板中STM32芯片輸入引腳的閾值為2.5 V，超過則有燒毀芯片的危險(xiǎn)。因此，上文所述在放大電路最后端的1∶1分壓電阻同樣保留，則霍爾元件經(jīng)過放大板后，最大輸出恰好為2.5 V，在該芯片引腳所允許的范圍內(nèi)。對于霍爾元件，其相對于感應(yīng)線圈最大的不穩(wěn)定性在于受磁場變化很大且僅有1根電壓輸出信號。因其輸出信號幅值與感應(yīng)磁場直接相關(guān)，故在一級放大電路的設(shè)計(jì)與感應(yīng)線圈所設(shè)計(jì)的偏置放大設(shè)計(jì)不同。在第一級放大電路的負(fù)輸入處加入1個(gè)可調(diào)節(jié)輸入電壓范圍在0～5 V的電位器，通過該處電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來保證霍爾元件的檢測信號保持在基準(zhǔn)線附近，從而保證信號的采集。根據(jù)多次測量數(shù)據(jù)分析后，確定信號放大電路放大倍數(shù)在4.7倍左右時(shí)，即可保證信號的采集。因此，對于霍爾元件信號的放大，對應(yīng)運(yùn)放2262i來說，第一級放大保持比例為1即可，僅僅起到調(diào)整霍爾元件基線的作用，二級放大電路設(shè)計(jì)放大倍數(shù)4.7倍。進(jìn)一步根據(jù)霍爾元件的電壓輸出特性，其前級使用2個(gè)由于霍爾元件其輸出特性為直流交變，因此在電路中除去放大電路部分的所有非極性電容及前后兩放大級間的極性電容。

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)后，將2種元件放大電路進(jìn)行合并后得到如圖4所示的電路板。針對不同元件的放大濾波，僅需改變電路中的電阻及電容，即可達(dá)到2種元件放大通用的效果。

圖4 信號放大電路圖

工作流程為：系統(tǒng)上電后，STM32內(nèi)部時(shí)鐘啟動(dòng)，芯片按預(yù)編程序頻率對AD轉(zhuǎn)換對應(yīng)的端口進(jìn)行循環(huán)掃描，采集元件經(jīng)放大板放大濾波后的模擬信號值，對該值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，內(nèi)部判斷信號波動(dòng)大小是否超出預(yù)設(shè)門限閾值。超出則控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)無論是否超出，都會(huì)將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號以DMA方式傳輸?shù)紻M9000芯片中，DM9000將接收到的信號進(jìn)行打包后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)電腦中。

4 試驗(yàn)過程

最終得到一套基于STM32f1的鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)，如圖5所示。為了驗(yàn)證該套檢測系統(tǒng)的性能，以φ40 mm同捻鋼絲繩作為實(shí)驗(yàn)對象，如圖6所示。人為制作3處缺陷，分別為表面多根斷絲、表面單根斷絲以及繩股溝槽間單根斷絲，3種大小不同的缺陷可以比較出該檢測系統(tǒng)的檢測能力。

圖5 鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)

圖6 缺陷示意圖

使用該套檢測系統(tǒng)探頭在相同工況下勻速檢測鋼絲繩缺陷，貼片電感在3處缺陷處逐一反復(fù)掃查及連續(xù)掃查后，得到缺陷信號如圖7所示。由圖中可以明顯區(qū)分出鋼絲繩缺陷信號。雖然在將原始信號放大后，可以明顯地看到掃查時(shí)的繩股溝槽信號，但仍然能夠明顯區(qū)分出繩股溝槽間的斷絲信號，并且可以進(jìn)行定量檢測缺陷大小。

圖7 貼片電感檢測信號

霍爾元件在3處缺陷處逐一反復(fù)掃查及連續(xù)掃查后，得到缺陷信號如圖8所示。圖中可以明顯區(qū)分出鋼絲繩缺陷信號，并且根據(jù)缺陷信號幅值可以進(jìn)行定量檢測缺陷大小。

圖8 霍爾元件檢測信號

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有鋼絲繩漏磁檢測設(shè)備體積龐大、檢測繁瑣等問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32f1的鋼絲繩漏磁檢測系統(tǒng)。其檢測電路體積小、成本低、通用性強(qiáng)且功耗低，可以實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換及打包發(fā)送的一體化，并可以同時(shí)適用于感應(yīng)線圈及霍爾元件2種磁敏檢測傳感器；此外，改進(jìn)了鋼絲繩探測器的磁軛材料，使得檢測精度有所提升。最終的整機(jī)對比實(shí)驗(yàn)通過幾組檢測信號，直觀證明了該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。