基于ZYNQ的渦流無損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 超，張志杰，陳昊澤，韓 寧

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原 030051)

0 引言

渦流檢測(cè)是工業(yè)中使用最廣泛的無損檢測(cè)技術(shù)之一，渦流檢測(cè)的原理為渦流效應(yīng)[1]。根據(jù)被測(cè)物體電磁性能的變化，來檢測(cè)物體是否存在缺陷。目前大多數(shù)的渦流檢測(cè)設(shè)備采用DSP/FPGA+ARM+上位機(jī)的框架，DSP/FPGA實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的輸出、檢測(cè)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理，ARM作為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和采集系統(tǒng)的通信橋梁，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)對(duì)采集系統(tǒng)的參數(shù)做出調(diào)整。這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是底層硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且ARM與FPGA之間數(shù)據(jù)傳輸慢、不穩(wěn)定，不適用于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。Zynq-7020內(nèi)部同時(shí)集成了雙核的ARM和FPGA，降低了硬件的開發(fā)難度，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

渦流檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵是缺陷特征信號(hào)的提取，目前大多數(shù)渦流檢測(cè)設(shè)備采用阻抗分解的方法實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的提取[2]。傳統(tǒng)的計(jì)算方法是采用電路處理模擬信號(hào)，而采用模擬相敏檢波算法實(shí)現(xiàn)相敏檢波主要是利用三極管的開關(guān)特性，這樣會(huì)引入其他噪聲，導(dǎo)致有用信號(hào)與無用信號(hào)分離不徹底[3]。因此，本系統(tǒng)從數(shù)字信號(hào)處理的角度實(shí)現(xiàn)相敏檢波算法，直接對(duì)A/D采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)阻抗分解，得到被測(cè)金屬的缺陷特征信號(hào)，可以在一定程度上減少其他噪聲引入，提高信噪比。

1 渦流檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在線圈中施加交變電流時(shí)線圈會(huì)在周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，處在交變磁場(chǎng)中的金屬會(huì)在其內(nèi)部感應(yīng)出渦流。渦流技術(shù)[4-6]原理如圖1所示。線圈中產(chǎn)生的一次磁場(chǎng)會(huì)在金屬板中感生出渦流，渦流會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)反作用于線圈，兩個(gè)磁場(chǎng)疊加使原磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而使線圈阻抗產(chǎn)生變化。當(dāng)金屬板中存在缺陷時(shí)，金屬板中渦流的分布會(huì)發(fā)生變化，如圖2所示，渦流分布的變化會(huì)導(dǎo)致二次磁場(chǎng)發(fā)生改變，進(jìn)而使線圈的阻抗再次發(fā)生變化[7]，從而可以通過線圈阻抗變化情況得知金屬板中是否存在缺陷[8]。

圖1 渦流效應(yīng)示意圖

圖2 渦流變化示意圖

Dodd 和 Deeds[9]在1968年給出了給出了單個(gè)線圈位于導(dǎo)體上方的解析解，并計(jì)算了感應(yīng)電壓。尹武良教授等[10]進(jìn)一步提出了兩線圈間互感的閉式解[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

A(α)=(e-l1-e-αl2)2

(6)

其中:α為空間頻率，ω為激勵(lì)信號(hào)的角頻率，σ為電導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率，c為樣品的厚度，l2-l1為渦流傳感器的高度，r1為鐵氧體半徑，r2渦流傳感器半徑，J1為第一類貝塞爾函數(shù)。電感值作為阻抗的虛部，通過分析檢測(cè)線圈電壓的變化，可以反映出金屬板中是否存在缺陷。

2 傳感器建模設(shè)計(jì)

2.1 激勵(lì)頻率對(duì)渦流滲透深度的影響

由于趨膚效應(yīng)的存在，金屬板中的電流大多集中在表面，在金屬內(nèi)部隨著縱向深度的增加，金屬中電流密度迅速衰減。當(dāng)金屬內(nèi)部電流密度是金屬表面電流密度的37%時(shí)，此時(shí)的深度可以稱為標(biāo)準(zhǔn)深度，也可以叫做趨膚深度。趨膚深度的公式為：

(7)

由公式(7)可知，當(dāng)受檢金屬材料確定后，受檢件的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ確定，渦流的趨膚深度δ只與激勵(lì)線圈的激勵(lì)頻率f有關(guān)。創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)、寬、厚度為200 mm、200 mm、20 mm的鋁板，在線圈中通入1 A的正弦電流，金屬板中電流密度的分布隨激勵(lì)頻率的變化如圖3所示。圖4為不同激勵(lì)頻率下金屬中電流密度隨金屬縱向深度變化曲線，可以看出激勵(lì)頻率越高金屬表面電流密度越大，電流密度隨縱向深度衰減越快。其衰減呈指數(shù)形式。

圖3 激勵(lì)頻率對(duì)滲透深度的影響

圖4 電流密度曲線

利用渦流效應(yīng)對(duì)金屬表面及亞表面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用高頻信號(hào)作為激勵(lì)，這樣能量集中在金屬表面及其亞表面，靈敏度較高，檢測(cè)效果比較理想。當(dāng)對(duì)金屬內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用低頻信號(hào)作為激勵(lì)，這樣渦流能夠滲透到金屬內(nèi)部，能得到比較理想的檢測(cè)信號(hào)。

2.2 動(dòng)態(tài)掃描分析

利用COMSOL Multiphysics 5.4對(duì)傳感器探頭掃描金屬板的過程進(jìn)行建模分析。被測(cè)金屬為鋁板，在鋁板上方放置2個(gè)幾何參數(shù)一致的線圈，一個(gè)線圈中通入激勵(lì)電流為掃描過程提供激勵(lì)信號(hào)，另一個(gè)線圈接收檢測(cè)信號(hào)，相關(guān)參數(shù)見表1。

應(yīng)用表1中的參數(shù)進(jìn)行建模，缺陷在激勵(lì)線圈和接收線圈中間，仿真建模如圖5所示。傳感器探頭從右至左一次掃描，每次掃描的步進(jìn)長(zhǎng)度為5 mm。在激勵(lì)線圈中加載頻率為1 000 Hz，大小為1 A的正弦電流作為激勵(lì)信號(hào)。在探頭掃描的過程中，當(dāng)探頭經(jīng)過缺陷部位時(shí)，因?yàn)槿毕莶糠值拇艑?dǎo)率和電導(dǎo)率等參數(shù)發(fā)生變化，會(huì)使渦流的分布產(chǎn)生變化，電流密度的變化為從強(qiáng)到弱再變強(qiáng)，掃描結(jié)果如圖6。

表1 傳感器建模參數(shù)

圖5 傳感器仿真模型

圖6 電流密度變化

在模型建立過程中檢測(cè)線圈中通入的電流值為0，即檢測(cè)線圈處于開路狀態(tài)。因?yàn)殇X板中渦流密度的變化是從強(qiáng)到弱再變強(qiáng)，渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)的變化也是從強(qiáng)到弱再變強(qiáng)，對(duì)一次磁場(chǎng)的影響也是從強(qiáng)到弱在變強(qiáng)，因此檢測(cè)線圈中感應(yīng)電壓的變化是從弱到強(qiáng)再變?nèi)酢＝邮站€圈中感應(yīng)電壓變化是先增加再減小，當(dāng)缺陷位于傳感探頭中心線正下方時(shí)，接收線圈中感應(yīng)到的電壓值最大，接收線圈中的電壓變化曲線如圖7所示。

圖7 電壓變化曲線

渦流檢測(cè)是利用在交變電流激勵(lì)下，探頭線圈與被測(cè)金屬間的磁場(chǎng)能量耦合變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)[12]。金屬板中感應(yīng)的電流密度不僅與傳感器探頭激勵(lì)有關(guān)，還與線圈尺寸等其他因素有關(guān)[13]，因此，當(dāng)傳感器探頭的形狀、提離距離等發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)傳感器線圈為圓柱形線圈且線圈的尺寸固定，此時(shí)檢測(cè)線圈的電壓變化只與線圈的提離距離有關(guān)。

仿真模型中線圈匝數(shù)為2 000，兩個(gè)線圈之間的距離為22 mm，傳感器探頭距離金屬表面的高度為0 mm，1 mm，3 mm三組值，計(jì)算接收線圈的電壓值，得到如圖8所示的變化曲線。通過比較三組電壓值可以得到接收線圈的感應(yīng)電壓隨著提離距離的增加而減小。

圖8 不同提離距離電壓變化

3 檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 ZYNQ簡(jiǎn)介

ZYNQ 是Xilinx 公司推出的一款可擴(kuò)展處理器平臺(tái)，其特點(diǎn)是高性能、低功耗，可同時(shí)進(jìn)行軟件編程、硬件編程、IO編程。每片ZYNQ系列芯片都包含可編程邏輯(Programmable Logic,PL)和兩個(gè)ARM Cortex-A9 系列處理器系統(tǒng)(Processor System,PS)[14-16]。PS 端配有AMBA 開放總線互聯(lián)端口，可以通過AXI 片內(nèi)高速總線互聯(lián)和PL通信，帶寬速度高達(dá)100 Gbps[17]。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要包括：1)激勵(lì)信號(hào)輸出電路；2)檢測(cè)信號(hào)采集電路；3)信號(hào)處理。激勵(lì)信號(hào)輸出電路用于提供正弦激勵(lì)信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)采集電路用于采集檢測(cè)線圈感應(yīng)到的電壓，信號(hào)處理部分的主要作用是提供DDS正弦激勵(lì)信號(hào)以及對(duì)檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)進(jìn)行阻抗分解處理，并將處理后的信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖9 檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2.1 激勵(lì)信號(hào)輸出

檢測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖9中激勵(lì)信號(hào)部分電路所示，由Zynq-7020提供正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過電壓放大器和功率放大器后輸出到激勵(lì)線圈。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用ADI公司的AD9767型DAC芯片，該芯片是一款雙通道、14 bit，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)125 MSPS的高性能DAC芯片，支持獨(dú)立和主/從兩種增益控制模式，通過GAINCTRL引腳來選擇，本系統(tǒng)中將GAINCTRL引腳接地，使用獨(dú)立的增益控制模式。AD9767輸出信號(hào)為差分電流，滿量程范圍可設(shè)置為2～20 mA，芯片本身自帶1.2 V參考電壓，無需外部提供參考源。

AD9767輸出為電流型，我們所需要的激勵(lì)信號(hào)為電壓信號(hào)，因此需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，如圖10所示。AD9767的每個(gè)通道有兩個(gè)輸出，IOUTA和IOUTB，每個(gè)通道的輸出電流由14 bit的并行接口控制，實(shí)時(shí)輸出的電流大小與數(shù)字編碼值DAC_CODE及滿量程輸出IOUT之間的關(guān)系為：

圖10 AD9767單通道工作電路

IOUTA1=(DAC_CODE/16384)×IOUT

(8)

IOUTB1=((16 383-DAC_CODE)/16 384)×IOUT

(9)

由此可知，IOUTA1和IOUTB1的差的絕對(duì)值恒等于IOUT。IOUT的值時(shí)參考電流IREF的32倍，參考電流IREF由與引腳FSADJ1相連接的電阻來控制，其關(guān)系為IREF=1.2 V/(R1+R電位器)。由于AD9767為電流輸出型芯片，而我們需要的是電壓信號(hào)，因此需要將電流轉(zhuǎn)化為電壓，電流與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(10)和式(11)所示:

VOUTA=IOUTA1×R

(10)

VOUTB=IOUTB1×R

(11)

VOUT=VOUTA1-VOUTB1

(12)

圖11 抗混疊濾波電路

3.2.2 檢測(cè)信號(hào)采集

檢測(cè)信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)如圖9中信號(hào)檢測(cè)部分所示，檢測(cè)線圈輸入電壓經(jīng)過運(yùn)放放大之后輸出到程控運(yùn)放器件，由程控運(yùn)放將電壓調(diào)整到低于ADC模塊參考電平，經(jīng)ADC模塊采集后傳輸?shù)絑ynq-7020進(jìn)行處理。

圖12 AD8429原理圖

可編程運(yùn)算放大器選擇TI公司的THS7001，該放大器的帶寬為70 MHz，供電范圍為±4.5～±16 V，共有8級(jí)增益選項(xiàng)，可以提供0.08～10.0的增益范圍，通過G0～G2進(jìn)行編程控制，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 THS7001增益控制

THS7001的原理如圖13所示，前置放大器輸出的電壓信號(hào)VO作為抗混疊濾波器的電壓輸入端，濾除高頻噪聲之后的信號(hào)輸入到PGA端，經(jīng)可編程增益處理后ADOUT輸出到AD9240電壓輸入端。

圖13 THS7001原理圖

ADC芯片采用ADI公司的AD9240，該芯片是一款14 bit，采樣率為10 msps的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5 V單電源進(jìn)行供電，有溢出標(biāo)志位，可以將信號(hào)輸出到ZYNQ內(nèi)部進(jìn)行判斷。AD9240具有單端和差分直流或交流模擬模擬信號(hào)輸入方式，因?yàn)闄z測(cè)線圈輸出的為交流正弦信號(hào)，因此AD9240采用單端交流工作模式，其電路如圖14所示。

圖14 AD9240單端交流工作模式

與傳統(tǒng)的A/D芯片相比，AD9240完全依靠時(shí)鐘來控制采樣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輸出，其時(shí)序如圖15所示，在第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，第四個(gè)時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)才有數(shù)據(jù)輸出，因此需要延時(shí)3個(gè)時(shí)鐘周期才能讀取BIT14～BIT1上的數(shù)據(jù)。

圖15 AD9240時(shí)序圖

3.2.3 信號(hào)處理

信號(hào)處理部分的主要作用是給傳感器探頭提供正弦激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)將A/D采集到的檢測(cè)線圈的信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。信號(hào)處理過程如圖16所示。傳感器所需的正弦激勵(lì)信號(hào)由ZYNQ通過DAC模塊來提供。其核心是調(diào)用ZYNQ的ROM IP核，在ROM核中加載包含正弦信號(hào)信息的.coe文件。ZYNQ將正弦信號(hào)發(fā)送到AD9767的數(shù)據(jù)引腳，通過DA芯片把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過放大濾波后加載到激勵(lì)線圈。通過調(diào)整ROM核的時(shí)鐘頻率，可以改變正弦激勵(lì)信號(hào)的頻率。接收線圈中的模擬電壓通過放大濾波后傳輸?shù)紸D9240，A/D芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將采集到的結(jié)果傳輸?shù)絑YNQ。通過Vivado設(shè)計(jì)自己所需要的IP核，在IP核中實(shí)現(xiàn)數(shù)字相敏檢波算法。在ZYNQ中通過DMA將PL端處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇S端。在PS端通過UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。

圖16 數(shù)據(jù)處理過程

目前大多數(shù)渦流檢測(cè)儀器都是采用阻抗分解的方法來提取缺陷信號(hào)，本系統(tǒng)采用數(shù)字相敏檢波的方法得到檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位信息，數(shù)字相敏檢波的原理如圖17所示。

圖17 數(shù)字相敏檢波

(13)

(14)

其中:N為采樣點(diǎn)數(shù)，n為0～N-1，將式(13)與式(14)做互相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算可得測(cè)量信號(hào)的實(shí)部和虛部，如下所示：

(15)

隨機(jī)噪聲u(n)與被測(cè)信號(hào)不相關(guān)，所以Uus的值為0，將被測(cè)信號(hào)的實(shí)部與虛部進(jìn)行反三角運(yùn)算得到信號(hào)的相位，進(jìn)行開方運(yùn)算得到幅值。

(16)

(17)

本檢測(cè)系統(tǒng)為變頻系統(tǒng)，激勵(lì)信號(hào)的頻率變化范圍為1 kHz～1 MHz，檢測(cè)信號(hào)采集電路采樣率是激勵(lì)信號(hào)頻率的10倍。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過前期對(duì)傳感器探頭的仿真和對(duì)電路的測(cè)試，結(jié)合待測(cè)樣品搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)物連接如圖18所示，主要包括三維掃描臺(tái)，互感式探頭，試件實(shí)物，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳感器探頭采用直徑為0.1 mm的銅線進(jìn)行繞制，探頭結(jié)構(gòu)為差分式，與互感線圈相比采用差分線圈兩個(gè)檢測(cè)線圈形成互補(bǔ)，檢測(cè)效果更加理想，線圈結(jié)構(gòu)如圖19所示，中間線圈為激勵(lì)線圈，兩側(cè)線圈為檢測(cè)線圈，由于線圈尺寸較小在3個(gè)線圈中間都纏有鐵氧體磁芯，提高線圈的聚磁能力，待檢測(cè)金屬為鋁6A02，在金屬板上有人工制造的缺陷。

圖18 實(shí)物連接圖

圖19 差分探頭

控制金屬板從傳感器探頭下掃過，該自動(dòng)掃描臺(tái)最大掃描速度可達(dá)100 mm/s，行程長(zhǎng)度為200 mm，分辨率為0.2 μm，為掃描小缺陷提供了良好的空間精度。數(shù)據(jù)如圖20所示。

圖20為差分探頭掃過不同寬度缺陷的檢測(cè)結(jié)果，圖中縱坐標(biāo)為檢測(cè)線圈電壓值，橫坐標(biāo)為A/D芯片的采樣點(diǎn)數(shù)。

圖20 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖分析可知當(dāng)金屬中存在缺陷時(shí)檢測(cè)線圈的電壓值會(huì)有明顯的變化，當(dāng)缺陷寬度不同時(shí)檢測(cè)線圈電壓值變化不同，根據(jù)感應(yīng)線圈的電壓值的變化情況可以定性的分析金屬中是否存在缺陷。

5 結(jié)束語

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于Zynq-7020平臺(tái)的電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。采用Zynq-7020片上系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DSP/FPGR+ARM架構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。采用AXI DMA的數(shù)據(jù)傳輸方式，速度可達(dá)250 MB/s，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。