基于STM32的多通道探頭陣列低頻電磁檢測系統(tǒng)研究

黃 平，楊理踐，高松巍，白 石

(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

低頻電磁技術(shù)(low-frequency electromagnetic technique，LFET)是近年來快速發(fā)展的一種新興無損檢測方法，主要采用可變磁化強(qiáng)度的非飽和磁化方式完成被檢材料內(nèi)部及外部腐蝕缺陷的檢測。低頻電磁檢測技術(shù)優(yōu)勢主要集中在剩磁微弱、設(shè)備輕盈、使用便捷等方面，且可根據(jù)材料自身屬性(材質(zhì)、厚度等)適當(dāng)調(diào)整激勵方式(激勵幅值、驅(qū)動頻率等)，一般采用電磁鐵。

國內(nèi)外學(xué)者對低頻電磁檢測技術(shù)作了大量實驗研究和深入探討，焦敬品[1]等提取缺陷處低頻漏磁場信號相位及幅值并進(jìn)行相應(yīng)實驗分析，認(rèn)為幅值參數(shù)對上表面缺陷深度的變化較為敏感，而相位參數(shù)更能直接表征下表面缺陷深度變化。張曉竹[2]等利用COMSOL軟件對不同類型缺陷低頻漏磁場進(jìn)行仿真分析，驗證了低頻電磁檢測技術(shù)的可靠性與有效性。文獻(xiàn)[3]對低頻電磁檢測技術(shù)中激勵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，選取C型激勵磁軛并安裝有不超過1 mm厚度的屏蔽層，可在缺陷處獲取更為顯著的低頻漏磁場。文獻(xiàn)[4]通過在低頻漏磁場信號接收介質(zhì)(線圈或磁阻式傳感器)中嵌入渦流線圈用以判別當(dāng)前缺陷位于內(nèi)表面還是外表面，并給出外加低頻交流勵磁場對渦流線圈的影響關(guān)系。郝憲鋒[5]等設(shè)計了基于電流閉環(huán)反饋控制和線性大功率放大器的交流恒流激勵源用于低頻電磁檢測技術(shù)中，有效提高了檢測精度和穩(wěn)定性。

本文主要整合了低頻電磁檢測技術(shù)相關(guān)研究理論實驗成果，基于STM32控制器設(shè)計并開發(fā)出一套完整的多通道探頭陣列低頻電磁檢測系統(tǒng)，主要由多通道陣列勵磁探頭模塊、激勵電路模塊、信號調(diào)理電路模塊、存儲讀取一體化電路模塊及信號采樣電路模塊組成，同時詳細(xì)展示并分析了每種模塊的構(gòu)成原理和運(yùn)行機(jī)制，并通過實驗驗證了系統(tǒng)對缺陷檢測的有效性，為后期低頻電磁檢測技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了可靠的硬件實驗基礎(chǔ)。

1 低頻電磁檢測技術(shù)原理概述

圖1為低頻電磁檢測技術(shù)原理模型圖。如圖1，在激勵線圈中施加可變頻率和幅值的低頻交變勵磁信號(交變頻率一般為1～30 Hz)，被檢試件中必將形成相應(yīng)的交變電磁場，構(gòu)成磁回路。在檢測過程中遇到試件壁厚減薄或存在缺陷位置時，試件表面低頻漏磁場分布形態(tài)發(fā)生改變，從而被磁場接收介質(zhì)偵測。由于實際工程應(yīng)用中外部電磁干擾環(huán)境較為復(fù)雜，該低頻電磁檢測系統(tǒng)采用感應(yīng)式磁傳感器檢測線圈陣列作為磁場信號接收介質(zhì)，在屏蔽外部直流雜散磁場的同時可有效拾取低頻漏磁場幅值、相位等信息。

圖1 低頻電磁檢測技術(shù)原理模型圖

激勵線圈低頻電磁場強(qiáng)度可表述為

H=H0sin(2πft+φ)

(1)

式中：H0為交變磁場激勵幅值；f為交變磁場工作頻率；φ為激勵磁場初始相位。

由法拉第電磁感應(yīng)定律，圖1中感應(yīng)式磁傳感器檢測線圈(低頻檢測線圈)輸出信號與原始激勵磁場呈正交關(guān)系，可表述為

e=2πfNSμrδH0cos(2πft+φ′)

(2)

式中：N、S、μr分別為低頻接收線圈匝數(shù)、截面積和相對磁導(dǎo)率；φ′為線圈接收信號相位值。

2 低頻電磁檢測系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計與分析

2.1 多通道陣列勵磁探頭模塊

如圖2及圖3所示，多通道陣列勵磁探頭模塊主要由離散激勵線圈和多通道檢測線圈組成，所設(shè)計低頻電磁檢測系統(tǒng)激勵線圈為2路(串聯(lián)結(jié)構(gòu))，低頻檢測線圈為16路(2個檢測線圈串聯(lián)組成1路，共32個低頻檢測線圈)，每路激勵線圈涵蓋8路檢測線圈陣列。激勵線圈磁軛采用多層硅鋼片煅燒，呈C型結(jié)構(gòu)，并用0.8 mm線徑繞制400匝，使得激勵低頻電磁場在空間中分布更為均勻。單通道低頻檢測線圈設(shè)計為圓柱形結(jié)構(gòu)，可使得線圈輸出信號與其幾何中心磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，并選取具有高磁導(dǎo)率和低渦流損耗特性的坡莫合金棒作為磁芯，圓柱形線圈內(nèi)、外徑及高度分別為1 mm、2.3 mm、4 mm。

圖2 多通道陣列勵磁探頭模塊實物圖

圖3 多通道低頻電磁檢測線圈陣列實物圖

2.2 激勵電路模塊

低頻電磁檢測系統(tǒng)中激勵線圈施加交變磁場設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)正弦，可通過傳統(tǒng)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)[6-7]或正弦波自激振蕩電路[8]等方式產(chǎn)生。但為保證數(shù)據(jù)連續(xù)采集過程中單激勵周期內(nèi)采樣點(diǎn)初始相位保持一致，采用STM32控制器內(nèi)部脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)生成可變頻率的脈沖信號(占空比均設(shè)定為50%)，并將脈沖信號上升沿反饋至STM32輸入捕獲引腳，作為信號采樣時間起始點(diǎn)。相應(yīng)地，將單極性脈沖信號進(jìn)行濾波處理成雙極性標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，再輸入至功率放大電路中，為激勵線圈提供交變勵磁磁場發(fā)生源。

圖4為低頻脈沖信號濾波電路，STM32控制器根據(jù)人機(jī)接口所設(shè)置頻率輸出對應(yīng)脈沖信號(LOWPULSE端口)，通過6N137高速光耦隔離轉(zhuǎn)換成高電平僅為2.5 V(TL431輸出2.5 V基準(zhǔn)電壓)的單極性脈沖，輸入至八階可調(diào)電容巴特沃斯濾波器(MAX295，截止頻率最小可設(shè)置為0.1 Hz，最高為50 kHz，完全滿足應(yīng)用需求)，濾波器輸出峰峰值為2.5 V的標(biāo)準(zhǔn)交流正弦信號至SineWave端口。

圖4 低頻脈沖信號濾波電路

圖5給出了低頻交變勵磁信號功率放大電路，在調(diào)理電路中采用兩級功率調(diào)節(jié)模式，第一級為數(shù)字開關(guān)調(diào)節(jié)，第二級為模擬電位器調(diào)節(jié)。第一級將基于ADG2024路模擬開關(guān)置入激勵源交流信號(SineWave)同向比例放大控制電路反饋端中，通過切換反饋電阻與輸入電阻的比值以改變放大倍數(shù)(放大倍數(shù)為1、2、4、8，共4個檔位，分別稱為小功率、低功率、中功率和大功率，作為人機(jī)界面功率選擇控制項)。第二級采取模擬電位器(R23)整體調(diào)節(jié)功率端輸入信號，系統(tǒng)出廠前進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。調(diào)理后的激勵信號幅值已達(dá)到應(yīng)用要求，但普通運(yùn)放不具備較大功率以驅(qū)動激勵線圈，因此，該低頻電磁檢測系統(tǒng)采用雙功率運(yùn)放(LM1875，高達(dá)30 W輸出功率)級聯(lián)輸出，幅值可提高2倍。第一級功率運(yùn)放采用同相比例放大模式，其輸出信號作為第二級功率運(yùn)放輸入，采用反向放大比例模式的第二級功率運(yùn)放較第一級功率運(yùn)放輸出信號相位相差180°，顯然，兩級功率運(yùn)放輸出差值電壓可提高至電源供電電壓幅值的2倍(由±12 V提高至±24 V)，使得激勵線圈施加交變勵磁信號在較大范圍內(nèi)調(diào)整。

圖5 低頻交變勵磁信號功率放大電路

2.3 信號調(diào)理電路模塊

由法拉第電磁感應(yīng)定律得知，低頻電磁檢測線圈基本不受空間直流磁場影響，但不可避免地會疊加空間雜散交流磁場，準(zhǔn)確捕捉檢測線圈輸出信號是低頻電磁檢測系統(tǒng)檢測能力的重要保證。如圖6所示，低頻電磁檢測線圈感應(yīng)信號帶載能力微弱，選取高輸入阻抗、低輸入電流的寬電壓運(yùn)放CA3140(輸入阻抗高達(dá)1.5 TΩ、典型輸入電流為10 pA/±15 V)作為原始檢測信號跟隨器，將檢測信號失真度降至最低。在此基礎(chǔ)上利用OP27精密放大器對檢測信號進(jìn)行二階放大濾波處理，得到紋波較小并可直接反映被檢材料表面特征的感應(yīng)信號。

圖6 低頻電磁檢測線圈信號調(diào)理電路

2.4 信號采樣電路模塊

根據(jù)香農(nóng)定理，信號采樣頻率需大于等于原始信號自身交變頻率的2倍才能還原其頻譜特性。低頻電磁檢測系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為檢測信號交變頻率的16倍，完整保留原始信號，如圖7所示。

圖7中，16路低頻電磁檢測線圈陣列經(jīng)信號調(diào)理電路后分別接入多通道模擬開關(guān)(MAX306)中，由STM32控制系統(tǒng)片選引腳決定公共端輸出對應(yīng)通道信號。低頻電磁檢測線圈輸出為交流信號，為便于信號采集，在每路通道信號中疊加穩(wěn)定的6 V直流源。通過器件OP27(器件標(biāo)號：U12)組成可調(diào)直流源跟隨器輸出至OP07(器件標(biāo)號：U9)同相端，其反相端為檢測線圈輸入信號。這里，OP07(器件標(biāo)號：U9)采用單電源供電，可將輸入信號鉗位至0～12 V，避免不可控因素使得輸出電壓轉(zhuǎn)負(fù)損壞后續(xù)A/D采樣芯片，保障了采樣電路的穩(wěn)定性。A/D采樣芯片為16位轉(zhuǎn)換器(LTC1864)，其基準(zhǔn)電源通過串聯(lián)型基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片AD586(5 V±2 mV)供給，盡可能提高信噪比(SNR)。

圖7 低頻電磁檢測線圈陣列信號采樣電路

2.5 存儲讀取一體化電路模塊

低頻電磁檢測系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷將采樣數(shù)據(jù)及相關(guān)激勵參數(shù)信息以既定協(xié)議存入大容量TF卡(Micro SD)中，并基于USB3300(理論通訊速度為480 MB/s，兼容USB2.0協(xié)議)通過上位機(jī)USB接口實時上傳或檢測工程結(jié)束后拷貝數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 低頻電磁檢測系統(tǒng)存儲讀取一體化電路模塊

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 低頻電磁檢測系統(tǒng)樣機(jī)

整合低頻電磁檢測系統(tǒng)所有組成電路模塊，形成低頻電磁檢測系統(tǒng)樣機(jī)，如圖9所示。示波器中展示了16路低頻電磁檢測線圈經(jīng)多通道模擬開關(guān)后循環(huán)切換輸出信號，滿足在單激勵周期內(nèi)完成對所有通道信號的多點(diǎn)采樣。另外，樣機(jī)中增加了缺陷顯示單元和位置指示發(fā)光二極管，便于檢測中實時發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖9 低頻電磁檢測系統(tǒng)樣機(jī)

3.2 低頻電磁檢測相關(guān)實驗

選取一塊10 mm厚Q235鋼板并刻有相同長度(20 mm)和寬度(4 mm)、不同深度(1、3、5、7、9 mm)的裂紋缺陷作為實驗對象，如圖10所示。

圖10 刻有缺陷的Q235實驗鋼板

檢測掃描方向垂直于裂紋缺陷延伸方向，低頻電磁檢測線圈陣列與鋼板垂直距離約為5 mm(提離值)，掃描速度為10 mm/s，激勵線圈施加幅值及頻率分別為±8 V和20 Hz。提取位于缺陷中心正上方單路低頻電磁檢測線圈輸出信號，如圖11所示，圖12給出了基于正弦擬合算法得到缺陷處最大幅值及相位變化量隨缺陷深度增加的變化趨勢。

圖11 單路低頻電磁檢測線圈輸出信號

圖12 單路低頻電磁檢測線圈輸出信號幅值及相位變化量

由圖10及圖11可知，低頻電磁檢測系統(tǒng)可通過感應(yīng)式磁傳感器檢測線圈陣列精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)被檢材料表面缺陷，并實時給出表征缺陷特征的幅值及相位信息。檢測線圈電壓變化值與缺陷深度基本呈線性關(guān)系，當(dāng)電壓幅值信號受外界干擾較嚴(yán)重時，其相位變化量可繼續(xù)用于確認(rèn)及甄別當(dāng)前位置是否存在缺陷。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡釋說明了所設(shè)計的低頻電磁檢測系統(tǒng)整體運(yùn)行機(jī)制及各主要組成電路模塊，整機(jī)低頻電磁實驗系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)被檢材料表面缺陷，為低頻電磁無損檢測方法的發(fā)展提供了明確的硬件實驗基礎(chǔ)和應(yīng)用導(dǎo)向。