基于STM32的交流電磁場檢測實驗系統(tǒng)設計

李 偉， 尚亞期， 楊會敏， 袁新安， 邵鑫宇， 趙建超

（中國石油大學（華東）海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島266580）

0 引 言

隨著社會與生產(chǎn)的發(fā)展，無損檢測需求日益增加，交流電磁場檢測技術由于其不需耦合劑、提離不敏感等優(yōu)點，在航空航天、水下結構、管道、壓力容器等領域被廣泛應用無損檢測中［1-2］。

交流電磁場檢測設備由于信號調(diào)理復雜、存在多個信號處理模塊，造成設備體積大、功耗高、不易攜帶，為教學和科研工作帶來諸多不便。針對上述問題，在交流電磁場檢測理論的基礎上，開發(fā)一種低功耗、輕量級的嵌入式交流電磁場檢測系統(tǒng)［3］。系統(tǒng)主控選擇STM32H743作為系統(tǒng)MCU，構建RT-Thread實時操作系統(tǒng)與TouchGFX前端交互框架，構建交流電磁場檢測實驗系統(tǒng)并進行實驗測試［4］。

1 交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測理論基礎是電磁感應理論。當通入交流電的激勵線圈靠近被測鐵磁性材料時，交變電流產(chǎn)生的交變磁場作用于被測件產(chǎn)生感應電流，由于集膚效應，感應電流會趨于被測件的表面。在無缺陷的被測件表面，感應電流是均勻分布的，在有缺陷的部位感應電流產(chǎn)生了偏轉，表面的磁場產(chǎn)生畸變，通過磁場傳感器測量到畸變磁場即可判斷和評估裂紋［5-6］。

如圖1所示，X方向磁場在缺陷兩端呈現(xiàn)較小幅值，在缺陷中部呈現(xiàn)波谷，包含裂紋深度信息。Z方向磁場在缺陷兩端呈現(xiàn)正負相反波峰，反映裂紋的長度［7］。

圖1 交流電磁場缺陷檢測原理圖

2 檢測系統(tǒng)開發(fā)

基于STM32交流電磁場檢測系統(tǒng)包括儀器主機與檢測探頭兩部分，對不同的檢測條件可設計更換不同探頭以滿足檢測作業(yè)條件。檢測系統(tǒng)主要組成如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)主要組成

探頭包括激勵線圈、信號放大電路、隧道磁阻（Tunnel Magnetic Resistance，TMR）磁場傳感器［8］，當線圈通入正弦激勵，在工件表面產(chǎn)生感應磁場，電流在缺陷周圍擾動，TMR傳感器拾取缺陷周圍畸變磁場，磁場信號經(jīng)放大電路傳輸至儀器主機。

儀器主體包括電源電路、STM32H743核心板、按鍵電路、DDS信號發(fā)生器、功率放大電路、信號濾波電路、RMS-DC電路、SD卡電路與顯示器。MCU與DDS信號發(fā)生器通過SPI通訊，產(chǎn)生1～10 kHZ頻率可調(diào)正弦波，經(jīng)過功率放大為激勵信號，加到探頭線圈上；TMR傳感器采集的磁場信號經(jīng)過信號放大、濾波，最后通過RMS-DC電路求信號有效值；MCU通過A/D采集RMS-DC電路的直流信號，在顯示器上顯示波形，SD卡有數(shù)據(jù)存儲與回溯功能，按鍵電路用于非觸摸情況下操作儀器。如圖3（a）～（g）所示為檢測系統(tǒng)實驗平臺實物圖。

圖3 檢測系統(tǒng)實驗平臺實物圖

3 硬件模塊設計

良好的硬件設計對保證實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著決定性的作用，系統(tǒng)主要圍繞高精度檢測探頭、儀器主體信號處理、MCU外圍電路進行硬件模塊設計。

3.1 高精度檢測探頭

如圖4所示為檢測探頭示意圖，探頭包括殼體、頂蓋、TMR傳感器、放大電路、均勻纏繞500匝銅線的磁芯以及用來連接儀器主體的航空插頭。

圖4 檢測探頭

經(jīng)實驗測量，TMR傳感器測量到的電壓信號只有mV級，需要經(jīng)過放大。選擇AD620用于儀表信號放大，其具有低成本、高精度、低失調(diào)電壓、只需一個外部電阻就可設置增益等優(yōu)點。

圖5所示為AD620放大電路［9］，設置Bx信號放大倍數(shù)為50，Bz信號放大倍數(shù)為100，選擇Bx信號放大電阻阻值為1 kΩ，Bz信號放大電阻阻值為500 Ω。放大電路為差分輸入，使用耦合電容，可去除信號中的直流分量。

圖5 AD620放大電路

3.2 電源電路

電源的穩(wěn)定對信號處理電路、儀器的穩(wěn)定運行有著決定性的作用。隔離電源有抗干擾能力強、安全性高、較寬的電壓輸入范圍等優(yōu)點［10］。如圖6（a）～（c）所示為電源電路，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性添設了5處濾波電容，添設了1.5 A保險絲與自鎖按鍵。

圖6 電源電路

3.3 信號發(fā)生器與功率放大電路

系統(tǒng)使用直接數(shù)字合成技術（Direct Digital Synthesizer，DDS）信號發(fā)生器作為信號激勵源，儀器使用AD9833，具有功耗低、輸出頻率范圍廣、分辨率高、可輸出波形種類多等優(yōu)點。AD9833輸出功率低，無法直接驅(qū)動激勵線圈，添加TDA2030a功率放大電路［11-12］。如圖7（a）、（b）所示為信號發(fā)生器與功率放大電路。

圖7 信號發(fā)生器與功率放大電路

AD9833所需晶振為25 MHz有源晶體振蕩器，外接3線SPI通信接口，MCU可控制AD9833產(chǎn)生1～10 kHz的正弦波；TDA2030A功率放大模塊輸入端并聯(lián)可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)輸入電流的大小，調(diào)節(jié)輸出功率，同時輸入端耦合電路濾除干擾，兩個二極管用于穩(wěn)壓，功率放大倍數(shù)為32倍［13］。

3.4 濾波電路與RMS-DC電路

探頭通過航空插頭與儀器主體相連，主機內(nèi)濾波電路可降低信號噪聲，AD637芯片可實現(xiàn)特征信號有效值計算［14］。濾波與有效值電路如圖8所示。濾波電路使用帶通頻率為10 kHz～150 kHz的二階巴特沃斯帶通濾波器［15］，有效值電路中電容C7用于控制計算時間。

圖8 濾波與RMS-DC電路

4 軟件系統(tǒng)設計

交流電磁場檢測系統(tǒng)軟件主要由RT-Thread實時操作系統(tǒng)和TouchGFX前端交互框架組成，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件框圖

儀器使用RT-Thread嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，系統(tǒng)完全開源，不僅是一個實時內(nèi)核，還具備豐富的中間層生態(tài)［16］。儀器創(chuàng)建了運行TouchGFX前端交互框架的線程。以及各種驅(qū)動線程，包括軟件SPI通信的AD9833線程、作為顯存的SDRAM線程、軟件IIC通信的FT5426觸摸屏驅(qū)動線程、上升沿中斷觸發(fā)的按鍵檢測線程、存儲數(shù)據(jù)的SD卡線程、用于采集探頭信號的AD采集線程，同時在SD卡構建了FATFS虛擬文件系統(tǒng)。

系統(tǒng)使用TouchGFX前端交互框架，作為新興的GUI框架，基于C/C++面向?qū)ο缶帉?，具有占用資源少、動畫美觀、響應迅速等優(yōu)點［17］。儀器的GUI以波形顯示程序為核心，包括屏保界面、桌面、設備信息界面、儀器操作說明界面。圖10為系統(tǒng)啟動時界面。

圖10 波形顯示界面

5 實驗測試

5.1 測試系統(tǒng)

交流電磁場檢測系統(tǒng)主要包括檢測探頭、STM32H743核心板、顯示屏、電源、DDS信號發(fā)生電路、功率放大電路、濾波與RMS-DC電路等。

5.2 檢測試件

本次檢測對象為帶有人為加工缺陷的不銹鋼試塊，如圖11所示。缺陷1～5長度為5 mm，深度分別為4、3、2、1.5、1 mm，長度相同，深度遞減；缺陷6～10深度為3 mm，長度分別為2、3、5、7、9 mm，深度相同，長度遞增。

圖11 不銹鋼裂紋試塊

5.3 檢測結果

手持探頭貼緊不銹鋼缺陷試塊，分2次測量，第1次從缺陷5勻速掃描到缺陷1，得到的缺陷特征信號Bx和Bz如圖12所示。第2次從缺陷6勻速掃描到缺陷10，檢測結果如圖13所示。利用SD卡導出上述數(shù)據(jù)進行繪制，如圖14所示。

圖12 缺陷1～5檢測結果

圖13 缺陷6～10檢測結果

從檢測結果可以看出，Bx、Bz信號特征處分別對應缺陷1～10。本系統(tǒng)可以較好檢出不銹鋼板上的微小裂紋。

圖14 缺陷檢測結果圖

6 結 語

本文基于STM32單片機為核心，開發(fā)低功耗、輕量級的嵌入式交流電磁場檢測系統(tǒng)，設計基于TMR的高精度檢測探頭，設計信號處理關鍵模塊，移植RTThread實時操作系統(tǒng)與TouchGFX前端交互框架，開發(fā)缺陷顯示軟件，搭建完善的檢測系統(tǒng)，進行不銹鋼裂紋檢測實驗。實驗結果表明本文開發(fā)的嵌入式交流電磁場檢測系統(tǒng)可很好地檢測出不銹鋼微小裂紋，對交流電磁場檢測儀器研制有良好的實驗指導意義與現(xiàn)場應用適用性。