平衡電磁檢測技術(shù)同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)研究

鄭文學，楊理踐，李佳音，高松巍，劉 斌

(沈陽工業(yè)大學信息科與工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

鐵磁性材料在生產(chǎn)以及使用過程中，由于受到各種惡劣外界因素的影響，會產(chǎn)生裂紋缺陷。裂紋缺陷的出現(xiàn)會使鐵磁性材料出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，從而降低其機械強度與使用壽命[1]。裂紋缺陷的長度、寬度會隨著裂紋缺陷開裂程度的增加而逐漸變寬、變長[2]，所以需要對鐵磁性材料的表面裂紋長度、寬度進行量化檢測研究。

平衡電磁檢測技術(shù)結(jié)合交流漏磁檢測技術(shù)與交流電磁檢測技術(shù)，針對鐵磁構(gòu)件表面裂紋缺陷，可以實現(xiàn)一次掃描同時檢測橫縱兩方向裂紋缺陷，并且可以有效區(qū)分兩方向裂紋缺陷[3]。交流漏磁技術(shù)可以對橫向裂紋缺陷的寬度進行有效分析，焦敬品[4]等研制了有包覆層管道的低頻漏磁檢測裝置，通過仿真與實驗的方式研究了不同寬度缺陷對漏磁場的影響，得到檢測信號與諧波畸變率均可判斷缺陷寬度的結(jié)論；廖肖曉[5]等采用有限元數(shù)值分析的方式研究了缺陷長度、寬度、深度對漏磁場的影響，得到了漏磁的環(huán)向分量可以對缺陷量化的結(jié)論；P.Karuppasamy[6]等基于有限元仿真分析了低頻漏磁檢測技術(shù)磁芯與線圈對檢測信號的影響，實現(xiàn)了不同寬度裂紋缺陷的檢測。交流電磁可以對縱向裂紋長度有效分析，任尚坤[7]等研究了縱向裂紋的長度及探頭提離高度對檢測信號的影響，結(jié)果表明該方法可定量評價表面裂紋的長度。周兆明[8]等采用有限元仿真的方法研究了不同尺寸裂紋缺陷對交流電磁場檢測信號的影響，通過計算Z軸磁通密度峰值與谷值間距確定了裂紋缺陷長度。S.X.Zhao[9]等采用有限元的方法得到裂紋缺陷長度與檢測信號峰谷間距的關(guān)系，并建立了檢測信號與裂紋長度的插值方程，通過實驗的方式驗證了該插值方程的準確性。

為了進一步研究平衡電磁檢測技術(shù)對橫向裂紋的寬度與縱向裂紋長度的量化能力，采用對傳感器檢測信號等間距采樣的方法。該方法以同步采集控制模塊為核心，三軸機械運動平臺帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器每轉(zhuǎn)動固定角度產(chǎn)生一脈沖信號，同步采集控制模塊接收到編碼器的脈沖信號后對傳感器的輸出信號進行采集，實現(xiàn)等間距采樣，通過分析檢測信號峰谷間距來判斷橫向裂紋缺陷寬度、縱向裂紋缺陷長度。

1 平衡電磁檢測技術(shù)原理

平衡電磁檢測技術(shù)采用一對正交排布的線圈和鐵氧體磁芯作為傳感器。如圖1所示。

在與被測鐵磁構(gòu)件垂直的線圈兩端施加正弦交流電壓，產(chǎn)生磁場，通過高導磁鐵氧體將磁場導至鐵磁構(gòu)件表面，鐵磁構(gòu)件表面感應(yīng)出磁通與電流。在鐵磁構(gòu)件表面沒有缺陷的時候，其表面是電磁平衡狀態(tài)，接收線圈內(nèi)沒有感應(yīng)電壓；當鐵磁構(gòu)件表面存在缺陷的時候，缺陷使得鐵磁構(gòu)件表面電磁平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生漏磁通與感應(yīng)電流畸變，接收線圈內(nèi)有感應(yīng)電壓產(chǎn)生。

1.1 橫向裂紋寬度檢測原理

平衡電磁檢測技術(shù)基于交流漏磁原理檢測橫向裂紋。在激勵線圈兩端施加正弦交流電壓，激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，經(jīng)過鐵氧體磁芯使得交變磁場在鐵磁構(gòu)件表面?zhèn)鞑ィ斢龅綑M向裂紋缺陷產(chǎn)生漏磁通，如圖2所示。

圖2 橫向裂紋檢測示意圖

從圖2可以看出當傳感器處于橫向裂紋缺陷中心時，穿入穿出檢測線圈的磁通量相等，感應(yīng)電壓為零。當傳感器在橫向裂紋兩端時，穿入穿出檢測線圈的漏磁通最多，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律。

(1)

式中：Ve為接收線圈的接收電壓；φ為垂直穿過接收線圈的漏磁通。

從式(1)可以得到接收線圈的感應(yīng)電壓與垂直穿過接收線圈的漏磁通的時間變化率成正比。結(jié)合漏磁通分布，可以得到檢測線圈在裂紋缺陷兩端有最大或最小感應(yīng)電壓，兩峰谷值間距為橫向裂紋寬度D。

1.2 縱向裂紋長度檢測原理

平衡電磁檢測技術(shù)基于交流電磁原理檢測縱向裂紋。通交流電的激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，交變磁場經(jīng)過鐵氧體磁芯傳播到鐵磁構(gòu)件表面，當遇到縱向裂紋缺陷產(chǎn)生感應(yīng)電流畸變，如圖3所示。

圖3 縱向裂紋檢測示意圖

從圖3可以看出，當鐵磁構(gòu)件表面存在縱向裂紋時，感應(yīng)電流向裂紋兩端集中，裂紋中間感應(yīng)電流稀疏[10]。結(jié)合縱向裂紋接收電壓模型[3]：

(2)

式中：S為接收線圈面積；n為接收線圈微元個數(shù)；I為鐵磁構(gòu)件表面感應(yīng)電流；μ0為空氣磁導率；ρ為接收線圈與鐵磁構(gòu)件表面感應(yīng)電流距離。

根據(jù)電流分布與接收電壓模型得到裂紋兩端接收存在峰值與谷值，峰谷值間距為裂紋長度L。

2 同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對橫向裂紋的寬度與縱向裂紋長度的量化，設(shè)計了平衡電磁檢測技術(shù)同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括三軸機械平臺、限位器、步進電機及驅(qū)動、編碼器、PC機、平衡電磁檢測技術(shù)傳感器和同步采集控制模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以FPGA為核心的同步采集控制模塊對步進電機驅(qū)動發(fā)出勻速控制信號，以驅(qū)動步進電機勻速旋轉(zhuǎn)，步進電機的勻速旋轉(zhuǎn)使三軸機械平臺主軸勻速移動。三軸機械平臺主軸帶動傳感器對裂紋缺陷勻速檢測，三軸機械平臺每移動固定距離帶動編碼器轉(zhuǎn)動固定角度，編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖信號，同步采集控制模塊以此脈沖信號為同步信號，接收到了同步信號的同步采集控制模塊采集傳感器輸出的信號，然后以USB通信的方式傳輸至PC機存儲、顯示。限位器對主軸的運動起始位置進行限制。

3 同步采集控制模塊設(shè)計與分析

同步采集模塊為同步采集控制系統(tǒng)的核心，同步采集控制模塊電路主要包括信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、隔離電路、USB電路。硬件電路組成整體框圖如圖5所示。

圖5 硬件電路整體框圖

由于限位器、編碼器、電機驅(qū)動電平與FPGA電平不兼容，為防止損壞FPGA，需要與FPGA之間增加隔離電路。傳感器輸出的模擬信號，經(jīng)過放大濾波后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以USB通信方式傳輸至PC機進行存儲與顯示。

3.1 信號處理電路

平衡電磁技術(shù)傳感器輸出的是處理后的單端模擬信號，為了降低溫度以及空間對傳輸線的干擾并且與差分輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器更好的連接，采用低功率、低噪聲、最大溫度漂移0.5 ppm/℃的LTC6363全差分運放對單端傳感器信號放大濾波處理，并且將單端傳感器信號轉(zhuǎn)換成差分信號，以便達到模數(shù)轉(zhuǎn)換的全部量程。信號處理電路如圖6所示。

為了實現(xiàn)軌對軌的動態(tài)輸出電壓范圍，需要將LTC6363全差分運放輸出共模電壓設(shè)置為電源電壓的一半，采用兩電阻分壓后接電壓跟隨器的形式來實現(xiàn)共模電壓的設(shè)置，電壓跟隨器采用低噪聲、微功耗的AD8603芯片。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器為單電源差分輸入，需要對傳感器輸出的單端電壓進行轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換，并且LTC6363全差分運放可以更好地驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在LTC6363全差分運放輸出后接小電阻可以對運放起到保護作用，C5可以對兩差分信號進行低通濾波，達到降噪的目的。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為了使同步采集控制模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換部分溫度漂移和時間漂移更小，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信噪比，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基準源采用高精度、低溫漂的串聯(lián)型帶隙電壓基準ADR4550，ADR4550的初始電壓誤差為0.002%，最大溫度系數(shù)為1 ppm。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用單通道、16位、吞吐速率250 kSPS、逐次逼近型的AD7687。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

圖7 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

將信號處理電路的輸入與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入相連，將帶隙基準源連接模數(shù)轉(zhuǎn)換基準電壓引腳。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用三線SPI通信方式與FPGA連接。CNV拉高開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，在SCK下降沿由高位到低位依次讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

3.3 隔離電路

由于編碼器、電機驅(qū)動、限位器電平與FPGA電平不兼容，為了防止電流倒灌、損壞FPGA芯片，所以需要采用隔離電路。隔離電路采用PC817光耦，實現(xiàn)了FPGA端與三軸機械平臺端的電氣分離，兩端有各自的供電系統(tǒng)，互不干擾。隔離電路如圖8所示。

圖8 隔離電路圖

FPGA輸出固定頻率的脈沖信號、方向控制信號、電機使能信號，通過3個信號的互相配合實現(xiàn)步進電機的勻速轉(zhuǎn)動。P1、P2分別為限位器信號，PUL連接編碼器。

3.4 USB傳輸電路

由于同步采集控制系統(tǒng)為高速采樣，且位數(shù)較高，數(shù)據(jù)量較大，所以與PC機的通信需要選擇速率高的通信方式。CH370支持12 Mbps全速USB通信，兼容USB V2.0，并且CH370有5 MB/s速度的8位被動并行接口，采用并行接口與FPGA連接可以實現(xiàn)更高的通信速率[11]。USB傳輸電路如圖9所示。

圖9 USB傳輸電路圖

當A0引腳為高電平時選擇索引地址端口，可以寫入新的索引地址，或者讀出數(shù)據(jù)但保持索引地址不變。當A0引腳為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫索引地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.5 軟件設(shè)計

同步采集控制系統(tǒng)軟件部分主要有電機控制模塊、限位模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、雙緩沖模塊、通訊模塊。其中電機控制模塊與限位模塊共同可控制三軸機械平臺移動，電機控制模塊產(chǎn)生固定頻率方波，使步進電機勻速轉(zhuǎn)動，當限位模塊產(chǎn)生高電平信號并被FPGA接收以后，F(xiàn)PGA發(fā)出停止命令。

為了實現(xiàn)等間距檢測，需要對檢測信號定長采樣。編碼器檢測三軸機械平臺移動距離，三軸機械平臺每移動0.1 mm輸出一個脈沖信號，將此脈沖信號作為每次數(shù)據(jù)采集的條件，就可以實現(xiàn)等間距檢測。由于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量較大，為了實現(xiàn)實時采集與傳輸，采用雙緩沖[12]方式緩存與傳輸。雙緩沖控制原理如圖10所示。在FPGA內(nèi)部開辟2個地址空間的緩存單元，分別為存儲空間1和存儲空間2。圖10中虛線與實線分別代表不同讀寫周期。當FPGA將采集數(shù)據(jù)寫入存儲空間1的時候，F(xiàn)PGA從存儲空間2讀出數(shù)據(jù)并以USB通信方式向PC機傳輸數(shù)據(jù)，當存儲空間1寫入地址達到閾值時，讀寫狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。此時FPGA將采集數(shù)據(jù)寫入存儲空間2，F(xiàn)PGA從存儲空間1讀出數(shù)據(jù)并以USB通信方式向PC機傳輸數(shù)據(jù)，如此往復循環(huán)。

4 實驗研究與結(jié)果分析

4.1 同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)檢測實驗

同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括三軸機械運動平臺、檢測傳感器和同步采集控制模塊，如圖11所示。

圖11 同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

將平衡電磁檢測技術(shù)傳感器安裝在三軸機械運動平臺上，步進電機帶動主軸x軸勻速運動，使檢測傳感器勻速檢測裂紋缺陷。通過調(diào)節(jié)y軸使檢測傳感器位于裂紋中心，通過調(diào)節(jié)z軸使檢測傳感器與鋼板緊密接觸。利用同步采集控制模塊對電機驅(qū)動發(fā)出勻速轉(zhuǎn)動的命令以驅(qū)動步進電機勻速轉(zhuǎn)動，步進電機帶動三軸機械運動平臺的主軸勻速直線運動，主軸帶動檢測傳感器勻速掃描鋼板表面裂紋。主軸的勻速直線運動使編碼器勻速轉(zhuǎn)動，由于采用了周長200 mm、計數(shù)值為2000的編碼器，所以主軸每運動0.1 mm，編碼器輸出一個脈沖信號，同步采集控制模塊接收到編碼器的脈沖信號后對檢測傳感器輸出信號進行采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再以USB通信的方式傳輸至PC機顯示、存儲。限位器1和限位器2起到對檢測傳感器位置標定的作用，其中限位器1為檢測起始點，限位器2為檢測終止點。

測試試件為Q235鋼板，鋼板上的裂紋缺陷深度均為3 mm，試件及裂紋缺陷如圖12所示。圖中1#、2#、3#裂紋缺陷寬度分別為0.5 mm、4 mm、2 mm，長度分別為40 mm、20 mm、20 mm。

圖12 裂紋缺陷圖

4.2 實驗結(jié)果分析

將1#、2#、3#裂紋缺陷沿檢測平臺y軸方向擺放進行檢測，此時檢測傳感器運動方向與裂紋方向垂直，橫向裂紋缺陷檢測信號如圖13所示。

圖13 橫向裂紋缺陷檢測信號圖

將1#、2#裂紋缺陷沿檢測平臺x軸方向擺放進行檢測，此時檢測傳感器運動方向與裂紋缺陷方向平行，縱向裂紋缺陷檢測信號如圖14所示。

圖14 縱向裂紋缺陷檢測信號圖

為了定量分析橫向裂紋寬度與縱向裂紋長度與檢測信號峰谷值間距的關(guān)系，提取檢測信號峰谷值間距，裂紋寬度與檢測信號對應(yīng)關(guān)系如表1所示。從表中可以看出在裂紋缺陷寬度值較小時，測量的絕對誤差較小，采用檢測傳感器移動與數(shù)據(jù)采集同步的方法可以實現(xiàn)裂紋缺陷寬度的定量化檢測。裂紋長度與檢測信號對應(yīng)關(guān)系如表2所示。從表中可以看出在裂紋缺陷長度值較大時，測量的相對誤差較小，該系統(tǒng)可以對裂紋長度進行定量化檢測。

表1 裂紋寬度與信號峰谷間距關(guān)系表

表2 裂紋長度與信號峰谷間距關(guān)系表

5 結(jié)束語

針對鐵磁構(gòu)件表面橫向裂紋缺陷寬度與縱向裂紋缺陷長度的定量檢測問題，提出對平衡電磁技術(shù)傳感器輸出信號定長采樣的方法。利用平衡電磁檢測技術(shù)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對不同長、寬裂紋進行檢測實驗。研究結(jié)果表明：

(1)對橫向裂紋寬度的檢測，檢測信號峰谷間距與裂紋寬度的絕對誤差較小，可以用檢測信號峰谷間距來表征橫向裂紋寬度；

(2)對縱向裂紋長度的檢測，檢測信號峰谷間距與裂紋寬度的相對誤差較小，可以用檢測信號峰谷間距來表征縱向裂紋長度。