基于STM32的電池極耳焊縫微缺陷檢測系統(tǒng)設計

黃 平,馬 龍,李泰民,鄭福印,張曉丹,白 石

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院,遼寧沈陽 110870)

0 引言

航空鋰電池極耳焊縫微缺陷(長度≥1 mm且寬度≥1 mm,焊縫寬度為2～3 mm)檢測是鋰電池無損檢測領域重點研究方向之一[1],對保障航空航天安全穩(wěn)定運行具有重要意義。航空鋰電池極板與極耳連接處一般采用激光焊接方式[2],易產生缺陷、多焊、氣泡等微缺陷,進而引起局部電阻變化,導致鋰電池充放電過程中引發(fā)嚴重事故。目前,航空鋰電池極耳焊縫焊接質量檢測主要基于機器視覺、超聲波、X射線、漏磁及渦流檢測等技術,其中機器視覺僅能檢測焊縫表面微缺陷的有效性[3],但難以發(fā)現(xiàn)內部氣泡等缺陷特征;超聲波技術可穿透極板焊縫進行深層探傷,但檢測需要耦合劑[4],由于其溫度適應性較差,易造成電池極板短路,風險較高;X射線可實現(xiàn)極耳焊縫斷層掃描[5]且對電池損害較小,但價格昂貴并伴隨輻射,很難實現(xiàn)大規(guī)模應用;直流漏磁技術[6]受提離影響明顯,信號衰減嚴重,且需指出,電池極板受直流飽和磁化后會出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象[7],對后期正常使用是否造成影響尚不明確;常規(guī)渦流檢測多采用單頻方式,受外部磁場干擾影響較大[8],且在面向微缺陷檢測時需進一步增加弱磁信號識別裝置,以提升檢測效率和精度。對于微缺陷的檢測,日本神戶大學通過隧道磁阻(tunneling magneto-resistance,TMR)傳感器完成μm級缺陷的測量[9],但傳感器制作工藝難度大、成本高,且易達到磁飽和,難以應用于極耳焊縫微缺陷檢測。

本研究從消除噪聲角度建立微型差分渦流檢測線圈模型,以應對微缺陷弱磁場識別,可在保障檢測靈敏度的前提下實現(xiàn)多條焊縫覆蓋掃描,并在此基礎上采用多頻勵磁方式完成極耳焊縫層析成像。同時,在完成高靈敏度勵磁-檢測探頭設計后,嵌入激勵電路、鎖相環(huán)電路及信號處理電路等模塊,實現(xiàn)航空鋰電池極耳焊縫微缺陷弱磁在線檢測系統(tǒng)開發(fā)。

1 微型差分渦流傳感器檢測原理

基于感應式檢測線圈制作多頻渦流場傳感器可有效規(guī)避外部直流干擾磁場,而航空鋰電池極耳焊縫微缺陷所引起的磁場波動較弱,需進一步提高檢測線圈探測靈敏度,其中一個不可忽略的因素源于外界不同于渦流勵磁頻率的交流磁場干擾。盡可能弱化噪聲信號、提高信噪比是提升檢測線圈靈敏度的關鍵,因此,本文將檢測線圈設計為梯度差分結構,圖1為檢測線圈具體空間結構示意圖。

圖1 微型差分渦流檢測線圈空間結構示意圖

圖1中,微型差分渦流檢測線圈沿軸向由測量線圈和平衡線圈構成,需注意,測量線圈與平衡線圈繞線匝數(shù)相同但繞制方向相反,在空間均勻分布交變磁場時,感生磁場可直接抵消,輸出為零。但當檢測線圈放置于被檢導磁材料表面時,測量線圈與平衡線圈外部磁場分布不均勻,測量線圈可直接用于接收磁場變化以識別缺陷,平衡線圈主要用于抑制外部噪聲干擾,兩者相結合,在消除同頻同幅同相位磁場前提下,可高靈敏度拾取由材料表面缺陷引起的變化磁場。其中,測量線圈與平衡線圈之間垂直距離稱為基線距離d,需根據(jù)勵磁線圈激勵強度及被檢材質適度調整基線距離,基線距離過大,無法保證測量線圈與平衡線圈內部形成的干擾磁場同幅同頻同相位;相反,基線距離過小,本就微弱的極耳焊縫渦流場波動值會在平衡線圈中形成較大的感應電壓,進而抵消測量線圈內部有用信號。

2 電路系統(tǒng)原理概述

單通道多頻渦流勵磁-檢測系統(tǒng)主要由激勵電路、鎖相環(huán)電路及信號處理電路組成,其中,激勵電路信號由直接數(shù)字頻率合成器(direct digital frequency synthesis,DDS)提供,再經前級放大及功率運放電路加載至勵磁線圈;鎖相環(huán)電路主要針對當前勵磁信號頻率對差分渦流檢測線圈輸出信號進行鎖相,獲取勵磁與檢測信號相位差及幅值信息,用于判定當前缺陷檢測狀態(tài);信號處理電路將鎖相信號進行濾波處理并轉換至可適用于實時采集上傳的電壓范圍。

2.1 激勵信號發(fā)生電路

基于DDS的可調頻激勵信號發(fā)生電路如圖2所示。

圖2 基于DDS的激勵信號發(fā)生電路

為實現(xiàn)極耳焊縫微缺陷層析成像功能以及規(guī)避通道間同一頻率干擾,需根據(jù)外部工況實時調整勵磁頻率,因此,本研究在激勵信號發(fā)生電路中引入DDS芯片AD9833,通過FSYNC、SCLK、SDATA等控制引腳發(fā)送相應指令可產生基準時鐘為0.1 Hz的正弦波、三角波和方波信號(時鐘頻率為25 MHz,輸出頻率范圍為0.1 Hz～12.5 MHz),完全滿足應用需求。圖2中,采用標準正弦波作為勵磁信號源,并采取三階LC無源濾波消除毛刺,輸出正弦交流信號經電容C22隔離直流后分成2路,一路作為后續(xù)鎖相環(huán)電路同步信號SYNCHRO,另一路經同相比例運算放大電路后連接電位器R23及電阻R27,R23輸出可調信號至后續(xù)功率放大電路,便于調整輸出功率。需注意,電阻R27防止電位器調至零阻值時運放短路。

2.2 功率放大電路

功率放大電路如圖3所示。鑒于微型差分渦流檢測線圈輸出信號微弱,本系統(tǒng)采用±5 V作為供電電源,可進一步提升電源功率利用率。OPA548是一款高電壓、大電流運算放大器(雙電源供電支持±4～±30 V,持續(xù)輸出電流最高為3 A,滿足應用需求),輸入正弦波信號源經C23隔離直流后經同相比例功率運放放大3倍(放大倍數(shù)為:1+R19/R20),最大持續(xù)輸出電流值ILIM可通過R32調節(jié),并滿足式(1):

圖3 功率放大電路

(1)

預先設定持續(xù)工作電流值ILIM為3 A,則R32經計算為10 kΩ,并聯(lián)電容C30可根據(jù)外部環(huán)境實時調整以濾除紋波。需注意,R23為輸入信號假負載,直接接地,防止受外部干擾引入直流分量。

2.3 鎖相電路

勵磁與檢測信號同步鎖相電路如圖4所示。為精確解調微型差分檢測線圈輸出信號,以獲取幅值和相位差信息并作為微缺陷判斷標準,系統(tǒng)引入基于靈活換流結構的高精度平衡調制器AD630,該芯片具備平衡調制和解調、同步檢波、相位檢測、正交檢測、相敏檢測、鎖定放大以及方波乘法等功能,可實現(xiàn)從100 dB噪聲中恢復信號,閉環(huán)增益精度為0.05%。

圖4 勵磁與檢測信號同步鎖相電路

圖4主要由輸入信號(P1)、前置放大器(U1)、參考信號(SYNCHRO)、鎖相芯片、低通濾波器構成,前置放大器確保AD630輸入信號峰峰值達到200 mV以上,以滿足應用需求;鎖相輸出檢測信號與參考信號之間相位差及幅值信息,經低通濾波后輸出±5 V范圍變化直流信號,數(shù)值大小代表幅值信息,正負號代表相位信息(超前或滯后),便于后續(xù)信號處理及識別。

2.4 信號處理及采樣電路

信號處理及采樣電路如圖5所示。為進一步實現(xiàn)航空鋰電池極耳焊縫微缺陷檢測系統(tǒng)的智能化和便攜化,本研究增加了對鎖相輸出信號處理環(huán)節(jié)。鎖相電路輸出信號PHASELOCK變化范圍為±5 V,而模數(shù)轉換(AD)采樣電路一般采集正電壓,負電壓易導致AD損壞,因此,需抬高輸入信號幅值使得采樣周期范圍內均為直流量。一般,在設計交變信號電壓抬升電路時只需將信號串聯(lián)隔直電容并輸入至運放反相端,在此前提下同相端接入直流電壓,這里需注意,由于隔直電容的存在,同相端直流電壓放大倍數(shù)為1倍,則運放輸出為放大后的交變信號疊加該直流量。但本系統(tǒng)預處理鎖相電路輸出信號為直流量,因此,不能直接串聯(lián)隔直電容輸入至運放反相端,需采取同相求和運算電路。圖5中,PHASELOCK信號經由CA3140構成的電壓跟隨器輸入至后級電路,可提升信號帶載能力,防止失真;同時,疊加的直流量由基準電壓芯片REF192提供(可輸出2.5 V直流電壓,初始精度為±2 mV,溫度系數(shù)最大為5 ppm/℃,1 ppm=10-6),2路輸入信號分別經電阻R37、R39輸入至運放(U15)同相端,運放反饋電阻R38及反相端電阻R36滿足平衡條件:R38//R36=R37//R39,則2路信號的放大倍數(shù)分別為R38/R37=1和R38/R39=1,即運放輸出為2路信號的直接疊加。需指出,運放(U15)輸出信號是以2.5 V為基準浮動,而其供電電壓為+5 V,可鉗位輸出電壓,進一步保護后續(xù)AD采樣電路。

圖5 信號處理及采樣電路

3 實驗與結果分析

通過上述對勵磁-檢測探頭及整體電路結構的系統(tǒng)性闡述,基本形成了一套完備的航空鋰電池極耳焊縫微缺陷檢測架構,具體組成如圖6所示。

圖6 航空鋰電池極耳焊縫微缺陷檢測架構

高靈敏度勵磁-檢測探頭中勵磁線圈與差分渦流檢測線圈沿同軸繞制,內側和外側分別為檢測線圈和勵磁線圈,磁芯材質為鐵氧體,具體制作實物圖如圖7所示。圖7中,左側為繞制的微型差分渦流檢測線圈,測量線圈與平衡線圈各200匝(漆包線線徑為0.1 mm)、基線距離為40 mm、繞制延伸長度各25 mm;右側為沿同軸繞制勵磁線圈后所形成的高靈敏度勵磁-檢測探頭,勵磁線圈共130匝(線徑為0.8 mm)。

圖7 高靈敏度勵磁-檢測探頭

實驗中設定勵磁線圈激勵幅值為10 V(峰峰值),勵磁頻率為4 kHz,基于單通道差分渦流檢測線圈對2個帶有極耳焊縫電池極板樣本(焊縫寬度僅2 mm)沿同一提離高度進行掃描,通過處理下位機上傳數(shù)據(jù)得到鎖相信號變化曲線,分別如圖8及圖9所示。

圖8 極耳焊縫樣本1檢測曲線

圖9 極耳焊縫樣本2檢測曲線

圖8中,鑒于高靈敏度勵磁-檢測探頭掃描前位于電池極板邊緣處,大多勵磁渦流場分布在外部空間,難以集中于電池極板表面,無法反饋至差分線圈中,但隨掃描距離增加,曲線初始階段(區(qū)域I)呈現(xiàn)上升趨勢,經一段距離后變?yōu)檠匾欢ɑ蹈?該現(xiàn)象可認為是電池極板邊緣效應導致。

圖8中,焊縫中間處出現(xiàn)缺焊微缺陷,由于掃描過程中探頭提離值保持恒定,此時在電池極板內部形成的勵磁渦流場泄漏至外部空間,致使差分渦流線圈中檢測線圈接收渦流場磁力線增多,掃描曲線呈現(xiàn)上升趨勢,由區(qū)域II給出。同理,當圖9電池極板出現(xiàn)多焊微缺陷時,更多的勵磁渦流場磁力線分布于極板內部,通過檢測線圈磁力線減少,進而導致掃描曲線呈現(xiàn)下降趨勢。

4 結束語

面向航空鋰電池極耳焊縫微缺陷檢測,本文闡述了基于高靈敏度勵磁-檢測探頭的系統(tǒng)性研究方案,通過對實驗結果的分析,主要得出以下結論:

(1)所設計微型差分渦流檢測線圈可規(guī)避外部空間電磁干擾,并識別μV級電壓波動,可有效檢測寬度低至2 mm極耳焊縫微缺陷(多焊、缺焊),其中多焊導致掃描曲線呈現(xiàn)下凹現(xiàn)象,缺焊會形成上凸趨勢,初步實現(xiàn)缺陷分類功能,實驗結果可信度較高;

(2)勵磁線圈激勵信號產生、功率放大、鎖相以及信號處理等電路實施方案完整有效,可應對極耳焊縫微缺陷探測,為相關領域檢測平臺的搭建提供了穩(wěn)定的電路設計基礎;

(3)對于存在于極耳焊縫內部氣泡類微缺陷檢測需改變勵磁頻率,步進式提升集膚深度,以實現(xiàn)層析成像,具體勵磁參數(shù)選取及成像機制仍需進一步研究。