何敏， 陳斌根

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

電磁金屬探傷技術(shù)主要包括渦流檢測技術(shù)、交流電磁場檢測技術(shù)和電磁層析成像技術(shù)，因其具有非接觸、無損害、無輻射等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域.[1-3]電磁層析成像(Electromagnetic Tomography，EMT)技術(shù)是近年提出并發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)過程參數(shù)二維或三維時(shí)空分布狀況的在線實(shí)時(shí)檢測技術(shù).[4-5]EMT采用電磁激勵(lì)，從發(fā)射到接收信號時(shí)間間隔很短，適合實(shí)時(shí)采集.[6]相對于其他電磁檢測技術(shù),EMT技術(shù)具有成本低廉、能夠提供簡單直觀的圖像、重現(xiàn)缺陷大小和位置等優(yōu)點(diǎn).

目前，研究EMT的國家主要有英國、美國、瑞士、俄羅斯等.ALBRECHTSEN等[7]將EMT應(yīng)用于多相流檢測;LAU等[8]將EMT技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合進(jìn)行金屬探傷研究;WATSON等[9]研究低電導(dǎo)率物質(zhì)EMT系統(tǒng);KORJENEVSKY等[10]開發(fā)出一套對電導(dǎo)率和介電常數(shù)分布重建的EMT系統(tǒng).這些研究包括12個(gè)激勵(lì)線圈和12個(gè)檢測線圈交叉排列的傳感陣列EMT系統(tǒng)、采用模擬解調(diào)方法的8線圈EMT系統(tǒng)等.

上述EMT系統(tǒng)主要以模擬解調(diào)為主且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給開發(fā)和調(diào)試帶來困難.[11]筆者以數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)TMS320F2812為核心設(shè)計(jì)EMT系統(tǒng)，利用系統(tǒng)內(nèi)部的ADC模塊完成信號的采樣，再引入快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)，使整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和快速性得到提高.

1 EMT基本原理

EMT系統(tǒng)一般包括傳感器整列、信號采集電路、PC機(jī)等3部分.傳感器整列由激勵(lì)線圈和檢測線圈組成.在激勵(lì)線圈中施加交變電流會在整個(gè)物場空間產(chǎn)生交變磁場，因此在檢測線圈內(nèi)可檢測到物場內(nèi)的電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率分布信息;檢測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路上傳至上位機(jī)，通過某種圖像重建算法可以獲得電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的分布信息.

麥克斯韋方程組能描述所有可能存在的宏觀現(xiàn)象.[12]在電磁無損檢測中,電磁能量與被測物的電磁能量交互作用[13]，這種作用在理論上可用麥克斯韋方程組[14]表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:E,H,D,B,J和ρ分別表示電場強(qiáng)度向量、磁場強(qiáng)度向量、電通密度向量、磁通密度向量、電流密度向量和電荷密度.

電磁場作用下各向同性介質(zhì)的電磁特性還可以表示為

B=μH,J=σE,D=εE

(5)

式中:σ,ε和μ分別表示電導(dǎo)率、介質(zhì)的介電常數(shù)和介質(zhì)的磁導(dǎo)率.

式(1)～(5)構(gòu)成電磁檢測技術(shù)的物理基礎(chǔ).聯(lián)合以上各式，結(jié)合具體物理模型的邊界條件，就是EMT完整的數(shù)學(xué)描述.

2 傳感陣列和硬件控制電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的探傷系統(tǒng)主要分為傳感陣列單元、激勵(lì)信號產(chǎn)生單元、數(shù)據(jù)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)解調(diào)單元和上位機(jī)單元等5部分.激勵(lì)信號產(chǎn)生單元主要為系統(tǒng)提供特定頻率、相位和幅值的激勵(lì)信號，以便給傳感器施加激勵(lì)信號；數(shù)據(jù)調(diào)理單元主要根據(jù)采樣信號進(jìn)行簡單調(diào)理，如濾波、放大和偏置等；數(shù)據(jù)解調(diào)單元以DSP為核心，通過DSP芯片內(nèi)部的FFT解調(diào)程序?qū)Σ蓸诱{(diào)理后的信號進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)解調(diào)；以計(jì)算機(jī)為核心的上位機(jī)單元主要對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和粗略的后期數(shù)據(jù)整理等.

2.1 傳感陣列設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳感陣列采用雙線圈結(jié)構(gòu).雙線圈分布、結(jié)構(gòu)原理和線圈尺寸見圖1.

圖1雙線圈分布、結(jié)構(gòu)原理和線圈尺寸

線圈采用直徑為0.2 mm的漆包線進(jìn)行繞制，共繞制600匝.為獲取更加精確的信息，在制作線圈的過程中還要求繞線方式和線圈密度一致.為保證線圈的對稱性和一致性，在繞制過程中利用安捷倫公司的阻抗分析儀對典型頻率下的電感值進(jìn)行測量，最終各線圈的電感值誤差小于3%[15].

2.2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的檢測精度和實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)一套基于DSP的電磁探傷測量系統(tǒng).該系統(tǒng)從電磁感應(yīng)測量的特點(diǎn)出發(fā)，利用數(shù)字電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測線圈感應(yīng)電壓的測量，為多線圈陣列的EMT探傷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ).硬件控制電路包括激勵(lì)信號產(chǎn)生單元和分級放大與濾波電路.

2.2.1 激勵(lì)信號產(chǎn)生單元

該單元是以直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis,DDS)芯片AD9851為核心制作而成的正弦信號發(fā)生電路，可以產(chǎn)生相位頻率為0～70 MHz的、可調(diào)的正弦信號波形，并在信號輸出端口處采用70 MHz的低通LC濾波器，有效去除信號中的高頻雜波，使波形更加完美.

AD9851芯片內(nèi)部集成6倍頻電路，因此采用30 MHz的外部晶振可以大大降低晶振對電路本身產(chǎn)生的電磁干擾，從而提高輸出信號的質(zhì)量.

圖2 激勵(lì)單元工作原理

激勵(lì)單元工作原理見圖2.

2.2.2 分級放大與濾波電路

檢測線圈檢測到的電壓信號較微弱(毫伏級)，為此設(shè)計(jì)基于AD620儀表放大器芯片的精密放大電路對采集信號進(jìn)行放大.感應(yīng)電壓會受傳感器提離高度、放置位置及被測金屬自身屬性等因素的影響，因此在電路中依次采用50倍、10倍、5倍三級放大電路將采集信號放大.分級放大示意圖見圖3.

圖3 信號放大處理示意

為獲取更好的采樣信號，采用電源濾波的方式對采樣信號進(jìn)行濾波處理.在輸入端口處，為防止外部噪聲信號等干擾，采用歐姆龍公司的G5V-1繼電器對外部干擾信號進(jìn)行隔離處理.同時(shí)為保護(hù)電路，防止外部信號突變對電路產(chǎn)生破壞性影響，采用瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor,TVS)對電路進(jìn)行保護(hù).

2.2.3 偏置電路

DSP采樣電壓范圍為0～3 V.為使電平匹配并保護(hù)DSP內(nèi)的AD模塊，將放大電路的基準(zhǔn)參考電壓設(shè)定為1.5 V，調(diào)整后的采樣電壓信號幅值在0.5～2.5 V范圍內(nèi).

系統(tǒng)采用高精度電源穩(wěn)壓芯片REF196進(jìn)行穩(wěn)壓(芯片輸出端的電壓信號穩(wěn)定于5 V左右)，通過電位器進(jìn)行簡單的分壓處理.以O(shè)P27芯片為核心的電壓跟隨器，不僅可以提高系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性，而且可以為差分放大電路提供偏置電壓，從而將采樣電壓調(diào)理到DSP采樣電壓的范圍內(nèi).圖4為采樣信號調(diào)理前后的示波器輸出畫面.

圖4系統(tǒng)采樣信號調(diào)理前后示波器輸出畫面

3 DSP采樣信號解調(diào)單元設(shè)計(jì)

采集信號的數(shù)據(jù)解調(diào)和處理模塊是本系統(tǒng)的核心部分.采用FFT算法對采樣信號進(jìn)行解調(diào)處理.對采樣點(diǎn)數(shù)較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)可以大大減少傳統(tǒng)離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)的工作量，大大提高系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力和速度.

設(shè)置系統(tǒng)采樣頻率為5 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024，運(yùn)行程序后即可得到系統(tǒng)采樣電壓在各頻段內(nèi)的分量.圖5為上位機(jī)CCS界面中顯示的采樣信號和FFT結(jié)果;圖6為DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)FFT解調(diào)程序流程.

圖5采樣信號和FFT結(jié)果

圖6 DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)FFT解調(diào)程序流程

測試中采用具有雜波的信號源，這主要是因?yàn)椴蓸有盘枒?yīng)與激勵(lì)信號具有相同的頻率，即感應(yīng)信號應(yīng)為與激勵(lì)信號不同幅值、不同相位、相同頻率的正弦波形信號，但實(shí)際系統(tǒng)中外部干擾信號的存在會對感應(yīng)信號產(chǎn)生較大的影響，從而導(dǎo)致采樣信號不會具有很好的理論波形(經(jīng)示波器采樣測試證實(shí)，采樣信號具有很大的紋波).對采樣信號進(jìn)行FFT處理可以很好地列出采樣信號中各頻段的信號電壓幅值信息，方便后期數(shù)據(jù)分析記錄.

4 系統(tǒng)驗(yàn)證和金屬檢測實(shí)驗(yàn)

由電磁學(xué)的理論可知，磁場的趨膚效應(yīng)會使在檢測時(shí)金屬表面有效電阻增加，且隨著頻率的增加趨膚效應(yīng)會更加明顯.趨膚深度表達(dá)式為

(6)

式中:f,μ和σ分別表示系統(tǒng)的激勵(lì)信號頻率、金屬材料的相對磁導(dǎo)率和金屬材料的電導(dǎo)率.由式(6)可知，趨膚深度與f,μ和σ有關(guān),因此實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)包括激勵(lì)頻率、材料電磁特性等.實(shí)際應(yīng)用中，鋼和不銹鋼等為工業(yè)上常使用的金屬材料，其磁導(dǎo)率差別較電導(dǎo)率差別要小，為此在實(shí)驗(yàn)中選取不同電導(dǎo)率、不同激勵(lì)信號頻率作為影響結(jié)果的首要分析因素，并檢測記錄系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)信息.

4.1 系統(tǒng)驗(yàn)證

通過設(shè)定，使激勵(lì)信號發(fā)生單元產(chǎn)生特定頻率、特定幅值、特定相位的激勵(lì)信號源.實(shí)驗(yàn)過程中分別固定其他干擾因素，以便對某單一條件進(jìn)行測試.記錄上位機(jī)檢測到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.由于各影響因素中提離高度對系統(tǒng)的影響最小(前期仿真研究結(jié)論)，實(shí)驗(yàn)中均采用0.5 mm的提離高度對系統(tǒng)進(jìn)行測試.

4.1.1 鋼板缺陷探測

設(shè)激勵(lì)信號為頻率1 kHz,幅值10 V的正弦信號，分別在同一鋼板上的有缺陷處和無缺陷處進(jìn)行信號采樣，經(jīng)FFT解調(diào)后分別記錄有缺陷處和無缺陷處的采樣電壓信號幅值(解調(diào)信號實(shí)部).實(shí)驗(yàn)中，采樣數(shù)據(jù)為50組.由圖7可以看出，在有缺陷處采集的電壓幅值比無缺陷處低.

圖7 相同環(huán)境下有缺陷處和無缺陷處的電壓采樣信號

實(shí)驗(yàn)表明，缺陷的干擾會使原磁場產(chǎn)生畸變，影響感應(yīng)磁場，進(jìn)而影響傳感器感應(yīng)線圈兩端的電壓值.缺陷的存在使磁感線的路徑發(fā)生變化，在檢測線圈兩端表現(xiàn)為檢測電壓幅值的波動(dòng).而無缺陷處電壓幅值變化不大，沒有明顯畸變.因此，筆者設(shè)計(jì)的基于DSP的雙線圈電磁探傷系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地檢測出鋼板上的缺陷，初步驗(yàn)證將EMT技術(shù)應(yīng)用于金屬探傷領(lǐng)域的正確性.

4.1.2 實(shí)時(shí)性測試

在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場，為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的，往往對測試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高.為測試探傷系統(tǒng)對缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的準(zhǔn)確性，對被測目標(biāo)板進(jìn)行快速掃描檢測.設(shè)定激勵(lì)信號頻率為3 kHz，取實(shí)驗(yàn)室中一金屬板，選取采樣點(diǎn)數(shù)約為40個(gè)左右，將檢測線圈置于金屬板上，開啟系統(tǒng)進(jìn)行缺陷掃描.掃描過程中傳感線圈速度為0.02 m/s.圖8為系統(tǒng)快速掃描實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際缺陷照片.

圖8系統(tǒng)快速掃描實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際缺陷照片

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:在沒有缺陷的情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會有微弱的波動(dòng)，這主要是由金屬板表面不平滑引起的;而在金屬板缺陷處采樣信號出現(xiàn)大的波動(dòng)，因而根據(jù)采樣信號的波動(dòng)可以確定缺陷位置所在.實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以很好地對金屬板表面缺陷進(jìn)行快速檢測和定位.

4.2 有關(guān)傳感器參數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4.2.1 在不同激勵(lì)頻率下同一材質(zhì)的缺陷檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，被測對象為兩塊鋼板，形狀為矩形，尺寸約為320 mm×49 mm×9.5 mm，其中一塊鋼板表面有一缺陷，具體尺寸為20 mm×10 mm×8 mm.

選取1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 kHz等10個(gè)激勵(lì)頻率,在每一個(gè)激勵(lì)頻率下對有缺陷部位和無缺陷部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,結(jié)果見圖9.

圖9 在各頻率下有缺陷處與無缺陷處采樣信號對比

從圖10中可以看出,系統(tǒng)在有缺陷處檢測的電壓幅值低于在無缺陷處的電壓幅值.

分別對在各個(gè)頻率下無缺陷處和有缺陷處采樣的電壓幅值進(jìn)行做差處理，以獲取缺陷引起的電壓幅值變化量,結(jié)果見圖10.

圖10 在各激勵(lì)頻率下由缺陷引起的電壓幅值變化

由圖10可以看出，在鋼板有缺陷處與無缺陷處的測量信號之差與激勵(lì)頻率有較大的關(guān)系.在1～2 kHz頻段范圍內(nèi)，這種差異很微弱;隨著頻率的逐漸增加，信號差異逐漸明顯起來，尤其在激勵(lì)頻率為4 kHz達(dá)到峰值;隨著頻率的進(jìn)一步增加，信號差異逐漸減小，在5～6 kHz區(qū)間內(nèi)稍有減弱，但相比1～2 kHz頻段還是較為明顯;當(dāng)頻率繼續(xù)增加時(shí)，這種差異變得較為微弱.

由此可知，實(shí)驗(yàn)中被測鋼板的最佳檢測激勵(lì)頻率應(yīng)在2～6 kHz范圍內(nèi)，激勵(lì)頻率低于2 kHz或高于6 kHz均得不到明顯的測量信號.本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證EMT技術(shù)應(yīng)用于金屬探傷領(lǐng)域的可行性.

4.2.2 在相同頻率下不同金屬材質(zhì)的影響測試實(shí)驗(yàn)

設(shè)定激勵(lì)源頻率1 kHz，電壓幅值10 V的正弦信號.在相同環(huán)境下分別取厚度和表面光滑度等參數(shù)均相同的不銹鋼板(304)和鋁板(7075)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

與前述實(shí)驗(yàn)過程相似，分別對傳感器線圈兩端采樣電壓進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的電壓幅值數(shù)據(jù).分別采集50組數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析.此實(shí)驗(yàn)的目的是為驗(yàn)證不同金屬材質(zhì)對同一激勵(lì)場具有不同的調(diào)制作用，表現(xiàn)為：不同材質(zhì)金屬板由于其磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的不同，在同等條件下測量得到的線圈內(nèi)感應(yīng)電壓并不同.因此，該實(shí)驗(yàn)可用于判別工業(yè)現(xiàn)場中不同金屬材質(zhì).

圖11顯示的是兩種金屬材質(zhì)在同一激勵(lì)場下的不同檢測信號數(shù)據(jù).從圖中可以看出，由于兩種金屬材質(zhì)電導(dǎo)率不同，它們在特定激勵(lì)頻率下的趨膚效應(yīng)也有所不同，表現(xiàn)在:兩種金屬表面的附加電阻也有所不同，電導(dǎo)率的不同使得金屬表面渦流場強(qiáng)度有所差異，從而影響磁場強(qiáng)度，進(jìn)而在感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生具有差異的感應(yīng)電壓幅值.

金屬材質(zhì)電導(dǎo)率等自身屬性的不同，導(dǎo)致不同金屬材質(zhì)在相同激勵(lì)場下的測量信號不同，因此，有必要測試常見金屬材質(zhì)的最佳激勵(lì)頻段.設(shè)定激勵(lì)信號源，分別取相同厚度(2 mm)的鋼板、不銹鋼板(304)和鋁板(7075)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖12為在不同激勵(lì)頻率下獲取的不同金屬材質(zhì)的電壓幅值.

圖11 在相同環(huán)境下不同材質(zhì)的采樣電壓信號

圖12 不同材質(zhì)在不同激勵(lì)頻率下的電壓幅值

由圖12可以看出，在頻率較低的情況下測量信號(電壓幅值)波動(dòng)較為明顯，這主要是由于系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)受到強(qiáng)烈的干擾，采樣電壓經(jīng)放大處理后疊加在激勵(lì)頻率段電壓上，使得頻段內(nèi)電壓幅值波動(dòng)較大.

由圖12還可看出，由于金屬材質(zhì)導(dǎo)電性的影響，3種材質(zhì)金屬在同一激勵(lì)場下檢測信號變化趨勢相同，而在每個(gè)頻率下不同金屬材質(zhì)的電壓幅值不同.在不同頻段下隨著電導(dǎo)率的增加采樣電壓幅值均減小:在低頻段內(nèi)，3種金屬材質(zhì)感應(yīng)電壓差異較為微弱;隨著頻率的逐漸增加，在3～8 kHz范圍內(nèi)，3種金屬材質(zhì)感應(yīng)電壓幅值差別均較大，可以很明顯地辨別出3種金屬板;繼續(xù)增加激勵(lì)頻率，3種金屬材質(zhì)電壓幅值差異趨于弱化.在工業(yè)現(xiàn)場，可以采用此頻段激勵(lì)信號對這3種金屬物質(zhì)進(jìn)行鑒別，以提高檢測效率、擴(kuò)充檢測數(shù)據(jù)信息.

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和三維仿真結(jié)果，筆者設(shè)計(jì)和使用的傳感器參數(shù)應(yīng)用于金屬探傷是可行的.系統(tǒng)中采用的雙線圈疊加放置的傳感線圈既可增強(qiáng)線圈中磁通量的大小，又可提高系統(tǒng)檢測的靈敏度；系統(tǒng)選取的傳感結(jié)構(gòu)可以較好地對金屬缺陷進(jìn)行檢測.同時(shí)，采用DSP技術(shù)對EMT信號解調(diào)處理可以很好地提取采樣電壓幅值信號，用來分析缺陷對系統(tǒng)采樣電壓信號的影響.實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的可行，筆者自行設(shè)計(jì)的基于DSP的電磁金屬探傷系統(tǒng)可以較好地對金屬缺陷進(jìn)行快速檢測和定位，DSP技術(shù)的應(yīng)用可大大增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，提高系統(tǒng)的檢測速度與測試精度.

5 結(jié)束語

針對目前金屬探傷領(lǐng)域的現(xiàn)狀，提出將EMT技術(shù)應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)探傷的方案，提出環(huán)繞式的電磁探傷傳感結(jié)構(gòu)；依據(jù)電磁感應(yīng)理論設(shè)計(jì)一套基于DSP的雙線圈電磁金屬探傷系統(tǒng)；最后，利用雙線圈探傷系統(tǒng)進(jìn)行金屬板探傷實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的金屬探傷系統(tǒng)的可行性.

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