白楊，王益祥

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前我國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了相當(dāng)大的規(guī)模，但在實(shí)際的鋼鐵生產(chǎn)過程中，由于始終無法保證高品質(zhì)的熱處理工藝，使得鋼鐵件在經(jīng)過熱處理以后出現(xiàn)硬度過高或者硬度不足的現(xiàn)象常有發(fā)生，造成資源的極大浪費(fèi)。傳統(tǒng)的機(jī)械式硬度計(jì)技術(shù)由于操作繁瑣、效率低下，已經(jīng)不能滿足鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，相關(guān)產(chǎn)業(yè)迫切需求一種能夠在實(shí)際操作中高品質(zhì)、高效率、低損壞的實(shí)現(xiàn)硬度檢測(cè)的裝置。而無損檢測(cè)技術(shù)指的是在不損傷材料或成品構(gòu)件的前提下，根據(jù)材料內(nèi)部的質(zhì)地異常所引起的對(duì)超聲波、光、射線、電磁信號(hào)等的異常變化，來發(fā)現(xiàn)材料有無缺陷的一種技術(shù)手段。脈沖渦流技術(shù)作為無損檢測(cè)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式之一，采用方波作為激勵(lì)源，能夠獲得更多關(guān)于被檢測(cè)材料的材質(zhì)信息，因此已經(jīng)成為無損檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)發(fā)展方向之一。本文是以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為脈沖信號(hào)發(fā)生及反饋信號(hào)采集的基礎(chǔ)控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)專用的信號(hào)發(fā)生以及采集電路，利用PCA算法對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，提取出和材料硬度相關(guān)的特征數(shù)據(jù)信息，結(jié)合最小二乘法建立起特征數(shù)據(jù)和材料硬度的相關(guān)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)硬度特性的快速分選。

1 脈沖渦流檢測(cè)原理

脈沖渦流是一種新的無損檢測(cè)方法，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)激勵(lì)線圈兩端通有交變電流時(shí)，就會(huì)在鄰近的導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出同頻的渦流。傳統(tǒng)渦流采用正弦信號(hào)作為激勵(lì)，而脈沖渦流的激勵(lì)信號(hào)是具有一定占空比的方波。傳統(tǒng)渦流檢測(cè)對(duì)感應(yīng)磁場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，通過測(cè)量感應(yīng)電壓的幅值和相角來確定缺陷的位置，而脈沖渦流可對(duì)磁場進(jìn)行時(shí)域的瞬態(tài)分析，直接測(cè)量感應(yīng)磁場最大值的出現(xiàn)時(shí)間來進(jìn)行缺陷檢測(cè)。采用脈沖激勵(lì)時(shí)，無需更換探頭和改變激勵(lì)頻率，對(duì)被檢測(cè)試件只需要1次掃描就可以完成對(duì)工件材料的屬性分析。脈沖渦流檢測(cè)缺陷識(shí)別原理如圖1所示。

圖1 激勵(lì)電流與感應(yīng)磁場波形

2 系統(tǒng)總體方案描述

檢測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖2所示，主要分成四大部分：

1)掃描裝置：包括試塊和探頭；

2)信號(hào)發(fā)生及采集系統(tǒng)：包括可控脈沖渦流發(fā)生模塊和反饋信號(hào)采集模塊；

3)信號(hào)處理系統(tǒng)：包括信號(hào)去噪、特征提取及硬度判斷等模塊；

4)參數(shù)設(shè)置模塊：可以設(shè)置脈沖渦流發(fā)生模塊的運(yùn)行參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)總體方案框圖

該硬度分選儀在檢測(cè)過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理分為軟件同步采樣、主成分分析提取和最小二乘法建立回歸方程等步驟。其中軟件同步采樣技術(shù)的一般實(shí)現(xiàn)方法是，首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期T，用該周期除以一周內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N得到采樣間隔，并確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。以此采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主成分分析方法便可以將該樣本的數(shù)據(jù)集合作為輸入，根據(jù)PCA算法得到反映信號(hào)主成分構(gòu)成的綜合指標(biāo)，即為所尋找的和材料特性相關(guān)的特征信息。采用回歸分析法處理機(jī)械性能與磁性能變量之間的相關(guān)關(guān)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法，對(duì)一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出比較符合變量間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即經(jīng)驗(yàn)公式，最終確立了脈沖渦流硬度分選儀的軟件實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

由于FPGA已經(jīng)可以作為靈活、精確的信號(hào)發(fā)生裝置，并且可以在同一片F(xiàn)PGA上進(jìn)行信號(hào)的處理，其可配置的Nios II軟核可以非常方便地實(shí)現(xiàn)反饋數(shù)據(jù)的片上處理，所以系統(tǒng)選擇Cyclone II系列的FPGA作為核心控制平臺(tái)。

3.1 基于DDS技術(shù)的脈沖渦流信號(hào)源模塊設(shè)計(jì)

以Cyclone II系列的FPGA為基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)的脈沖渦流信號(hào)的發(fā)生流程框圖如圖3所示。

圖3 脈沖渦流信號(hào)發(fā)生流程圖

直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一種頻率合成方法，具有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號(hào)處理快、相位可控且相位保持連續(xù)變化等特點(diǎn)，在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用?；贒DS的波形發(fā)生原理如圖4所示。

圖4 基于DDS的波形發(fā)生原理圖

DDS原理的實(shí)質(zhì)是以基準(zhǔn)頻率源對(duì)相位進(jìn)行等間隔采樣。在每一個(gè)時(shí)鐘周期，N位相位累加器與其反饋值進(jìn)行累加，其結(jié)果的高L位作為查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應(yīng)的幅度值送到DAC，再由DAC將其轉(zhuǎn)換為階梯模擬波形，最后由具有內(nèi)插作用的LPF將其平滑為連續(xù)的正弦波形輸出。所以通過改變頻率控制字就可以改變輸出頻率。

圖中DDS輸出頻率fout與相位增量Δθ、相位累加器的字長N和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fclk的關(guān)系為：

根據(jù)上式，可以得出輸出頻率fout=1MHz時(shí)的系統(tǒng)誤差與相位累加器字長、時(shí)鐘頻率的關(guān)系，可知，DDS系統(tǒng)輸出頻率誤差隨相位累加器的字長N和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fclk的增加而減少，其中相位累加器是決定系統(tǒng)準(zhǔn)確度的主要因素。DDS系統(tǒng)所需要的波形查找表容量Vol與幅值量化字長m、相位累加器PA字長N的關(guān)系如下：

Vol=G(m,N)=m×2N

波形表長度是相位累加器PA字長N的指數(shù)函數(shù)，要得到高的頻率準(zhǔn)確度就要求有大容量的波形表。

正弦信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)由四部分組成，即數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器或者地址發(fā)生器、波形數(shù)據(jù)ROM，VHDL頂層設(shè)計(jì)和D/A輸出。頂層文件在FPGA中實(shí)現(xiàn)，包含兩個(gè)部分，即ROM的地址信號(hào)發(fā)生器和正弦數(shù)據(jù)ROM。ROM地址信號(hào)發(fā)生器為8位計(jì)數(shù)器，它以時(shí)鐘信號(hào)為輸入脈沖，對(duì)其計(jì)數(shù)，輸出的計(jì)數(shù)值作為ROM的地址；正弦數(shù)據(jù)ROM存放著正弦波一個(gè)完整周期256點(diǎn)的數(shù)值，它接收ROM地址信號(hào)發(fā)生器的地址信號(hào)后，將從數(shù)據(jù)線輸出正弦波波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后即可輸出正弦波，通過電壓比較器將光滑的正弦波轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的脈沖波信號(hào)。

3.2 矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)

頻率控制字的輸入，采用矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)(圖5)。矩陣鍵盤是當(dāng)鍵盤按鍵較多的時(shí)候?yàn)榱斯?jié)省I/O端口而將按鍵按矩陣形式排列構(gòu)成的，根據(jù)數(shù)字輸入的需要，再加上一些后續(xù)信號(hào)處理和分析的需要。

圖5 鍵盤電路

與頻率輸入相關(guān)的按鍵是從左上方開始的3×4部分，其中數(shù)字鍵用來輸入相應(yīng)的數(shù)值，“清零”鍵用來清除當(dāng)前輸入的數(shù)值并開始重新輸入，“確定”鍵用來存儲(chǔ)當(dāng)前輸入的數(shù)值并開始對(duì)其進(jìn)行處理。

3.3 D/A轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)DDS信號(hào)發(fā)生器的原理，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)在ROM中，需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，把它變?yōu)槟M信號(hào)以后才能作為脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)。AD9763是一款雙端口、高速、雙通道、10位CMOS的DAC，提供了出色的交流和直流性能，同時(shí)支持最高125MSPS的更新速率，能夠滿足DDS正弦信號(hào)的輸出要求。

D/A轉(zhuǎn)換的電路原理圖如圖6所示。轉(zhuǎn)換器的高8位分別作為ROM的8位輸出，低兩位引腳接地。為了保證D/A轉(zhuǎn)換的精度，實(shí)驗(yàn)室直接采用HD-120B穩(wěn)壓源，并采用LC濾波和抗混疊濾波的前置濾波器。

圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路

3.4 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

在脈沖渦流無損檢測(cè)系統(tǒng)中，接收到的檢測(cè)信號(hào)非常微弱，不能夠被ADC模塊識(shí)別，因此需要設(shè)計(jì)合理的信號(hào)調(diào)理模塊。在現(xiàn)代微弱信號(hào)的處理領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的放大器，高性能的儀表放大器具有更高的精度、更低的噪聲等優(yōu)點(diǎn)。圖7為設(shè)計(jì)的儀表放大器原理圖，它由兩個(gè)AD825運(yùn)算放大器和一個(gè)AMP03差分放大器組成。

圖7 信號(hào)采集電路

電路增益通過電阻器RG設(shè)置，其增益方程為：

電阻器的取值約為1kΩ以取得最大帶寬。

外部增益控制電阻RG也決定于前置放大器的增益，當(dāng)RG減小時(shí)，由上式可知，隨著可編程增益的增加，開環(huán)增益隨之增大；而當(dāng)RG增大時(shí)開環(huán)增益減小，并且減少了誤差增益，同時(shí)增加帶寬，從而優(yōu)化了頻率響應(yīng)。當(dāng)工作增益為10時(shí)(RG取值為220)，該電路的-dB帶寬約為3.4MHz，AC共模抑制比在1Hz～200kHz時(shí)為60dB，在2MHz時(shí)為43dB，并且在4MHz～7MHz頻率范圍內(nèi)共模抑制比大于43dB。

3.5 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)工作開始時(shí)，需要對(duì)激勵(lì)信號(hào)的頻率值，檢測(cè)分選的門限值等進(jìn)行預(yù)設(shè)值，這些設(shè)置過程需要通過顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，操作員根據(jù)顯示器所顯示的系統(tǒng)提示逐步進(jìn)行設(shè)置。在檢測(cè)結(jié)束時(shí)，需要顯示檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)由于系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)功能，因此還需要對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行顯示。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，液晶顯示器需要具有數(shù)字和漢字顯示、多行顯示的特性，因此選擇了QC12864B型漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，如圖8所示。

圖8 液晶顯示電路

4 軟件實(shí)現(xiàn)硬度檢測(cè)

采用多個(gè)元件調(diào)試系統(tǒng)以后便可對(duì)其他工件進(jìn)行定性和定量化分選與檢測(cè)。在軟件功能設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)著重研究了硬度的測(cè)量方法。

對(duì)于硬度分選來說，一般存在一個(gè)可以檢出的臨界硬度上限值和臨界硬度下限值。當(dāng)被檢測(cè)工件實(shí)際硬度超出臨界上限值或者低于臨界下限值時(shí)，均表示被檢測(cè)工件的硬度不符合要求。硬度檢測(cè)方法的軟件流程如圖9所示。

圖9 硬度分選流程圖

軟件實(shí)現(xiàn)硬度檢測(cè)的關(guān)鍵在于，通過采樣一組已知硬度的標(biāo)樣材料信息，建立起硬度信息和特征數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)標(biāo)樣數(shù)量足夠多時(shí)，建立起的回歸方程更加能夠反映出硬度信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)系，能夠更加精確的實(shí)現(xiàn)材料的硬度分選。

5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

按下鍵盤上的“工作”鍵，在顯示器上會(huì)顯示“分析中……”，稍后，屏幕上顯示出分選結(jié)果，如圖10所示。

圖10 分析結(jié)果顯示

在按下鍵盤上的“統(tǒng)計(jì)”鍵時(shí)，分選儀會(huì)顯示分選記錄，顯示結(jié)果如圖11所示。

圖11 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示

6 結(jié)語

研究了一種利用脈沖渦流技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料硬度分選的實(shí)施方式，以一片F(xiàn)PGA芯片為基礎(chǔ)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了頻率可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)發(fā)生器和反饋信號(hào)采集電路，結(jié)合PCA算法分析處理反饋數(shù)據(jù)，提取出能夠反映硬度信息的數(shù)據(jù)信息，最后利用最小二乘法推算出材料硬度與電磁數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)材料材質(zhì)信息的定性分析。研究表明，該檢測(cè)方法具有可靠性高、無損傷、高效率等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

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