基于PCI2010數(shù)據(jù)采集卡的多通道渦流探傷儀的設計

王貝，翟瑞占，韓曉華

(山東省科學院激光研究所，山東濟寧272107)

為了提升探傷能力，渦流探傷儀器需要數(shù)字化、智能化［1－5］，以實現(xiàn)對每根鋼管經(jīng)過探傷后的結果可查詢、追溯，探傷波形可查看，從而避免有缺陷的產(chǎn)品出廠，并可以查明原因，提前采取預防措施，提高效益。同時作為鋼管生產(chǎn)企業(yè)下游用戶質量保證的一個有效的技術手段，可以預防質量事故的產(chǎn)生。

德國的福斯特(FORSTER)在渦流儀器研究方面一直處于領先地位，生產(chǎn)的DEFECTOMETER系列儀器針對性強，性能優(yōu)越，在全世界得到廣泛的應用。我國的寶鋼也使用該設備，但是進口設備較昂貴，生產(chǎn)成本會相應增加。目前在國內市場處于主導地位的是廈門愛德森電子有限公司開發(fā)的集成度很高的EEC系列數(shù)字化渦流檢測儀器，但其儀器參數(shù)設計多，調試比較繁雜。為了在鋼管檢測方面易于調試，本文在Windows XP系統(tǒng)平臺下，采用PCI2010數(shù)據(jù)采集卡設計了多通道渦流探傷儀。

1 工作原理

當載有頻率為交變電流的檢測線圈置于導電試件上時，試件將感應出渦流。此渦流產(chǎn)生一個與原磁場方向相反的磁場，并部分抵消原磁場，導致檢測線圈阻抗的電阻和電感的變化。渦流探傷是渦流效應的應用［6－7］，實質上就是檢測線圈阻抗發(fā)生的變化并加以處理，從而對試件的物理性能做出評價。利用阻抗平面顯示技術，不但能測出缺陷的大小信息，而且還能區(qū)分缺陷的位置以及其他干擾信號，給缺陷分析提供了較理想的手段。

渦流檢測儀一般由激勵振蕩電路、探頭電路、信號輸出電路、放大電路、處理器和顯示器組成。激勵振蕩電路產(chǎn)生交變信號，經(jīng)過驅動放大輸出交變激勵信號，加到探頭激勵線圈上。探頭中的檢測線圈拾取被測工件上缺陷調制的渦流信號，此信號被放大并經(jīng)X、Y分解后，再經(jīng)相敏檢波處理，濾波輸出后加到A/D轉換通道中，數(shù)據(jù)處理后顯示在顯示器上。

2 總體設計

基于PCI2010數(shù)據(jù)采集卡［8］設計的多通道渦流儀，由激勵信號板、渦流信號模擬輸出信號板、控制板、PCI2010數(shù)據(jù)采集卡以及研華工業(yè)控制計算機組成。總體設計方案見圖1。

儀器分別對16個探頭得到的渦流信號進行前置放大，然后對每路信號進行X、Y向分解，經(jīng)相敏檢波、濾波放大電路和采集卡采集數(shù)據(jù)后，由計算機對數(shù)據(jù)進行處理，獲得有用的傷信號，達到或超過報警界限的，送出報警信號。

圖1 多通道渦流探傷儀架構Fig.1 Architecture of multi-channel eddy current instrument

3 設計方案

3.1 激勵電路

利用PCI2010卡上輸出的一路DA模擬量，控制壓/頻轉換器件ICL8038的頻率，實現(xiàn)方波、三角波和正弦波的輸出。由于ICL8038是輸出頻率與輸入電壓成正比的線性壓控振蕩器電路，能夠在一定范圍內使壓控電壓和頻率成線性關系，所以在3～120 kHz內可按照實際測量得到的直線方程來編寫軟件，控制頻率的輸出，以滿足實際渦流檢測的需要。圖2為渦流激勵信號波形。

3.2 信號接收部分

渦流檢測線圈按使用方式分成絕對式、它比式和自比式。在本設計中，依據(jù)實際情況，采用絕對式渦流檢測線圈。線圈拾取試件上的缺陷信號后進行前置放大，然后再進行增益放大，此信號是傷信號對激勵同頻率載波的調制信號，為獲得有用的傷信號，需要去掉這個載波信號。

3.3 相敏檢波電路

放大后的渦流信號，經(jīng)過X、Y分解電路后，通過相敏檢波器檢波。為了測量噪聲中的渦流信號的幅值和相位，可通過兩個互關器來實現(xiàn)。

設計了正交分解器，使其同時輸出被測信號的實部和虛部分量，基本框圖見圖3。

若激勵信號A0=A sin(ωt)，渦流信號 AS=A sin(ωt－θ)，經(jīng)過正交分解器后，其輸出可看作渦流信號AS在參考信號半個周期內的積分，即

圖2 渦流激勵信號波形Fig.2 Waveform of eddy current excitation signal

圖3 正交分解器框圖Fig.3 Block diagram of orthogonal decomposition

其中，LX、LY為兩個通道的等效增益，T為周期信號。當LX=LY=L，可計算出渦流信號的相位角和幅值分別為

正交分解器輸出的AX、AY分量，經(jīng)A/D轉換器同步采集后，再送處理器處理，最終由公式(1)、(2)求解渦流信號的相角和幅值。

AX、AY分量送入PCI2010數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D轉換、計算機數(shù)據(jù)處理以及傷信號相位的旋轉，顯示在顯示屏上，由于試件缺陷信號和噪聲信號有相位差，就可以根據(jù)設定的報警扇區(qū)，決定傷信號是否落在報警區(qū)域內，以進行信號處理。

3.4 PCI2010數(shù)據(jù)采集卡與激勵電路、渦流信號電路、計算機的對接

PCI2010數(shù)據(jù)采集卡是一種基于PCI總線技術的數(shù)據(jù)采集卡，可插在與之兼容的研華工業(yè)計算機的PCI插槽內，是構成渦流檢測信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心部件之一。該采集卡有16路DI數(shù)字量輸入功能和16路DO數(shù)字輸出量功能，最高采樣速率是400 kHz，模擬輸入通道為32通道，A/D轉換精度為14位，性能足可以滿足多通道渦流檢測儀對采樣速率的要求。還有一路DA模擬量輸出功能，轉換精度為12位，利用其控制ICL8038的壓控端，以控制激勵頻率的輸出頻率值。PCI2010卡內部有一個8 K FIFO存儲器，可通過滿、半滿、DMA以及中斷方式讀取經(jīng)過渦流檢測采集的A/D轉換數(shù)據(jù)，然后與計算機通過PCI進行數(shù)據(jù)交換［9］。渦流儀器的增益、濾波、激勵幅度控制數(shù)據(jù)通過PCI2010數(shù)據(jù)采集卡上的16路DO數(shù)字量輸出通道送到控制板上，經(jīng)解碼后分別送到渦流信號模擬和激勵幅度板上，并將這些數(shù)據(jù)鎖存在數(shù)據(jù)鎖存器內，通過它們控制模擬開關的開通，來實現(xiàn)對渦流檢測的增益、濾波和激勵幅度的控制。

3.5 軟件設計

在Windows平臺下運行，界面采用VC編寫，方便用戶使用。運行程序采用C#語言和microsoft.Net［10］，實現(xiàn)多通道渦流檢測儀器所要求的指標，見圖4～6。

圖4 渦流參數(shù)設置界面圖Fig.4 Set interface of eddy current parameters

圖5 檢測記錄設置界面Fig.5 Set interface of test record

圖6 渦流探傷記錄Fig.6 Eddy current test record

4 測試結果

基于PCI2010數(shù)據(jù)采集卡的多通道渦流儀器通過實驗對1、4、16通道儀器進行了現(xiàn)場實測。對圖7～9的分析可知，圖中的噪聲信號和8字形傷信號相位差比較大，提高了信噪比，有利于鋼管的渦流檢測。

在直徑76 mm鋼管樣管上，按國標A級標準打通孔［11－12］，采用單通道儀器對其進行穿過式線圈探傷，頻率5 kHz，增益50 dB，探傷截圖見圖7。

在直徑325 mm鋼管樣管上，按國標L級刻槽傷，鋼管螺旋式旋轉前進，采用4通道儀器、點式探頭對鋼管全掃描探傷，探傷激勵頻率為18 kHz，探傷截圖見圖8。

在直徑325 mm鋼管樣管上，按國標L級刻槽傷，鋼管螺旋式旋轉前進，采用16通道儀器、點式探頭對鋼管全掃描探傷，探傷激勵頻率為18 kHz，探傷截圖見圖9。

經(jīng)現(xiàn)場測試，本系列渦流儀探測鋼管速度最高能達到100 m/min，誤報率控制在1%以下，基本不漏報，高于國家標準，滿足了鋼管企業(yè)對渦流探傷儀的要求。

圖7 單通道渦流儀器測試截圖(孔傷)Fig.7 Testing section of single-channel eddy current instrument(hole)

圖8 四通道渦流儀器截圖(槽傷)Fig.8 Section of four-channel eddy current instrument(slot)

圖9 16通道渦流儀器截圖(槽傷)Fig.9 Section of sixteen-channel eddy current instrument(slot)

5 結語

采用PCI2010數(shù)據(jù)采集卡設計的多通道渦流儀器，其渦流信號通道板采用了模塊化設計，可以互換，只需調整跳線器即可。采用正交分解法得出的渦流信號的相角和幅值準確，更接近探傷實際。本儀器界面設計簡單，便于操作使用。同時程序也采用模塊化設計，提高了檢修效率，設計是可行的。

本儀器的設計主要針對鋼管檢測的激勵頻率范圍，對于其他材質金屬材料的檢測還欠缺。今后要從原理設計、集成電路和軟件實現(xiàn)上對信號解調、相敏檢波、激勵信號以及界面設計等多方面進行優(yōu)化，使儀器可以在3 kHz～2 MHz頻率下工作，以適用于不同的金屬材質的渦流檢測，從而拓展儀器的適用范圍。

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