電磁無損檢測(cè)電路系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

劉西恩，牛廣亮，孫向陽，李星橙，王鈺琪

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊，065201；2.電子科技大學(xué)，四川成都，611731）

0 引言

在國(guó)外，電磁無損檢測(cè)技術(shù)研究較早，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在油氣管道缺陷在線檢測(cè)、鐵軌缺陷等場(chǎng)景中，并且在某些方面已經(jīng)對(duì)我們國(guó)家形成了壟斷地位[1]。為了確保國(guó)家的油氣管網(wǎng)和列車的正常運(yùn)行，同時(shí)，在一定程度上打破國(guó)外的技術(shù)封鎖和壟斷地位，對(duì)電磁無損檢測(cè)技術(shù)的研究勢(shì)在必行，該技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。其中，電子科技大學(xué)羅清旺等研究[2]主要針對(duì)管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)的幅值實(shí)現(xiàn)了相位的解纏，可以達(dá)到檢測(cè)缺陷較為明顯的效果，但其側(cè)重于幅值的研究，而對(duì)于相位反映出的缺陷大小研究不是很深入。本文基于電磁無損檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了電磁無損檢測(cè)電路系統(tǒng)，包括了激勵(lì)信號(hào)發(fā)射電路和檢測(cè)接收電路等兩部分，對(duì)被測(cè)渦流信號(hào)的幅值和相位的研究更為具體深入，通過正交矢量型鎖定放大器對(duì)缺陷電信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行提取，對(duì)電磁無損檢測(cè)的研究具有十分重要的意義。

1 渦流檢測(cè)原理

電磁無損檢測(cè)技術(shù)是建立在電磁感應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，用來檢測(cè)導(dǎo)電材料中的缺陷。電磁無損檢測(cè)技術(shù)基本原理如圖1所示。發(fā)射電路用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，作用在激勵(lì)線圈①上，使得金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流信號(hào)。由于交變激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是交變的，所以被測(cè)物體中的渦流也是交變的。這樣，檢測(cè)線圈②和檢測(cè)線圈③中的磁場(chǎng)是激勵(lì)磁場(chǎng)和渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)[3]。假定激勵(lì)信號(hào)不變，線圈與被測(cè)物體之間的距離也是保持不變，那么渦流與渦流磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布就由被測(cè)金屬的各項(xiàng)性質(zhì)決定[4]。因此，合成磁場(chǎng)可反映出被測(cè)物體的性質(zhì)是否發(fā)生變化，并將該變化通過磁敏元件轉(zhuǎn)化為缺陷電信號(hào)輸出到接收電路中，從而達(dá)到缺陷檢測(cè)的目的。

圖1 渦流檢測(cè)原理

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由激勵(lì)信號(hào)發(fā)射電路和檢測(cè)接收電路兩部分組成。在激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路中，通過單片機(jī)控制DDS芯片產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)，經(jīng)過低通濾波和信號(hào)放大之后的接入檢測(cè)探頭。當(dāng)檢測(cè)探頭在被測(cè)試件上產(chǎn)生渦流信號(hào)的時(shí)候，檢測(cè)接收電路對(duì)其渦流信號(hào)進(jìn)行放大濾波之后，通過鎖定放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)該渦流信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行提取，從而與標(biāo)準(zhǔn)無缺陷處的幅值和相位進(jìn)行對(duì)比分析，判斷出是否存在缺陷和識(shí)別缺陷大小。

■2.1 激勵(lì)信號(hào)發(fā)射電路

2.1.1 激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生

在電磁無損檢測(cè)中，激勵(lì)信號(hào)輸出的精度、穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度的大小。在初步實(shí)驗(yàn)過程中，為了方便起見可以采用信號(hào)源直接輸出進(jìn)行測(cè)試，但是，由于信號(hào)源體積較大，在電磁渦流檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用中就顯得不太現(xiàn)實(shí)。因此，本次系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）進(jìn)行單獨(dú)產(chǎn)生正弦波信號(hào)，該技術(shù)相比較于其它信號(hào)波形產(chǎn)生技術(shù)而言，具有輸出信號(hào)幅值和和相位穩(wěn)定性高、頻率轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn)[5]。通過MSP430單片機(jī)控制DDS芯片AD9958可以輸出頻率可調(diào)的正弦波信號(hào)，該信號(hào)可以作為激勵(lì)源和后續(xù)檢測(cè)處理電路中鎖定放大器的參考信號(hào)。

圖2 電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖4 AD9958電路設(shè)計(jì)

本次渦流檢測(cè)系統(tǒng)主控芯片是TI公司的16位MSP4305529單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，內(nèi)核指令都是單周期指令、運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)大。該單片機(jī)具有超低功耗，工作電流極小，關(guān)斷狀態(tài)下電流只有0.1μA。因此，本次設(shè)計(jì)選擇該單片機(jī)作為主控芯片。單片機(jī)MSP4305529最小系統(tǒng)如圖3所示。

目前，市場(chǎng)上DDS相關(guān)集成的芯片種類繁多，設(shè)計(jì)較為出眾的當(dāng)屬ADI公司的AD983X、AD593X、AD985X和AD995X四大系列芯片。不同系列具有一定的差異性，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的需要—激勵(lì)信號(hào)源直接輸出同步正交信號(hào)，并且正交精度必須高的特點(diǎn)，只能選用AD985X和AD995X兩個(gè)系列芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。而AD995X采用3.3V和1.8V供電，具有較低功耗。因此，最終選擇具有兩通道同步正交輸出的AD9958芯片。AD9958部分原理圖如圖4所示。

2.1.2 低通濾波

在上述DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)中，AD9958的輸入時(shí)鐘頻率為25MHz，輸入時(shí)鐘倍頻有4到20倍的區(qū)間可供選擇。這樣的話，內(nèi)部倍頻之后的時(shí)鐘最小也有100MHz，在這個(gè)頻段下，集成運(yùn)放的高頻特性下降，由它搭建的有源濾波器，就顯得心有余力而氣不足。因此，本次采用無源電感、電容來實(shí)現(xiàn)橢圓濾波，使得輸出信號(hào)最大頻率可以與主振頻率非常接近，這樣就可以濾除主振頻率，保證正弦波信號(hào)的輸出，具體電路原理圖如圖5所示，七階無源π型橢圓濾波器的截止頻率為125MHz。

圖5 七階橢圓低通濾波器

圖6 低通濾波器設(shè)計(jì)

圖7 信號(hào)放大電路

圖8 儀表放大電路

根據(jù)電磁無損仿真實(shí)驗(yàn)要求，信號(hào)激勵(lì)頻率在500kHz以下的多種頻率進(jìn)行測(cè)試，而上述設(shè)計(jì)的有源橢圓低通濾波并不能有效地濾除125MHz以內(nèi)的諧波分量。因此，為了保證激勵(lì)信號(hào)在500kHz以內(nèi)處于平穩(wěn)通帶內(nèi)，設(shè)計(jì)了如圖6所示的有源低通濾波器。該濾波器采用四階巴特沃斯Sallen-Key結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，芯片選擇具有低噪聲AD8676芯片，設(shè)置增益為1，通帶范圍為500kHz。

2.1.3 信號(hào)放大

在前面提到，DDS信號(hào)輸出的正弦波信號(hào)主要作為激勵(lì)源和幅相檢測(cè)的參考信號(hào)。如果濾波之后的信號(hào)直接接入檢測(cè)探頭，不足驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流信號(hào)進(jìn)

行后續(xù)處理。因此，DDS信號(hào)作為激勵(lì)源的話，就需要對(duì)濾波之后的信號(hào)進(jìn)行放大。首先，通過LT1128對(duì)信號(hào)的幅值放大2倍，然后，將前置放大后的信號(hào)經(jīng)過THS3111進(jìn)行單路功率放大，可以使得激勵(lì)信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到260mA，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖7所示。

■2.2 檢測(cè)接收電路

2.2.1 儀表放大

檢測(cè)探頭在被測(cè)鋼板試件上產(chǎn)生渦流信號(hào)之后，由于該信號(hào)比較微弱，在激勵(lì)信號(hào)頻率為50kHz下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，輸出的渦流信號(hào)電壓峰峰值最小有2mV，最大也才200mV，因此需要經(jīng)過儀表放大處理。本次使用AD8422芯片進(jìn)行儀表放大電路設(shè)計(jì)，該芯片具有多種可調(diào)放大倍數(shù)，最大增益可以達(dá)到991倍。本次設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要，焊接1.05k電阻，使得放大倍數(shù)在20倍左右，具體儀表放大電路如圖8所示。

2.2.2 可調(diào)增益放大

平衡后的電橋信號(hào)經(jīng)過儀表放大后，放大倍數(shù)是固定的，如果想要改變其倍數(shù)，需要改變相應(yīng)的電阻值才可以，相對(duì)比較麻煩。為了更加方便對(duì)該信號(hào)的大小進(jìn)行調(diào)劑，增加了可調(diào)增益放電路，如圖9所示，采用PGA103進(jìn)行設(shè)計(jì)增益具有1、10和100可調(diào)范圍。這里，通過主控芯片單片機(jī)分別控制A1_MCU和A0_MCU的輸入的高低電平達(dá)到增益可調(diào)的目的。

2.2.3 帶通濾波器

經(jīng)過儀表放大、可調(diào)增益放大之后的渦流信號(hào)可以滿足后續(xù)設(shè)計(jì)的要求。但在實(shí)際電磁無損檢測(cè)中，往往會(huì)受到其她外界環(huán)境噪聲的干擾，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)檢測(cè)缺陷的精度和靈敏度。因此，為了提高系統(tǒng)整體的信噪比，就需要根據(jù)測(cè)試頻率的需要設(shè)計(jì)帶通濾波。本次使用的測(cè)試頻率為50kHz的激勵(lì)頻率，就需要設(shè)計(jì)通帶為50kHz的帶通濾波器。采用輸出電壓軌到軌AD8065芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體電路如圖10所示。

圖9 可調(diào)增益放大電路

圖10 帶通濾波器設(shè)計(jì)

2.2.4 鎖定放大器

在電磁無損檢測(cè)中，最為關(guān)鍵的是提取渦流信號(hào)的幅值和相位，這直接關(guān)系到檢測(cè)被測(cè)鋼板試件是否存在缺陷的靈敏度。本文采用正交矢量型鎖定放大器進(jìn)行幅值和相位的檢測(cè)，原理圖如圖11所示。鎖定放大器主要由相敏檢波器和低通濾波器構(gòu)成。相敏檢波器是鎖定放大器的核心模塊，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鑒幅和鑒相的功能，它的輸出不但取決于輸入信號(hào)的幅度，而且取決于輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位差。本文采用模擬乘法器AD835作為相敏檢波器，輸入信號(hào)分為被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)。對(duì)于低通濾波器而言，主要是用來抑制寬帶寬噪聲，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了截止頻率為100Hz，增益為2的濾波器，可以有效提高信噪比。最終，正交矢量型放大器輸出的兩路信號(hào)Ux和Uy，經(jīng)過A/D芯片AD7980接入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖11 鎖定放大器設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

電磁無損檢測(cè)電路系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖12所示，主要使用到的測(cè)試儀器有示波器和信號(hào)源等，圖12中偏下所示電路板為本次設(shè)計(jì)整個(gè)電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板，由右邊兩個(gè)12V電池組提供±12V供電。

圖12 系統(tǒng)測(cè)試

■3.1 激勵(lì)信號(hào)測(cè)試

本次初步測(cè)試的的信號(hào)頻率為5kHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，通過單片機(jī)控制AD9958產(chǎn)生5kHz兩路正交的正弦波信號(hào)，經(jīng)過低通濾波并濾除直流分量后，同時(shí)測(cè)試這兩路信號(hào)的波形，在示波器上顯示如圖13所示。第一通道輸出信號(hào)頻率（平均值）為4.998kHz，峰峰值（平均值）為302mV；第二通道輸出信號(hào)頻率（平均值）為5.001kHz，峰峰值（平均值）為304mV；兩個(gè)通道輸出波形相位呈90°正交。通過分析示波器上的波形可以得出，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，可以作為激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)線圈在被測(cè)鋼板試件上產(chǎn)生渦流信號(hào)。

圖13 激勵(lì)信號(hào)測(cè)試

■3.2 檢測(cè)接收電路測(cè)試

檢測(cè)處理電路系統(tǒng)的核心在于鎖定放大器的設(shè)計(jì)，本次著重測(cè)試分析鎖定放大器，放大濾波等測(cè)試因篇幅限制不再贅述。本次測(cè)試將檢測(cè)接收電路與激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生的參考信號(hào)完全斷開，使用信號(hào)源產(chǎn)生正弦波信號(hào)分別模擬檢測(cè)探頭輸出信號(hào)和相敏檢波器中的參考信號(hào)。將信號(hào)源設(shè)置輸出為頻率為5kHz，峰峰值設(shè)置為500mV，如圖14第一通道所示，并將該信號(hào)輸入到相敏檢波器AD835中的X和Y引腳，輸出結(jié)果W引腳信號(hào)如圖14第二通道所示。由圖14波形分析可以得出，W輸出的信號(hào)頻率是輸入X（Y）的波形頻率的兩倍，并存在一定的直流分量，符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 相敏檢波器測(cè)試

圖15 鎖定放大器測(cè)試

信號(hào)經(jīng)過相敏檢波器AD835后的信號(hào)，由圖14可以看出有輸入信號(hào)二倍頻分量和直流分量，對(duì)于二倍頻的高頻分量在鎖定放大器中提取幅值和相位并沒有用，只用到直流分量。因此，需要后續(xù)設(shè)計(jì)的截止頻率為100Hz的低通濾波器進(jìn)行濾波高頻分量處理。經(jīng)過低通濾波后的信號(hào)，如圖15第二通道所示，分析可得，滿足設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)的鎖定放大器為正交矢量型，兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)基本相同，只是對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的參考信號(hào)不同。本次測(cè)試選取其中的正弦信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)語

本文基于對(duì)電磁無損檢測(cè)的研究，利用直接頻率合成技術(shù)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)作為激勵(lì)源，有效地提升了輸出激勵(lì)信號(hào)幅度和相位的穩(wěn)定性，為后續(xù)檢測(cè)處理電路打下了良好的基礎(chǔ)；在檢測(cè)接收電路中，幅值和相位的提取至關(guān)重要，提出了通過硬件電路正交矢量型鎖定放大器實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦流信號(hào)的幅值和相位的快速提取，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。最終，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的電磁無損檢測(cè)電路系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，為更好的對(duì)導(dǎo)體試件缺陷檢測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為進(jìn)一步研究無損檢測(cè)具有重要意義。