李 偉, 尚亞期, 楊會敏, 袁新安, 邵鑫宇, 趙建超
(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心,山東青島266580)
隨著社會與生產(chǎn)的發(fā)展,無損檢測需求日益增加,交流電磁場檢測技術由于其不需耦合劑、提離不敏感等優(yōu)點,在航空航天、水下結構、管道、壓力容器等領域被廣泛應用無損檢測中[1-2]。
交流電磁場檢測設備由于信號調(diào)理復雜、存在多個信號處理模塊,造成設備體積大、功耗高、不易攜帶,為教學和科研工作帶來諸多不便。針對上述問題,在交流電磁場檢測理論的基礎上,開發(fā)一種低功耗、輕量級的嵌入式交流電磁場檢測系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)主控選擇STM32H743作為系統(tǒng)MCU,構建RT-Thread實時操作系統(tǒng)與TouchGFX前端交互框架,構建交流電磁場檢測實驗系統(tǒng)并進行實驗測試[4]。
交流電磁場檢測理論基礎是電磁感應理論。當通入交流電的激勵線圈靠近被測鐵磁性材料時,交變電流產(chǎn)生的交變磁場作用于被測件產(chǎn)生感應電流,由于集膚效應,感應電流會趨于被測件的表面。在無缺陷的被測件表面,感應電流是均勻分布的,在有缺陷的部位感應電流產(chǎn)生了偏轉,表面的磁場產(chǎn)生畸變,通過磁場傳感器測量到畸變磁場即可判斷和評估裂紋[5-6]。
如圖1所示,X方向磁場在缺陷兩端呈現(xiàn)較小幅值,在缺陷中部呈現(xiàn)波谷,包含裂紋深度信息。Z方向磁場在缺陷兩端呈現(xiàn)正負相反波峰,反映裂紋的長度[7]。
圖1 交流電磁場缺陷檢測原理圖
基于STM32交流電磁場檢測系統(tǒng)包括儀器主機與檢測探頭兩部分,對不同的檢測條件可設計更換不同探頭以滿足檢測作業(yè)條件。檢測系統(tǒng)主要組成如圖2所示。
圖2 檢測系統(tǒng)主要組成
探頭包括激勵線圈、信號放大電路、隧道磁阻(Tunnel Magnetic Resistance,TMR)磁場傳感器[8],當線圈通入正弦激勵,在工件表面產(chǎn)生感應磁場,電流在缺陷周圍擾動,TMR傳感器拾取缺陷周圍畸變磁場,磁場信號經(jīng)放大電路傳輸至儀器主機。
儀器主體包括電源電路、STM32H743核心板、按鍵電路、DDS信號發(fā)生器、功率放大電路、信號濾波電路、RMS-DC電路、SD卡電路與顯示器。MCU與DDS信號發(fā)生器通過SPI通訊,產(chǎn)生1~10 kHZ頻率可調(diào)正弦波,經(jīng)過功率放大為激勵信號,加到探頭線圈上;TMR傳感器采集的磁場信號經(jīng)過信號放大、濾波,最后通過RMS-DC電路求信號有效值;MCU通過A/D采集RMS-DC電路的直流信號,在顯示器上顯示波形,SD卡有數(shù)據(jù)存儲與回溯功能,按鍵電路用于非觸摸情況下操作儀器。如圖3(a)~(g)所示為檢測系統(tǒng)實驗平臺實物圖。
圖3 檢測系統(tǒng)實驗平臺實物圖
良好的硬件設計對保證實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著決定性的作用,系統(tǒng)主要圍繞高精度檢測探頭、儀器主體信號處理、MCU外圍電路進行硬件模塊設計。
如圖4所示為檢測探頭示意圖,探頭包括殼體、頂蓋、TMR傳感器、放大電路、均勻纏繞500匝銅線的磁芯以及用來連接儀器主體的航空插頭。
圖4 檢測探頭
經(jīng)實驗測量,TMR傳感器測量到的電壓信號只有mV級,需要經(jīng)過放大。選擇AD620用于儀表信號放大,其具有低成本、高精度、低失調(diào)電壓、只需一個外部電阻就可設置增益等優(yōu)點。
圖5所示為AD620放大電路[9],設置Bx信號放大倍數(shù)為50,Bz信號放大倍數(shù)為100,選擇Bx信號放大電阻阻值為1 kΩ,Bz信號放大電阻阻值為500 Ω。放大電路為差分輸入,使用耦合電容,可去除信號中的直流分量。
圖5 AD620放大電路
電源的穩(wěn)定對信號處理電路、儀器的穩(wěn)定運行有著決定性的作用。隔離電源有抗干擾能力強、安全性高、較寬的電壓輸入范圍等優(yōu)點[10]。如圖6(a)~(c)所示為電源電路,為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性添設了5處濾波電容,添設了1.5 A保險絲與自鎖按鍵。
圖6 電源電路
系統(tǒng)使用直接數(shù)字合成技術(Direct Digital Synthesizer,DDS)信號發(fā)生器作為信號激勵源,儀器使用AD9833,具有功耗低、輸出頻率范圍廣、分辨率高、可輸出波形種類多等優(yōu)點。AD9833輸出功率低,無法直接驅(qū)動激勵線圈,添加TDA2030a功率放大電路[11-12]。如圖7(a)、(b)所示為信號發(fā)生器與功率放大電路。
圖7 信號發(fā)生器與功率放大電路
AD9833所需晶振為25 MHz有源晶體振蕩器,外接3線SPI通信接口,MCU可控制AD9833產(chǎn)生1~10 kHz的正弦波;TDA2030A功率放大模塊輸入端并聯(lián)可調(diào)電阻,通過調(diào)節(jié)輸入電流的大小,調(diào)節(jié)輸出功率,同時輸入端耦合電路濾除干擾,兩個二極管用于穩(wěn)壓,功率放大倍數(shù)為32倍[13]。
探頭通過航空插頭與儀器主體相連,主機內(nèi)濾波電路可降低信號噪聲,AD637芯片可實現(xiàn)特征信號有效值計算[14]。濾波與有效值電路如圖8所示。濾波電路使用帶通頻率為10 kHz~150 kHz的二階巴特沃斯帶通濾波器[15],有效值電路中電容C7用于控制計算時間。
圖8 濾波與RMS-DC電路
交流電磁場檢測系統(tǒng)軟件主要由RT-Thread實時操作系統(tǒng)和TouchGFX前端交互框架組成,如圖9所示。
圖9 系統(tǒng)軟件框圖
儀器使用RT-Thread嵌入式實時多線程操作系統(tǒng),系統(tǒng)完全開源,不僅是一個實時內(nèi)核,還具備豐富的中間層生態(tài)[16]。儀器創(chuàng)建了運行TouchGFX前端交互框架的線程。以及各種驅(qū)動線程,包括軟件SPI通信的AD9833線程、作為顯存的SDRAM線程、軟件IIC通信的FT5426觸摸屏驅(qū)動線程、上升沿中斷觸發(fā)的按鍵檢測線程、存儲數(shù)據(jù)的SD卡線程、用于采集探頭信號的AD采集線程,同時在SD卡構建了FATFS虛擬文件系統(tǒng)。
系統(tǒng)使用TouchGFX前端交互框架,作為新興的GUI框架,基于C/C++面向?qū)ο缶帉?,具有占用資源少、動畫美觀、響應迅速等優(yōu)點[17]。儀器的GUI以波形顯示程序為核心,包括屏保界面、桌面、設備信息界面、儀器操作說明界面。圖10為系統(tǒng)啟動時界面。
圖10 波形顯示界面
交流電磁場檢測系統(tǒng)主要包括檢測探頭、STM32H743核心板、顯示屏、電源、DDS信號發(fā)生電路、功率放大電路、濾波與RMS-DC電路等。
本次檢測對象為帶有人為加工缺陷的不銹鋼試塊,如圖11所示。缺陷1~5長度為5 mm,深度分別為4、3、2、1.5、1 mm,長度相同,深度遞減;缺陷6~10深度為3 mm,長度分別為2、3、5、7、9 mm,深度相同,長度遞增。
圖11 不銹鋼裂紋試塊
手持探頭貼緊不銹鋼缺陷試塊,分2次測量,第1次從缺陷5勻速掃描到缺陷1,得到的缺陷特征信號Bx和Bz如圖12所示。第2次從缺陷6勻速掃描到缺陷10,檢測結果如圖13所示。利用SD卡導出上述數(shù)據(jù)進行繪制,如圖14所示。
圖12 缺陷1~5檢測結果
圖13 缺陷6~10檢測結果
從檢測結果可以看出,Bx、Bz信號特征處分別對應缺陷1~10。本系統(tǒng)可以較好檢出不銹鋼板上的微小裂紋。
圖14 缺陷檢測結果圖
本文基于STM32單片機為核心,開發(fā)低功耗、輕量級的嵌入式交流電磁場檢測系統(tǒng),設計基于TMR的高精度檢測探頭,設計信號處理關鍵模塊,移植RTThread實時操作系統(tǒng)與TouchGFX前端交互框架,開發(fā)缺陷顯示軟件,搭建完善的檢測系統(tǒng),進行不銹鋼裂紋檢測實驗。實驗結果表明本文開發(fā)的嵌入式交流電磁場檢測系統(tǒng)可很好地檢測出不銹鋼微小裂紋,對交流電磁場檢測儀器研制有良好的實驗指導意義與現(xiàn)場應用適用性。