基于STM32的多通道探头阵列低频电磁检测系统研究

2021-09-27杨理践高松巍

仪表技术与传感器 2021年9期

黄平，杨理践，高松巍，白石

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

低频电磁技术(low-frequency electromagnetic technique，LFET)是近年来快速发展的一种新兴无损检测方法，主要采用可变磁化强度的非饱和磁化方式完成被检材料内部及外部腐蚀缺陷的检测。低频电磁检测技术优势主要集中在剩磁微弱、设备轻盈、使用便捷等方面，且可根据材料自身属性(材质、厚度等)适当调整激励方式(激励幅值、驱动频率等)，一般采用电磁铁。

国内外学者对低频电磁检测技术作了大量实验研究和深入探讨，焦敬品[1]等提取缺陷处低频漏磁场信号相位及幅值并进行相应实验分析，认为幅值参数对上表面缺陷深度的变化较为敏感，而相位参数更能直接表征下表面缺陷深度变化。张晓竹[2]等利用COMSOL软件对不同类型缺陷低频漏磁场进行仿真分析，验证了低频电磁检测技术的可靠性与有效性。文献[3]对低频电磁检测技术中激励结构进行设计和优化，选取C型激励磁轭并安装有不超过1 mm厚度的屏蔽层，可在缺陷处获取更为显著的低频漏磁场。文献[4]通过在低频漏磁场信号接收介质(线圈或磁阻式传感器)中嵌入涡流线圈用以判别当前缺陷位于内表面还是外表面，并给出外加低频交流励磁场对涡流线圈的影响关系。郝宪锋[5]等设计了基于电流闭环反馈控制和线性大功率放大器的交流恒流激励源用于低频电磁检测技术中，有效提高了检测精度和稳定性。

本文主要整合了低频电磁检测技术相关研究理论实验成果，基于STM32控制器设计并开发出一套完整的多通道探头阵列低频电磁检测系统，主要由多通道阵列励磁探头模块、激励电路模块、信号调理电路模块、存储读取一体化电路模块及信号采样电路模块组成，同时详细展示并分析了每种模块的构成原理和运行机制，并通过实验验证了系统对缺陷检测的有效性，为后期低频电磁检测技术的进一步研究提供了可靠的硬件实验基础。

1 低频电磁检测技术原理概述

图1为低频电磁检测技术原理模型图。如图1，在激励线圈中施加可变频率和幅值的低频交变励磁信号(交变频率一般为1～30 Hz)，被检试件中必将形成相应的交变电磁场，构成磁回路。在检测过程中遇到试件壁厚减薄或存在缺陷位置时，试件表面低频漏磁场分布形态发生改变，从而被磁场接收介质侦测。由于实际工程应用中外部电磁干扰环境较为复杂，该低频电磁检测系统采用感应式磁传感器检测线圈阵列作为磁场信号接收介质，在屏蔽外部直流杂散磁场的同时可有效拾取低频漏磁场幅值、相位等信息。

图1 低频电磁检测技术原理模型图

激励线圈低频电磁场强度可表述为

H=H0sin(2πft+φ)

(1)

式中：H0为交变磁场激励幅值；f为交变磁场工作频率；φ为激励磁场初始相位。

由法拉第电磁感应定律，图1中感应式磁传感器检测线圈(低频检测线圈)输出信号与原始激励磁场呈正交关系，可表述为

e=2πfNSμrδH0cos(2πft+φ′)

(2)

式中：N、S、μr分别为低频接收线圈匝数、截面积和相对磁导率；φ′为线圈接收信号相位值。

2 低频电磁检测系统各组成模块设计与分析

2.1 多通道阵列励磁探头模块

如图2及图3所示，多通道阵列励磁探头模块主要由离散激励线圈和多通道检测线圈组成，所设计低频电磁检测系统激励线圈为2路(串联结构)，低频检测线圈为16路(2个检测线圈串联组成1路，共32个低频检测线圈)，每路激励线圈涵盖8路检测线圈阵列。激励线圈磁轭采用多层硅钢片煅烧，呈C型结构，并用0.8 mm线径绕制400匝，使得激励低频电磁场在空间中分布更为均匀。单通道低频检测线圈设计为圆柱形结构，可使得线圈输出信号与其几何中心磁场强度呈线性关系，并选取具有高磁导率和低涡流损耗特性的坡莫合金棒作为磁芯，圆柱形线圈内、外径及高度分别为1 mm、2.3 mm、4 mm。

图2 多通道阵列励磁探头模块实物图

图3 多通道低频电磁检测线圈阵列实物图

2.2 激励电路模块

低频电磁检测系统中激励线圈施加交变磁场设定为标准正弦，可通过传统的直接数字频率合成技术(DDS)[6-7]或正弦波自激振荡电路[8]等方式产生。但为保证数据连续采集过程中单激励周期内采样点初始相位保持一致，采用STM32控制器内部脉宽调制(PWM)技术生成可变频率的脉冲信号(占空比均设定为50%)，并将脉冲信号上升沿反馈至STM32输入捕获引脚，作为信号采样时间起始点。相应地，将单极性脉冲信号进行滤波处理成双极性标准正弦信号，再输入至功率放大电路中，为激励线圈提供交变励磁磁场发生源。

图4为低频脉冲信号滤波电路，STM32控制器根据人机接口所设置频率输出对应脉冲信号(LOWPULSE端口)，通过6N137高速光耦隔离转换成高电平仅为2.5 V(TL431输出2.5 V基准电压)的单极性脉冲，输入至八阶可调电容巴特沃斯滤波器(MAX295，截止频率最小可设置为0.1 Hz，最高为50 kHz，完全满足应用需求)，滤波器输出峰峰值为2.5 V的标准交流正弦信号至SineWave端口。

图4 低频脉冲信号滤波电路

图5给出了低频交变励磁信号功率放大电路，在调理电路中采用两级功率调节模式，第一级为数字开关调节，第二级为模拟电位器调节。第一级将基于ADG2024路模拟开关置入激励源交流信号(SineWave)同向比例放大控制电路反馈端中，通过切换反馈电阻与输入电阻的比值以改变放大倍数(放大倍数为1、2、4、8，共4个档位，分别称为小功率、低功率、中功率和大功率，作为人机界面功率选择控制项)。第二级采取模拟电位器(R23)整体调节功率端输入信号，系统出厂前进行适当调整即可。调理后的激励信号幅值已达到应用要求，但普通运放不具备较大功率以驱动激励线圈，因此，该低频电磁检测系统采用双功率运放(LM1875，高达30 W输出功率)级联输出，幅值可提高2倍。第一级功率运放采用同相比例放大模式，其输出信号作为第二级功率运放输入，采用反向放大比例模式的第二级功率运放较第一级功率运放输出信号相位相差180°，显然，两级功率运放输出差值电压可提高至电源供电电压幅值的2倍(由±12 V提高至±24 V)，使得激励线圈施加交变励磁信号在较大范围内调整。

图5 低频交变励磁信号功率放大电路

2.3 信号调理电路模块

由法拉第电磁感应定律得知，低频电磁检测线圈基本不受空间直流磁场影响，但不可避免地会叠加空间杂散交流磁场，准确捕捉检测线圈输出信号是低频电磁检测系统检测能力的重要保证。如图6所示，低频电磁检测线圈感应信号带载能力微弱，选取高输入阻抗、低输入电流的宽电压运放CA3140(输入阻抗高达1.5 TΩ、典型输入电流为10 pA/±15 V)作为原始检测信号跟随器，将检测信号失真度降至最低。在此基础上利用OP27精密放大器对检测信号进行二阶放大滤波处理，得到纹波较小并可直接反映被检材料表面特征的感应信号。

图6 低频电磁检测线圈信号调理电路

2.4 信号采样电路模块

根据香农定理，信号采样频率需大于等于原始信号自身交变频率的2倍才能还原其频谱特性。低频电磁检测系统采样频率设置为检测信号交变频率的16倍，完整保留原始信号，如图7所示。

图7中，16路低频电磁检测线圈阵列经信号调理电路后分别接入多通道模拟开关(MAX306)中，由STM32控制系统片选引脚决定公共端输出对应通道信号。低频电磁检测线圈输出为交流信号，为便于信号采集，在每路通道信号中叠加稳定的6 V直流源。通过器件OP27(器件标号：U12)组成可调直流源跟随器输出至OP07(器件标号：U9)同相端，其反相端为检测线圈输入信号。这里，OP07(器件标号：U9)采用单电源供电，可将输入信号钳位至0～12 V，避免不可控因素使得输出电压转负损坏后续A/D采样芯片，保障了采样电路的稳定性。A/D采样芯片为16位转换器(LTC1864)，其基准电源通过串联型基准稳压芯片AD586(5 V±2 mV)供给，尽可能提高信噪比(SNR)。

图7 低频电磁检测线圈阵列信号采样电路

2.5 存储读取一体化电路模块

低频电磁检测系统运行过程中不断将采样数据及相关激励参数信息以既定协议存入大容量TF卡(Micro SD)中，并基于USB3300(理论通讯速度为480 MB/s，兼容USB2.0协议)通过上位机USB接口实时上传或检测工程结束后拷贝数据，如图8所示。

图8 低频电磁检测系统存储读取一体化电路模块

3 实验与结果分析

3.1 低频电磁检测系统样机

整合低频电磁检测系统所有组成电路模块，形成低频电磁检测系统样机，如图9所示。示波器中展示了16路低频电磁检测线圈经多通道模拟开关后循环切换输出信号，满足在单激励周期内完成对所有通道信号的多点采样。另外，样机中增加了缺陷显示单元和位置指示发光二极管，便于检测中实时发现缺陷。

图9 低频电磁检测系统样机

3.2 低频电磁检测相关实验

选取一块10 mm厚Q235钢板并刻有相同长度(20 mm)和宽度(4 mm)、不同深度(1、3、5、7、9 mm)的裂纹缺陷作为实验对象，如图10所示。

图10 刻有缺陷的Q235实验钢板

检测扫描方向垂直于裂纹缺陷延伸方向，低频电磁检测线圈阵列与钢板垂直距离约为5 mm(提离值)，扫描速度为10 mm/s，激励线圈施加幅值及频率分别为±8 V和20 Hz。提取位于缺陷中心正上方单路低频电磁检测线圈输出信号，如图11所示，图12给出了基于正弦拟合算法得到缺陷处最大幅值及相位变化量随缺陷深度增加的变化趋势。