平衡电磁检测技术同步数据采集控制系统研究

2022-03-15郑文学杨理践李佳音高松巍

仪表技术与传感器 2022年2期

郑文学，杨理践，李佳音，高松巍，刘斌

(沈阳工业大学信息科与工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

铁磁性材料在生产以及使用过程中，由于受到各种恶劣外界因素的影响，会产生裂纹缺陷。裂纹缺陷的出现会使铁磁性材料出现应力集中区，从而降低其机械强度与使用寿命[1]。裂纹缺陷的长度、宽度会随着裂纹缺陷开裂程度的增加而逐渐变宽、变长[2]，所以需要对铁磁性材料的表面裂纹长度、宽度进行量化检测研究。

平衡电磁检测技术结合交流漏磁检测技术与交流电磁检测技术，针对铁磁构件表面裂纹缺陷，可以实现一次扫描同时检测横纵两方向裂纹缺陷，并且可以有效区分两方向裂纹缺陷[3]。交流漏磁技术可以对横向裂纹缺陷的宽度进行有效分析，焦敬品[4]等研制了有包覆层管道的低频漏磁检测装置，通过仿真与实验的方式研究了不同宽度缺陷对漏磁场的影响，得到检测信号与谐波畸变率均可判断缺陷宽度的结论；廖肖晓[5]等采用有限元数值分析的方式研究了缺陷长度、宽度、深度对漏磁场的影响，得到了漏磁的环向分量可以对缺陷量化的结论；P.Karuppasamy[6]等基于有限元仿真分析了低频漏磁检测技术磁芯与线圈对检测信号的影响，实现了不同宽度裂纹缺陷的检测。交流电磁可以对纵向裂纹长度有效分析，任尚坤[7]等研究了纵向裂纹的长度及探头提离高度对检测信号的影响，结果表明该方法可定量评价表面裂纹的长度。周兆明[8]等采用有限元仿真的方法研究了不同尺寸裂纹缺陷对交流电磁场检测信号的影响，通过计算Z轴磁通密度峰值与谷值间距确定了裂纹缺陷长度。S.X.Zhao[9]等采用有限元的方法得到裂纹缺陷长度与检测信号峰谷间距的关系，并建立了检测信号与裂纹长度的插值方程，通过实验的方式验证了该插值方程的准确性。

为了进一步研究平衡电磁检测技术对横向裂纹的宽度与纵向裂纹长度的量化能力，采用对传感器检测信号等间距采样的方法。该方法以同步采集控制模块为核心，三轴机械运动平台带动编码器旋转，编码器每转动固定角度产生一脉冲信号，同步采集控制模块接收到编码器的脉冲信号后对传感器的输出信号进行采集，实现等间距采样，通过分析检测信号峰谷间距来判断横向裂纹缺陷宽度、纵向裂纹缺陷长度。

1 平衡电磁检测技术原理

平衡电磁检测技术采用一对正交排布的线圈和铁氧体磁芯作为传感器。如图1所示。

在与被测铁磁构件垂直的线圈两端施加正弦交流电压，产生磁场，通过高导磁铁氧体将磁场导至铁磁构件表面，铁磁构件表面感应出磁通与电流。在铁磁构件表面没有缺陷的时候，其表面是电磁平衡状态，接收线圈内没有感应电压；当铁磁构件表面存在缺陷的时候，缺陷使得铁磁构件表面电磁平衡状态被打破，产生漏磁通与感应电流畸变，接收线圈内有感应电压产生。

1.1 横向裂纹宽度检测原理

平衡电磁检测技术基于交流漏磁原理检测横向裂纹。在激励线圈两端施加正弦交流电压，激励线圈产生交变磁场，经过铁氧体磁芯使得交变磁场在铁磁构件表面传播，当遇到横向裂纹缺陷产生漏磁通，如图2所示。

图2 横向裂纹检测示意图

从图2可以看出当传感器处于横向裂纹缺陷中心时，穿入穿出检测线圈的磁通量相等，感应电压为零。当传感器在横向裂纹两端时，穿入穿出检测线圈的漏磁通最多，根据法拉第电磁感应定律。

(1)

式中：Ve为接收线圈的接收电压；φ为垂直穿过接收线圈的漏磁通。

从式(1)可以得到接收线圈的感应电压与垂直穿过接收线圈的漏磁通的时间变化率成正比。结合漏磁通分布，可以得到检测线圈在裂纹缺陷两端有最大或最小感应电压，两峰谷值间距为横向裂纹宽度D。

1.2 纵向裂纹长度检测原理

平衡电磁检测技术基于交流电磁原理检测纵向裂纹。通交流电的激励线圈产生交变磁场，交变磁场经过铁氧体磁芯传播到铁磁构件表面，当遇到纵向裂纹缺陷产生感应电流畸变，如图3所示。

图3 纵向裂纹检测示意图

从图3可以看出，当铁磁构件表面存在纵向裂纹时，感应电流向裂纹两端集中，裂纹中间感应电流稀疏[10]。结合纵向裂纹接收电压模型[3]：

(2)

式中：S为接收线圈面积；n为接收线圈微元个数；I为铁磁构件表面感应电流；μ0为空气磁导率；ρ为接收线圈与铁磁构件表面感应电流距离。

根据电流分布与接收电压模型得到裂纹两端接收存在峰值与谷值，峰谷值间距为裂纹长度L。

2 同步数据采集控制系统设计

为了实现对横向裂纹的宽度与纵向裂纹长度的量化，设计了平衡电磁检测技术同步数据采集控制系统。系统包括三轴机械平台、限位器、步进电机及驱动、编码器、PC机、平衡电磁检测技术传感器和同步采集控制模块，其结构如图4所示。

图4 同步数据采集控制系统结构

以FPGA为核心的同步采集控制模块对步进电机驱动发出匀速控制信号，以驱动步进电机匀速旋转，步进电机的匀速旋转使三轴机械平台主轴匀速移动。三轴机械平台主轴带动传感器对裂纹缺陷匀速检测，三轴机械平台每移动固定距离带动编码器转动固定角度，编码器旋转产生脉冲信号，同步采集控制模块以此脉冲信号为同步信号，接收到了同步信号的同步采集控制模块采集传感器输出的信号，然后以USB通信的方式传输至PC机存储、显示。限位器对主轴的运动起始位置进行限制。

3 同步采集控制模块设计与分析

同步采集模块为同步采集控制系统的核心，同步采集控制模块电路主要包括信号处理电路、模数转换电路、隔离电路、USB电路。硬件电路组成整体框图如图5所示。

图5 硬件电路整体框图

由于限位器、编码器、电机驱动电平与FPGA电平不兼容，为防止损坏FPGA，需要与FPGA之间增加隔离电路。传感器输出的模拟信号，经过放大滤波后进行模数转换，以USB通信方式传输至PC机进行存储与显示。

3.1 信号处理电路

平衡电磁技术传感器输出的是处理后的单端模拟信号，为了降低温度以及空间对传输线的干扰并且与差分输入模数转换器更好的连接，采用低功率、低噪声、最大温度漂移0.5 ppm/℃的LTC6363全差分运放对单端传感器信号放大滤波处理，并且将单端传感器信号转换成差分信号，以便达到模数转换的全部量程。信号处理电路如图6所示。

为了实现轨对轨的动态输出电压范围，需要将LTC6363全差分运放输出共模电压设置为电源电压的一半，采用两电阻分压后接电压跟随器的形式来实现共模电压的设置，电压跟随器采用低噪声、微功耗的AD8603芯片。由于模数转换器为单电源差分输入，需要对传感器输出的单端电压进行转差分转换，并且LTC6363全差分运放可以更好地驱动模数转换器，在LTC6363全差分运放输出后接小电阻可以对运放起到保护作用，C5可以对两差分信号进行低通滤波，达到降噪的目的。

3.2 模数转换电路

为了使同步采集控制模块模数转换部分温度漂移和时间漂移更小，提高模数转换电路的信噪比，模数转换电路的基准源采用高精度、低温漂的串联型带隙电压基准ADR4550，ADR4550的初始电压误差为0.002%，最大温度系数为1 ppm。模数转换电路采用单通道、16位、吞吐速率250 kSPS、逐次逼近型的AD7687。模数转换电路如图7所示。

图7 模数转换电路图

将信号处理电路的输入与模数转换电路的输入相连，将带隙基准源连接模数转换基准电压引脚。模数转换电路采用三线SPI通信方式与FPGA连接。CNV拉高开始转换，转换结束后，在SCK下降沿由高位到低位依次读出转换数据。

3.3 隔离电路

由于编码器、电机驱动、限位器电平与FPGA电平不兼容，为了防止电流倒灌、损坏FPGA芯片，所以需要采用隔离电路。隔离电路采用PC817光耦，实现了FPGA端与三轴机械平台端的电气分离，两端有各自的供电系统，互不干扰。隔离电路如图8所示。

图8 隔离电路图

FPGA输出固定频率的脉冲信号、方向控制信号、电机使能信号，通过3个信号的互相配合实现步进电机的匀速转动。P1、P2分别为限位器信号，PUL连接编码器。

3.4 USB传输电路

由于同步采集控制系统为高速采样，且位数较高，数据量较大，所以与PC机的通信需要选择速率高的通信方式。CH370支持12 Mbps全速USB通信，兼容USB V2.0，并且CH370有5 MB/s速度的8位被动并行接口，采用并行接口与FPGA连接可以实现更高的通信速率[11]。USB传输电路如图9所示。

图9 USB传输电路图

当A0引脚为高电平时选择索引地址端口，可以写入新的索引地址，或者读出数据但保持索引地址不变。当A0引脚为低电平时选择数据端口，可以读写索引地址对应的数据。

3.5 软件设计

同步采集控制系统软件部分主要有电机控制模块、限位模块、数据采集模块、双缓冲模块、通讯模块。其中电机控制模块与限位模块共同可控制三轴机械平台移动，电机控制模块产生固定频率方波，使步进电机匀速转动，当限位模块产生高电平信号并被FPGA接收以后，FPGA发出停止命令。

为了实现等间距检测，需要对检测信号定长采样。编码器检测三轴机械平台移动距离，三轴机械平台每移动0.1 mm输出一个脉冲信号，将此脉冲信号作为每次数据采集的条件，就可以实现等间距检测。由于系统采集数据量较大，为了实现实时采集与传输，采用双缓冲[12]方式缓存与传输。双缓冲控制原理如图10所示。在FPGA内部开辟2个地址空间的缓存单元，分别为存储空间1和存储空间2。图10中虚线与实线分别代表不同读写周期。当FPGA将采集数据写入存储空间1的时候，FPGA从存储空间2读出数据并以USB通信方式向PC机传输数据，当存储空间1写入地址达到阈值时，读写状态翻转。此时FPGA将采集数据写入存储空间2，FPGA从存储空间1读出数据并以USB通信方式向PC机传输数据，如此往复循环。

4 实验研究与结果分析

4.1 同步数据采集控制系统检测实验

同步数据采集控制系统包括三轴机械运动平台、检测传感器和同步采集控制模块，如图11所示。

图11 同步数据采集控制系统

将平衡电磁检测技术传感器安装在三轴机械运动平台上，步进电机带动主轴x轴匀速运动，使检测传感器匀速检测裂纹缺陷。通过调节y轴使检测传感器位于裂纹中心，通过调节z轴使检测传感器与钢板紧密接触。利用同步采集控制模块对电机驱动发出匀速转动的命令以驱动步进电机匀速转动，步进电机带动三轴机械运动平台的主轴匀速直线运动，主轴带动检测传感器匀速扫描钢板表面裂纹。主轴的匀速直线运动使编码器匀速转动，由于采用了周长200 mm、计数值为2000的编码器，所以主轴每运动0.1 mm，编码器输出一个脉冲信号，同步采集控制模块接收到编码器的脉冲信号后对检测传感器输出信号进行采集，转换成数字信号后再以USB通信的方式传输至PC机显示、存储。限位器1和限位器2起到对检测传感器位置标定的作用，其中限位器1为检测起始点，限位器2为检测终止点。

测试试件为Q235钢板，钢板上的裂纹缺陷深度均为3 mm，试件及裂纹缺陷如图12所示。图中1#、2#、3#裂纹缺陷宽度分别为0.5 mm、4 mm、2 mm，长度分别为40 mm、20 mm、20 mm。

图12 裂纹缺陷图

4.2 实验结果分析

将1#、2#、3#裂纹缺陷沿检测平台y轴方向摆放进行检测，此时检测传感器运动方向与裂纹方向垂直，横向裂纹缺陷检测信号如图13所示。

图13 横向裂纹缺陷检测信号图

将1#、2#裂纹缺陷沿检测平台x轴方向摆放进行检测，此时检测传感器运动方向与裂纹缺陷方向平行，纵向裂纹缺陷检测信号如图14所示。

图14 纵向裂纹缺陷检测信号图

为了定量分析横向裂纹宽度与纵向裂纹长度与检测信号峰谷值间距的关系，提取检测信号峰谷值间距，裂纹宽度与检测信号对应关系如表1所示。从表中可以看出在裂纹缺陷宽度值较小时，测量的绝对误差较小，采用检测传感器移动与数据采集同步的方法可以实现裂纹缺陷宽度的定量化检测。裂纹长度与检测信号对应关系如表2所示。从表中可以看出在裂纹缺陷长度值较大时，测量的相对误差较小，该系统可以对裂纹长度进行定量化检测。