段成功，高松巍

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

脈沖渦流檢測技術(shù)是渦流無損檢測技術(shù)的一個分支，以其平均功率小、瞬時功率大、穿透深度大和信息量豐富等優(yōu)勢擁有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在檢測金屬裂紋和腐蝕方面表現(xiàn)尤為突出[1-3]。遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)又不同于常規(guī)渦流檢測技術(shù)，將低頻脈沖信號加到激勵線圈上，在遠(yuǎn)場區(qū)的檢測線圈會收到兩次穿越管壁、攜帶管壁信息的檢測信號。遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)對管道內(nèi)外的缺陷具有相同的檢測靈敏度，可以通過檢測信號的幅值和相位來分析管壁減薄程度。本文中通過各硬件部分的搭建，制作完成了信號發(fā)生、放大及檢測環(huán)節(jié)的工作，同時基于LabVIEW平臺功能，使用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了對檢測信號的優(yōu)化處理，具體包括軟件濾波、數(shù)據(jù)采集、存儲及顯示等。通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對遠(yuǎn)場區(qū)的檢測信號表現(xiàn)比較敏感，在缺陷處數(shù)據(jù)的變化尤其十分明顯，對數(shù)據(jù)進(jìn)一步對比計算可以推算出管壁壁厚缺失的大小情況。

1 脈沖遠(yuǎn)場渦流的檢測原理

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)是一種新興的無損檢測技術(shù)。它既保持了常規(guī)渦流檢測的一些優(yōu)點，又具有平均功率小、瞬時功率大、穿透深度大和信息量豐富等獨特的優(yōu)勢。當(dāng)激勵線圈上有脈沖激勵信號時，管道內(nèi)產(chǎn)生的磁場能量會沿著兩條不同的路徑進(jìn)行傳遞（如圖1所示）：1）沿著管道中心軸向的方向，隨著與激勵線圈距離的增大，呈指數(shù)衰減地直接傳遞；2）兩次穿過管壁的間接傳遞。

圖1 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理圖

當(dāng)檢測線圈與激勵線圈之間的距離小于2倍管內(nèi)徑時，直接傳遞的能量會明顯地多于間接傳遞的能量，該區(qū)域被稱為近場區(qū)；當(dāng)檢測線圈與激勵線圈之間的距離為2～3倍管內(nèi)徑時，直接傳遞的能量與間接傳遞的能量互有影響，該區(qū)域被稱為過渡區(qū)；當(dāng)檢測線圈與激勵線圈之間的距離大于3倍管內(nèi)徑時，間接傳遞的能量會明顯地多于直接傳遞的能量，該區(qū)域被稱為遠(yuǎn)場區(qū)[4]。

在遠(yuǎn)場區(qū)，占主導(dǎo)地位的間接傳遞能量由激勵線圈發(fā)出，兩次經(jīng)過管壁，包含著管壁的詳細(xì)信息，利用檢測線圈來接收檢測信號，對其進(jìn)行處理計算即可得到關(guān)于管壁厚度的變化情況，這也是脈沖遠(yuǎn)場渦流在遠(yuǎn)場區(qū)檢測的最根本的依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

利用DDS技術(shù)產(chǎn)生低頻脈沖信號經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)后送入激勵線圈作為激勵信號，檢測線圈接收檢測信號，放大后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集及處理，將信號送入到上位機(jī)中，完成對采集數(shù)據(jù)的存儲與顯示，即得到了關(guān)于缺陷的有關(guān)信息（如圖2所示）。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 信號發(fā)生及功率放大環(huán)節(jié)設(shè)計

在信號發(fā)生環(huán)節(jié)中，利用DDS技術(shù)，由單片機(jī)控制，使用AD 9850芯片模塊產(chǎn)生頻率為25 Hz、占空比20%的方波激勵信號。DDS技術(shù)有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號純度高和相位可控等優(yōu)點，這可以保證實驗中信號的高純度。

功率放大環(huán)節(jié)使用放大芯片OPA 548進(jìn)行搭建（如圖3所示），該芯片是低功耗、高電壓和大電流運算放大器，可以驅(qū)動各種負(fù)載。芯片可以使用單電源供電，也可以雙電源供電，這就為電路設(shè)計提供了更大的靈活性。芯片內(nèi)部集成了保護(hù)電路，用來防止芯片過熱和電流過載情況下的損害。

圖3 功率放大電路

2.2.2 探頭傳感器結(jié)構(gòu)

利用ANSYS軟件對探頭傳感器在管道中的工作環(huán)境進(jìn)行模擬，依據(jù)模擬仿真參數(shù)，確定探頭傳感器的結(jié)構(gòu)。探頭傳感器由激勵線圈和檢測線圈兩部分構(gòu)成。激勵線圈和檢測線圈都采用直徑0.27 mm的漆包線，采用雙線并繞的方式進(jìn)行制作。激勵線圈的匝數(shù)選為500，檢測線圈的匝數(shù)選為1500，兩線圈的外徑均為78 mm，并將兩部分線圈用同一連接桿固定，同時將激勵線圈與檢測線圈之間的距離調(diào)整為3倍管道內(nèi)徑。因為探頭傳感器需在管道內(nèi)部完成檢測工作，會存在很多干擾因素，可以考慮在兩線圈之間加入金屬外殼等措施來去除外界干擾。

2.2.3 信號放大環(huán)節(jié)設(shè)計

圖4 信號放大電路

檢測線圈接收到的檢測信號十分微弱，需加入信號放大環(huán)節(jié)。信號放大環(huán)節(jié)以AD 620芯片為核心進(jìn)行搭建（如圖4所示），采用兩級放大方式實現(xiàn)對微弱信號的放大[5]。第一級放大倍數(shù)選擇10倍，同時采用差分輸入方式來去除共模干擾；第二級作為主運放其放大倍數(shù)選擇30倍，達(dá)到理想放大的目的。具體放大倍數(shù)的實現(xiàn)是通過調(diào)整兩個滑動變阻器R 1、R 2的值來完成的。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在LabVIEW平臺上完成軟件程序的編寫，系統(tǒng)總體采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)編寫，具體包含軟件濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲及顯示等功能（如圖5所示），同時設(shè)計了前端顯示界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)設(shè)計很好地利用了虛擬儀器平臺可以將控制信息集中于軟件模塊中的優(yōu)勢，針對不同的需求將不同的功能模塊加以組合編輯，構(gòu)成各種功能儀器，既而減小對硬件的依賴性，同時又不必受限于某些儀器廠商提供的特定功能的限制。

2.3.1 軟件濾波

檢測信號經(jīng)前端放大后仍然存在很多干擾，會對后續(xù)分析造成一定的影響，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要加入濾波環(huán)節(jié)來去除干擾。LabVIEW平臺自帶濾波器VI模塊，圖形化信號處理包含小波變換、時頻分析、圖像處理、濾波器設(shè)計、聲音與振動、系統(tǒng)辨識和RF分析等各種專業(yè)工具包，同時兼容.m文件等數(shù)學(xué)腳本語言與函數(shù)接口，可與硬件無縫地結(jié)合，使算法得到快速的驗證與部署。

圖5 軟件系統(tǒng)總體框圖

程序選用的是巴特沃斯（Butterworth）濾波器，巴特沃斯濾波器擁有平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下調(diào)，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零，過濾帶的陡峭程度正比于濾波器階數(shù)，因此通過提高濾波階數(shù)可以明顯地改善濾波效果，用戶還可以根據(jù)實際的濾波要求來選擇低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等不同的濾波方式以達(dá)到理想的濾波效果[6]。

根據(jù)實際的實驗環(huán)境，選擇低通濾波，濾波器階數(shù)為3階，截止頻率設(shè)置為50 Hz。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集及存儲

使用研華PCI-1716 L高分辨率數(shù)據(jù)采集卡，通過USB總線將數(shù)據(jù)傳遞到計算機(jī)內(nèi)，完成數(shù)據(jù)的存儲及顯示。

因為檢測通道只有一路，可以使用數(shù)據(jù)采集卡的第0通道來采集數(shù)據(jù)。采集卡將采集到的數(shù)據(jù)首先保存到板載的FIFO中，但該FIFO的存儲大小有限，所以要選擇合理的讀取點數(shù)，及時地將FIFO中存儲的數(shù)據(jù)讀取出來，以防止FIFO中的數(shù)據(jù)被新寫入的數(shù)據(jù)所替換掉，導(dǎo)致丟點等后果（如圖6所示）。檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)以TDMS文件格式保存，可由Excel打開。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3.3 報警系統(tǒng)

設(shè)計報警系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行進(jìn)行實時監(jiān)測。若系統(tǒng)運行中遇到問題，則將在報警顯示欄中顯示錯誤，方便及時處理。根據(jù)脈沖激勵在截止一段時間內(nèi)檢測線圈上仍然有電壓信號輸出的特點，并且電壓的時域波形在上升沿和下降沿都會有十分明顯的變化，這樣可以對輸出電壓信號設(shè)置一基準(zhǔn)閾值，判定是否超過閾值來對缺陷做出判斷。

3 實驗與結(jié)果分析

實驗管道試件規(guī)格為外徑86 mm，內(nèi)徑80 mm。在管道周向上有人為制作的兩處不同的深度缺陷，深度分別為 1 mm和 1.5 mm（如圖7所示）。

圖7 試驗管道剖面圖

系統(tǒng)在檢測時會自動地采集相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲在Excel表格中，同時將采集結(jié)果在前面板界面中顯示（如圖8所示）。系統(tǒng)前面板中包含了數(shù)據(jù)采集功能的開始、停止按鍵，數(shù)據(jù)存儲功能按鍵，采樣頻率的設(shè)置欄，以及報警等相關(guān)功能按鍵。系統(tǒng)檢測時設(shè)置的采集頻率為1000 Hz/s。

圖8 系統(tǒng)檢測結(jié)果圖

通過讀取存在Excel中的檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)經(jīng)過無傷處時，數(shù)據(jù)總體平穩(wěn)，峰值電壓約為0.34 V，過零時間約為15.61 ms；經(jīng)過缺陷處時，數(shù)據(jù)發(fā)生明顯的改變，變化劇烈處分別出現(xiàn)在第1010～1160這150個點數(shù)據(jù)及第6430～6570這150個點兩處。通過Excel圖表化處理而形成直觀顯示圖（如圖9所示）。

通過對圖9（a）中的數(shù)據(jù)計算而得出檢測系統(tǒng)通過此處缺陷時的峰值電壓約為0.43 V，過零時間約為15.36 ms；通過對圖9（b）中的數(shù)據(jù)計算而得出檢測系統(tǒng)通過此處缺陷時峰值電壓約為0.49 V，過零時間約為15.16 ms。

圖9 不同缺陷處的數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

檢測系統(tǒng)經(jīng)過缺陷處時峰值電壓與過零時間發(fā)生明顯的變化，且對數(shù)據(jù)分析計算發(fā)現(xiàn)，這兩項數(shù)據(jù)的變化幅度與缺陷深度間存在一定的關(guān)系，據(jù)此可以推算出管道上某處壁厚的實際減薄程度。

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