李林凱，蹇興亮，邊曉東，吳 昊，張廣琦

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031)

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電磁渦流無(wú)損探傷中探頭位置檢測(cè)裝置

李林凱，蹇興亮，邊曉東，吳 昊，張廣琦

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031)

設(shè)計(jì)了一種電磁渦流無(wú)損探傷中探頭位置檢測(cè)裝置，利用探頭本身的電磁性質(zhì)，在探頭周?chē)胖锰筋^位置檢測(cè)裝置，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。探頭位置檢測(cè)裝置采用了4個(gè)位置傳感器(4個(gè)線(xiàn)圈)，用C8051F005單片機(jī)的DAC產(chǎn)生正弦波輸出到探頭線(xiàn)圈中，探頭在空間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，激勵(lì)4個(gè)位置傳感器產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再通過(guò)自動(dòng)增益控制(AGC)電路放大和精密整流電路整流后，由C8051F005單片機(jī)ADC采樣運(yùn)算處理，算出探頭的坐標(biāo)位置。

探頭位置；C8051F005；位置傳感器；電磁場(chǎng)；正弦波

0 引言

目前，在無(wú)損探傷[1-2]探頭部分的定位方面主要有超聲波定位和光學(xué)成像定位[3]。超聲波定位比較精準(zhǔn)，但是超聲波探傷要對(duì)被測(cè)零件的表面進(jìn)行處理(涂油或者打磨)，這對(duì)零件來(lái)說(shuō)本身就是一種磨損；光學(xué)成像定位的精準(zhǔn)度較高，但其設(shè)備較復(fù)雜。應(yīng)用電磁感應(yīng)來(lái)進(jìn)行探頭定位是另一種方法，在渦流探傷中利用該方法具有簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，軟硬件實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)。該方法可推廣應(yīng)用到其他需要實(shí)時(shí)檢測(cè)隨機(jī)移動(dòng)物體的平面定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了一種基于電磁場(chǎng)的相互感應(yīng)原理電磁渦流無(wú)損探傷中探頭位置檢測(cè)裝置[4]，利用C8051F005單片機(jī)12位DAC產(chǎn)生峰峰值為2．4 V、頻率為1 kHz的正弦波作為交流恒流源電路的輸入信號(hào)，將探頭線(xiàn)圈作為交流恒流源的負(fù)載，則探頭在空間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，激勵(lì)4個(gè)位置傳感器(線(xiàn)圈)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，4個(gè)線(xiàn)圈分別經(jīng)過(guò)4路AGC放大電路和精密整流電路后，由C8051F005單片機(jī)的4路ADC進(jìn)行采樣得到電壓值，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，算出探頭的具體坐標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)精確定位，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件組成

該裝置主要包括探頭線(xiàn)圈和4個(gè)位置傳感器(線(xiàn)圈)、AGC放大電路[5-7]、交流恒流源電路[8-9]、精密整流電路[10]等4個(gè)部分。探頭線(xiàn)圈和4個(gè)位置傳感器(線(xiàn)圈)都是1 200匝，避免了因?yàn)榫€(xiàn)圈之間匝數(shù)不一致而導(dǎo)致的誤差。

2．1 AGC放大電路

由于激勵(lì)線(xiàn)圈(探頭)在周?chē)臻g產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨距離迅速衰減，4個(gè)位置傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變化范圍很大，可達(dá)到60 dB(1 000倍)以上。當(dāng)傳感器離激勵(lì)線(xiàn)圈很近時(shí)，信號(hào)很強(qiáng)；當(dāng)傳感器離激勵(lì)線(xiàn)圈較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)很弱。為適應(yīng)這種大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)處理，必須采用AGC(自動(dòng)增益控制)放大電路，4個(gè)傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)U與r之間近似滿(mǎn)足的關(guān)系可以由式(1)表示

(1)

式中k為常數(shù)，由線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)等決定。

AGC電路使用LM324采用兩級(jí)放大，利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行自動(dòng)增益控制，如圖2所示。

圖2 AGC放大電路原理圖

2．2 交流恒流源電路

如圖3所示，交流恒流源電路的最主要的作用就是當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，能夠確保負(fù)載上的電流恒定。用漆包線(xiàn)繞制的探頭線(xiàn)圈和4個(gè)位置傳感器(線(xiàn)圈)均為1 200匝，用電表直接測(cè)得每個(gè)線(xiàn)圈的電阻值約為50 Ω，當(dāng)跳線(xiàn)帽JUP4斷開(kāi)，將C8051F005單片機(jī)12位DAC產(chǎn)生峰峰值為2．4 V、頻率為1 kHz的正弦波作為交流恒流源電路的輸入信號(hào)，用探頭線(xiàn)圈作為交流恒流源的負(fù)載時(shí)，可粗略計(jì)算出流過(guò)探頭線(xiàn)圈的電流恒定為I=Ui/(R6+R9)=1.2 mA，也就是說(shuō)無(wú)論線(xiàn)圈阻抗是否改變，流過(guò)線(xiàn)圈上的電流峰值始終為1．2 mA，因此確保了探頭線(xiàn)圈在空間內(nèi)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)基本保持不變。

圖3 交流恒流源電路原理圖

2．3 精密整流電路

如圖4所示，為了測(cè)量4個(gè)傳感器電壓信號(hào)大小，需將放大后的交流信號(hào)變化為直流信號(hào)，供A/D轉(zhuǎn)換，直流信號(hào)的大小正比于交流信號(hào)的振幅。該精密整流電路利用TLV2334芯片，采用差動(dòng)方式對(duì)輸入信號(hào)取峰峰值，差動(dòng)部分的計(jì)算公式為

(2)

圖4 精密整流電路原理圖

3 探頭坐標(biāo)定位以及軟件實(shí)現(xiàn)

3．1 探頭位置檢測(cè)示意圖

探頭位置檢測(cè)利用單片機(jī)C8051F005實(shí)現(xiàn)，4個(gè)位置傳感器(線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)檢測(cè))固定在有機(jī)玻璃制成的框架上?？蚣艹叽鐬?70 mm×170 mm，探頭的直徑為16 mm．如圖5所示，位置傳感器的幾何中心為原點(diǎn)。4個(gè)位置傳感器固定安裝在有機(jī)玻璃框架上，探頭幾何中心的位置坐標(biāo)為(x，y)，探頭幾何中心到4個(gè)位置傳感器幾何中心之間的距離分別為r1、r2、r3和r4。相鄰2個(gè)位置傳感器幾何中心之間的距離為a(默認(rèn)情況等于140 mm)，則有：

(3)

(4)

(5)

(6)

由這4個(gè)方程可求出渦流探頭的坐標(biāo)平均值為：

(7)

(8)

圖5 探頭位置檢測(cè)示意圖

3．2 定位方法的確定

從理論上分析，4個(gè)傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)U與r之間近似滿(mǎn)足的經(jīng)驗(yàn)公式(1)的關(guān)系，如果直接利用此公式反解出探頭到每個(gè)線(xiàn)圈之間的距離與電壓的關(guān)系公式近似為式(9)或式(10)：

(9)

(10)

這樣對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)非常困難，因?yàn)閷⒐椒唇馍婕暗綆状畏礁?，由于需要定位的區(qū)域很小，因此，可以用查表的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得4個(gè)傳感器線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)AGC電路再經(jīng)整流后的電壓輸出范圍為50～2 430 mV．由于電壓隨著距離并非是線(xiàn)性變化，因此應(yīng)該將距離進(jìn)行等分然后通過(guò)電壓來(lái)查表得出距離r，實(shí)際模型測(cè)量區(qū)域探頭與位置傳感器線(xiàn)圈圓心之間的距離范圍為2．7～16．7 cm，將2．7～16．7cm等分成256份，也就是去256個(gè)位置點(diǎn)，每次采樣1個(gè)電壓對(duì)應(yīng)著256個(gè)點(diǎn)中的1個(gè)，最后將r代入式(7)、式(8)中即可求出探頭坐標(biāo)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，建立了電壓U與距離r之間的關(guān)系表，實(shí)驗(yàn)得出探頭位置與位置傳感器線(xiàn)圈輸出電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 探頭位置與位置傳感器線(xiàn)圈輸出電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)

3．3 定位誤差分析

采用查表法進(jìn)行探頭位置計(jì)算可以節(jié)省C8051F005單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，但是定位的精度與所取的點(diǎn)數(shù)有關(guān)，采用256個(gè)點(diǎn)，理論上定位的精度為16．7 cm/256=0．065 cm，如果想提高定位的精度就必須加大取的點(diǎn)數(shù)，取2 048個(gè)點(diǎn)，定位精度約為0．008 2 cm，定位精度將會(huì)很高，但是工作量很大。文中采用去256個(gè)點(diǎn)建立電壓U與距離r之間的數(shù)據(jù)表，用查表的方法進(jìn)行定位。

3．4 正弦波的發(fā)生

通過(guò)C8051F005單片機(jī)定時(shí)器0[11-12]的中斷服務(wù)處理程序調(diào)用正弦函數(shù)表產(chǎn)生波形，經(jīng)由DAC0(DAC1也可以輸出)輸出正弦波。如圖7所示，首先用函數(shù)表定義一相正弦波的1個(gè)周期。

圖7 函數(shù)表定義1個(gè)周期的正弦波

將正弦函數(shù)在1個(gè)周期值按等相位間隔采樣128點(diǎn)，然后求出每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值，建立1個(gè)包含128個(gè)函數(shù)值的正弦函數(shù)表。通過(guò)連續(xù)查表，輸出離散的正弦函數(shù)表的值，經(jīng)DAC模擬化，來(lái)逼近真正的正弦波。

4 探頭位置坐標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后，通過(guò)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，在88 mm×88 mm范圍內(nèi)顯示定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)檢測(cè)出的位置坐標(biāo)與實(shí)際位置坐標(biāo)誤差在0．7 mm以?xún)?nèi)，在可探測(cè)范圍之內(nèi)(即104 mm×104 mm范圍內(nèi))系統(tǒng)檢測(cè)出的位置坐標(biāo)與實(shí)際位置坐標(biāo)誤差在1．3 mm以?xún)?nèi)。表1的誤差在0.6 mm左右波動(dòng)，最大誤差不超過(guò)2 mm，最大誤差出現(xiàn)在定位區(qū)域的邊角外。

表1 探頭位置坐標(biāo)實(shí)際值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

該電磁渦流無(wú)損探傷中探頭位置檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用電磁感應(yīng)來(lái)定位精準(zhǔn)度比較高，顯示范圍內(nèi)測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差在0．7 mm以?xún)?nèi)，如果想要進(jìn)一步提高定位的精度，則需要建立一個(gè)2 048個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表，理論的定位精度將達(dá)到0．08 mm．

[1] 任吉林．電磁檢測(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

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[12] 潘琢金，施國(guó)君．C8051F高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

Probe Position Detection Device in Electromagnetic Eddy Current NDT

LI Lin-kai，JIAN Xing-liang，BIAN Xiao-dong，WU Hao，ZHANG Guang-qi

(College of Engineering ，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031，China)

This paper designed a probe position detection device in the electromagnetic eddy current NDT,using the probe itself has the nature of the electromagnetic.The probe was placed around the probe position detection device,then use single-chip microcomputer to calculate its accurate position.The probe detection device adopted four position sensors (four coils),with C8051F005 MCU DAC producing sine wave output to the probe coil.Probe in space can produce a magnetic field excitation for four position sensors to produce induced electromotive force．Then by the C8051F005 MCU ADC sampling processing after the rectification of AGC circuit and precision rectifier circuit,the coordinates of probe can be calculated.

position of probe;C8051F005;position sensor;electromagnetic field;sine wave

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2011653)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(JSS1238)

2013-07-25 收修改稿日期：2014-11-09

TP216

A

1002-1841(2015)01-0034-04

李林凱(1991—)，碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E-mail：imlilinkai@163．com．

蹇興亮(1965—)，副教授，研究方向?yàn)殡姶艡z測(cè)、智能化農(nóng)業(yè)裝備。E-mail：jianxingliang@njau．edu．cn