劉曉東， 寧 晨， 田 麗

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

金屬材料的性能主要分為機械性能、化學(xué)性能、物理性能和工藝性能[1～3]。現(xiàn)有的各種檢測設(shè)備均針對金屬材料的這四個性能進行單獨檢測，而且大部分屬于破壞性的檢測方式，破壞了材料的結(jié)構(gòu)、特性以及一些其他方面功能，使材料不能夠再繼續(xù)使用，造成浪費；另一方面有些產(chǎn)品為復(fù)合結(jié)構(gòu)(如電鍍件)，針對各層不同的材質(zhì)、厚度無法進行檢測評價。

本文設(shè)計了一種既能無損檢測金屬材料性能，又可對材料進行材質(zhì)判斷的快速金屬頻率特性測試系統(tǒng)。

1 金屬頻率特性檢測原理

當(dāng)對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作加速運動，形成了電流，使金屬具有了導(dǎo)電性[4～6]。

當(dāng)一個通有交變電流的線圈接近金屬材料表面時，由于交變磁場的變化，會在金屬材料表面及近表面產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小與金屬材料的電阻率成反比，電渦流在金屬內(nèi)流過必然產(chǎn)生渦流損耗。電渦流的交變性又會產(chǎn)生交變的渦流磁場，引起磁滯損耗。渦流損耗和磁滯損耗以及磁導(dǎo)率的不同共同影響渦流傳感器檢測線圈的輸出交變信號的幅值和相位。

隨著頻率的變化，渦流傳感器的自身特性也會產(chǎn)生一定變化，本系統(tǒng)將其視為線性變化。構(gòu)成金屬晶格的各種金屬元素均有其獨特的分子結(jié)構(gòu)，在不同的分子頻率上振動。因此，不同的金屬材料的頻率特性亦不同。其中單一元素金屬材料(如純鐵，純銅等)的頻率特性最為簡單，合金材料或復(fù)合材料由于含有多種金屬元素成分，其頻率特性更為復(fù)雜，這種復(fù)雜性與其含有的各單一元素金屬材料相關(guān)，并且以多頻率點處顯示不同特性表征。系統(tǒng)通過在一段頻率范圍內(nèi)進行掃描測量標準樣本材料并記錄標準金屬材料的頻率特性，與其他金屬材料的掃描測量記錄進行比較，以判斷材料是否相符或分析合金材料和復(fù)合材料的成分構(gòu)成。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由人機交互模塊(顯示輸出和鍵盤輸入)，系統(tǒng)控制分析模塊，信號發(fā)生模塊，信號檢測轉(zhuǎn)換模塊四大部分組成[7]，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 系統(tǒng)控制分析模塊

如圖2所示，系統(tǒng)控制分析模塊以C8051F020單片機[8]為核心，分為協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)和計算分析環(huán)節(jié)2部分。協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)接收鍵盤輸入指令，選擇輸出頻率，控制信號發(fā)生模塊工作，同時與計算分析環(huán)節(jié)通信，將產(chǎn)生的頻率信息以及測試環(huán)境等數(shù)據(jù)發(fā)送給計算分析環(huán)節(jié)。由于C8051F020內(nèi)部具有高速A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，所以輸出信號與檢測信號間的相位差數(shù)據(jù)直接由該ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而兩者的幅值通過外部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再送入單片機，由計算分析環(huán)節(jié)計算兩者的幅值比以及各項目均方值，結(jié)合已記錄的標準金屬材料頻率特性向量值對被測樣本金屬材料進行分析判斷，最終將判斷結(jié)果和各測量參數(shù)返回協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)并送入顯示輸出裝置。

圖2 系統(tǒng)控制分析模塊框圖

2.2 信號發(fā)生模塊

采用直接數(shù)字頻率合成(direct digital synthesis,DDS)技術(shù)，可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的掃頻信號或在頻率范圍內(nèi)駐點輸出，提供符合系統(tǒng)性能指標所需的正弦信號。該輸出信號分為2路：直接接入信號檢測轉(zhuǎn)換模塊，用于幅值譜檢測、相位譜檢測；進入測試網(wǎng)絡(luò)，通過渦流傳感器對金屬材料進行檢測。信號發(fā)生模塊框圖如圖3 所示。

使用AD9851芯片作為信號發(fā)生器[9～13]。其外圍電路簡單，變頻響應(yīng)快，輸出波形頻譜純凈。可以直接與單片機連接進行通信，數(shù)據(jù)傳送有并行和串行2種工作方式，極大方便了與單片機之間的接口電路以及程序的編寫。本文選用并行數(shù)據(jù)輸入方式，同時實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 信號發(fā)生模塊框圖

由于DDS芯片AD9851的最高工作頻率為180 MHz，而其內(nèi)部含有6倍頻電路，因此,在晶振選擇上應(yīng)選擇低于30 MHz，工作電壓應(yīng)保持在4～5 V之間，否則極易燒毀芯片。又因為AD9851內(nèi)部沒有低通濾波器，經(jīng)過DAC輸出的掃頻信號不可避免地含有高頻噪聲，故信號輸出端口需加低通濾波抑制高頻干擾。

2.3 信號檢測轉(zhuǎn)換模塊

信號檢測轉(zhuǎn)換模塊分為幅頻檢測電路和相頻檢測電路，用于將渦流傳感器得到的檢測信號分解為幅值和相位差兩路信號。分別對通過渦流傳感器前后的正弦信號進行模擬檢幅，并對兩信號進行相位差整理，將幅度和相位差的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，由系統(tǒng)控制分析模塊進行分析處理。

2.3.1 幅頻檢測電路

峰值檢波電路如圖4，當(dāng)輸入電壓Vin大于電容器C的電壓時，二極管D1，D2導(dǎo)通，C充電。當(dāng)輸入電壓Vin小于電容器C的電壓時，二極管D1，D2截止，輸入電壓的最大值被保持，以此得到電壓的最大值，即正弦信號的幅值。

圖4 峰值檢波電路

利用該電路，分別檢出渦流傳感器的檢測信號與信號發(fā)生模塊輸出信號的峰值，通過A/D轉(zhuǎn)換送入系統(tǒng)控制分析模塊，由計算分析環(huán)節(jié)計算得到兩信號的幅值比，統(tǒng)計各個頻率的幅值比，得到幅值譜特性曲線。其工作框圖如圖5所示。

由于頻率變化，渦流傳感器的自身阻抗也隨之變化，對檢測信號和輸出信號的峰值均產(chǎn)生影響，分別進行峰值檢波，有利于消除該項干擾。

圖5 幅值譜檢測電路框圖

2.3.2 相頻檢測電路

相頻檢測電路是將信號發(fā)生器的輸出信號的相位與渦流傳感器得到的檢測信號的相位進行比較，以得到被測金屬在一定頻率范圍內(nèi)的相位譜特性曲線。

如圖6所示，相位譜檢測電路將輸出信號和檢測信號2個正弦信號分別整理成方波，并通過比較器。由于相位差異，2個方波信號在某一時間段的電壓大小不同，可整理出一個占空比不同的方波，占空比隨輸出信號和檢測信號之間的相位差變化而變化，通過讀取該方波占空比，將其轉(zhuǎn)換為電壓，即得到某頻率點上兩正弦信號的相位差。設(shè)方波電壓為V，占空比為t0，頻率為f，該電壓值為

Vout=V×t0×f

圖6 相位譜檢測電路框圖

3 性能指標

系統(tǒng)的性能指標為：輸出信號具有掃頻變化的功能，掃頻范圍在10 Hz～10 MHz，可在頻率范圍內(nèi)自動步進或固定頻率輸出;可以顯示被測金屬各頻率點的幅頻特性和相頻特性;能夠記錄各種不同標準金屬材料的頻率特性向量值，并可進行查詢;當(dāng)對其他材料進行測量時，可以根據(jù)標準材料的頻率特性向量值判斷與樣本材料是否一致。

4 實驗結(jié)果與討論

表1為室溫下對鋁箔板片的頻率特性檢測及金屬材料判斷的實驗結(jié)果，頻率數(shù)據(jù)由系統(tǒng)決定，2種材料的幅值比數(shù)據(jù)和相位差數(shù)據(jù)由系統(tǒng)采集計算直接給出結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果，得出各項目的均方值，結(jié)果表明，不同材料頻率特性差距顯著。

表1 金屬材料頻率特性檢測

5 結(jié)束語

系統(tǒng)以單片機作為檢測控制器，具有智能化特點。設(shè)備操作簡便，處理速度快，安全可靠，應(yīng)用前景廣泛。

溫度、傳感器、金屬材料各項指標等對系統(tǒng)測量結(jié)果均具有影響，當(dāng)溫度和傳感器確定時，金屬材料的各項指標是影響測量結(jié)果的關(guān)鍵，可用于無損檢測金屬材料的材質(zhì)特性或判斷同類金屬產(chǎn)品是否合格等應(yīng)用。

[1] 張 帆，周偉敏.材料性能學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2009.

[2] 李文杰.頻率特性測試儀系統(tǒng)的設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學(xué),2005.

[3] 徐 玲.超高穩(wěn)頻率源的設(shè)計與應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(8):92-95.

[4] 王 妍.電渦流傳感器性能參數(shù)優(yōu)化實驗研究[D].西安：西安理工大學(xué),2014.

[5] 于 剛.金屬材料性能與質(zhì)量檢測標準規(guī)范全書[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[6] 陳虎勛.被測材料歸一化渦流傳感器研究[D].南京：東南大學(xué),2010.

[7] 李亞榮，寧 晨.金屬材質(zhì)特性快速鑒別儀系統(tǒng)：CN，201110001639.8[P].2011—10—01.

[8] 梁春燕，田學(xué)隆.基于拉壓力傳感器的壓力測痛儀設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(3)：104-109.

[9] 溫國誼.頻率合成源的分析與實現(xiàn)技術(shù)的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2008.

[10] 張時開,姚恩濤,王 平.基于正交鎖相放大的金屬磁記憶應(yīng)力集中檢測[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(11):135-138.

[11] 王夏偉，谷玉海，徐小力，等.基于DDS的交變電流源系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(1)：108-110.

[12] 王 辛.基于DDS技術(shù)的波形設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013(14):1-3.

[13] 于元東.非接觸式激振器的研究與設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學(xué),2009.