郝憲鋒， 戴永壽， 孫偉峰 ， 王安泉， 陳健飛

(1.中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石化股份有限公司勝利油田分公司，山東 東營 257000)

0 引 言

近年來，隨著我國工業(yè)化進程的不斷推進，鐵磁性板材在石油、石化、鐵路、電力等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而由于受到內(nèi)外部介質(zhì)腐蝕、設(shè)備本身應(yīng)力腐蝕等原因，在使用過程中會出現(xiàn)裂紋、坑蝕、壁厚減薄等多種缺陷，給安全生產(chǎn)帶來了隱患。漏磁檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的一種，在鐵磁性材料的缺陷檢測中得到了廣泛應(yīng)用。隨著研究技術(shù)的不斷深入，衍生出了低頻交流漏磁檢測技術(shù)。該技術(shù)通過測量缺陷處漏磁場的變化實現(xiàn)缺陷檢測的目的，被用在鋼板腐蝕檢測及測厚檢測中。目前，低頻漏磁檢測多采用恒壓源作為激勵源，在使用過程中暴露出了很多弊端[1-3]。①低頻漏磁所用激勵裝置為帶有磁芯的線圈，其阻抗與頻率有關(guān)。恒定激勵電壓作用下，當(dāng)激勵信號頻率變化時，線圈中電流發(fā)生變化，從而引起勵磁強度變化。而根據(jù)漏磁檢測的原理，缺陷處也將引起漏磁強度變化。這樣以來，將無法區(qū)分具體哪種因素造成了漏磁強度變化。另外，在研究頻率變化對漏磁檢測效果的影響時，需要在每次改變激勵頻率后，手動調(diào)節(jié)激勵源輸出電壓幅度，以實現(xiàn)恒定電流激勵，不僅操作繁瑣，而且誤差大，精度低。②檢測帶有防腐涂層的儲罐底板時，提離值對檢測結(jié)果影響較大，防腐層的噴涂不均造成了檢測過程中檢測線圈提離值出現(xiàn)較大波動。在電壓源激勵模式下，這種波動將帶來激勵電流的波動，降低了激勵磁場和檢測結(jié)果的穩(wěn)定性。另外，激勵電流受勵磁線圈發(fā)熱、檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度變化等因素影響，恒壓激勵條件下電流不恒定，造成激勵強度變化，影響檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和精度[4]。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種適用于鋼板漏磁檢測的低頻交流恒流源，并開展了低頻漏磁檢測實驗研究，利用實驗結(jié)果分析了其應(yīng)用價值。

1 設(shè)計概述

1.1 設(shè)計指標

根據(jù)低頻漏磁檢測技術(shù)需求和試驗測試，確定了恒流源的設(shè)計指標：波形頻率可調(diào)，輸出范圍0.005～1 kHz;頻率調(diào)節(jié)步長0.1 Hz;波形幅度可調(diào)，輸出范圍-60～60 V;幅度調(diào)節(jié)步長0.1 V;恒流可調(diào)，恒流輸出范圍0～3 A;電流調(diào)節(jié)步長5 mA。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以帶有NIOS軟核處理器的FPGA為設(shè)計核心，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括參數(shù)設(shè)置軟件、FPGA控制器、高速DA轉(zhuǎn)換單元、低通濾波單元、幅度控制單元、功率放大單元、電流采樣單元、有效值轉(zhuǎn)換單元、AD采樣單元、電壓采樣分壓單元、12 V電瓶組、DC/DC升壓模塊和報警單元[5-6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 工作過程

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA控制器通過AD轉(zhuǎn)換單元檢測各路電源供電是否正常，如有故障，將啟動報警單元報警;如檢測通過，可通過上位機軟件設(shè)置激勵頻率和激勵電流，然后啟動輸出。FPGA收到有效設(shè)置和控制命令后，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置波形參數(shù)，并將波形輸出送至高速DA轉(zhuǎn)換單元，再經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓電路，將FPGA輸出的并行波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙極性的正弦波。利用高階橢圓濾波器濾除高頻干擾，之后利用數(shù)字電位器對其分壓，以調(diào)整輸出電壓大小。再經(jīng)過功率放大單元，提升信號功率驅(qū)動能力。此信號加至激勵線圈，便可在其上激勵出較強幅度的激勵磁場。控制器利用電流采樣單元實時采集電流大小，并通過有效值轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成直流電壓信號。NIOS控制器通過外部AD采集器實時采集有效值轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓，并與設(shè)定值做差值，作為輸入量輸入至PID控制器。經(jīng)過計算，以數(shù)字電位器位置作為輸出控制量，調(diào)節(jié)輸出電壓，以實現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)與控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙運放差分線性功率放大單元的設(shè)計

以大功率線性集成放大器OPA541為核心設(shè)計了功率放大單元，OPA541是TI公司的一款高電壓(70 V)供電，且具有大電流(連續(xù)輸出能力5 A，瞬態(tài)輸出電流10 A)輸出能力的線性功率放大芯片。該部分電路設(shè)計原理如圖2所示，U5、R75、R76、R77組成了第1級放大電路，設(shè)第1級輸入電壓為Ui，當(dāng)電阻R75=R76時，可知U5的輸出為 -Ui。為了提高輸出電壓幅度，采用兩片功率放大器OPA541組成雙運放差分輸出功率放大電路。其輸入分別為Ui和-Ui，當(dāng)U5和U6外圍電阻選擇相同阻值時，其輸出Uo1和Uo2的幅度大小相等，相位相差180°。采用差分方式連接負載，輸出電壓提升了1倍，提高了負載驅(qū)動能力[7-8]。

圖2 功率放大單元電路

電路放大倍數(shù)由電阻R83、R84、R87和R88決定，通過調(diào)節(jié)R83與R84的阻值即可調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。電容C81～C84和C87～C90是電源濾波電容。D5～D8是保護二極管，目的是吸收感性負載斷電瞬間產(chǎn)生的高壓脈沖。另外，OPA541具有限流保護功能，Ra和Rb為輸出限流電阻，通過改變其阻值即可改變功放芯片最大可允許輸出電流，達到限流目的。

2.2 恒流控制

電流檢測的精度和控制算法的優(yōu)劣將直接影響最終輸出電流控制的精度和穩(wěn)定性，因此恒流控制是設(shè)計的重點環(huán)節(jié)。

(1) 電流檢測電路設(shè)計。選用Allegro公司的線性電流傳感器ACS712實現(xiàn)電流檢測[9-10]。該芯片有3種型號，量程分別為5、20和30 A，設(shè)計中恒流源最大輸出電流限制為3 A，所以選用具體型號為ACS712ELCTR-05B-T的傳感器，其量程為5 A，電流檢測靈敏度為185 mV/A。采用5 V電壓供電，檢測交流電流I時，其輸出電壓Uout與檢測電流的關(guān)系為：Uout=I×0.185+2.5。ACS712輸出信號是與被測電流成比例的交流信號，為方便AD采集及處理，采用AD公司的真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637實現(xiàn)有效值轉(zhuǎn)換，AD637是一款高精度，寬帶有效值的直流轉(zhuǎn)換器。通過改變其外部調(diào)整電路參數(shù)，可實現(xiàn)不同應(yīng)用條件下的精確測量。具體的電流檢測及真有效值轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

U8及外圍電路構(gòu)成了電流檢測電路，電容C40為濾波器設(shè)置電容，與內(nèi)部電路構(gòu)成了低通濾波器，提高了低電流測量精度。D9是雙向穩(wěn)壓二極管，目的是吸收感性負載斷電瞬間產(chǎn)生的高壓脈沖。U9及外圍電路構(gòu)成了改進型的真有效值轉(zhuǎn)換電路，其4管腳為輸入失調(diào)電壓調(diào)整端，通過調(diào)整電位器阻值，調(diào)節(jié)輸入失調(diào)電壓值。C42～C45為電源濾波和旁路電容。C46是低通濾波器濾波電容，通過增加其容量可減少紋波電壓造成的交流誤差，但會延長測量時間。為了解決這一矛盾，設(shè)計了雙極性濾波器，首先，利用電容C46構(gòu)成第一級濾波器，其電容值選擇1 μF，另外利用C48、R36、R35構(gòu)成第2級濾波器，濾除低頻分量，在不增加平均濾波電容C46容量的調(diào)節(jié)下，減少紋波對測量結(jié)果的影響[11-12]。

圖3 電流采樣及轉(zhuǎn)換電路

(2) 恒流控制方法。電流檢測過程受電源紋波、電流檢測傳感器精度、真有效值轉(zhuǎn)換單元精度、AD轉(zhuǎn)換器件的性能等多個環(huán)節(jié)影響，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進行描述。而可以利用電流形成閉環(huán)反饋，因此適合選用PID控制算法。設(shè)計中選用了增量型PID算法:

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

(1)

式中:e(k)是電流誤差;Δu(k)是輸出控制量的增加值，即電位器位置變化量;q0、q1和q3是常量;Kp、TI和Td分別為控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間;而

由此可見，只需要得到e(k-1),e(k-2)和u(k-1)3個歷史數(shù)據(jù)，即可以利用Δu(k)和Δu(k-1)得到u(k)。編制程序時，只需要保存3個歷史數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了存儲空間，提高了程序執(zhí)行效率[13-14]。

2.3 恒流幅度修正

恒流源的設(shè)計過程中，采用閉環(huán)負反饋方式實現(xiàn)電流恒流控制，但是電流值精度不僅取決于恒流控制算法，也在很大程度受到反饋網(wǎng)絡(luò)的檢測精度影響。設(shè)計中采用電流采樣芯片對輸出電流值采樣，并經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換電路將電流交流采樣值轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出，再由AD采樣芯片采樣獲得反饋量。該檢測和轉(zhuǎn)換過程涉及多個環(huán)節(jié)，誤差被積累放大，因此無法保證較高的采樣精度。為了得到準確且線性度較好的采樣值，選用最小二乘法對多組電流測量值進行了修正擬合[15],如表1所示。

表1 電流修正數(shù)據(jù)表

首先以低頻漏磁激勵線圈為負載，利用上位機軟件設(shè)置固定頻率30 Hz的多組電流輸出值，用電流表測量并記錄實際輸出值。在此，為了便于描述修正過程，用I′標識輸出電流值，I′標識輸出電流實際測量值,并將I′視作I的一次線性函數(shù)，設(shè)置K和P是常數(shù)，I′和I的函數(shù)關(guān)系可描述為：

I′=P+KI

(2)

根據(jù)最小二乘法的直線擬合方法，所擬合出的直線斜率與截距分別為：

將實驗所測數(shù)據(jù)I和I′代入式(3)、(4)求出常數(shù)K和P，即可求出直線的一次線性擬合方程：

I′=1.084I+0.003 5

(5)

將電流設(shè)定值代入式(5)中，得到修正后電流設(shè)置值，然后以該組值為設(shè)置值重新對電流輸出強度進行設(shè)置，用電流表測量修正后的實際輸出值，將預(yù)設(shè)電流、修正前實測電流、修正后電流設(shè)定值和修正后電流實測值整理，計算電流輸出相對誤差(見表1)。

從誤差數(shù)據(jù)可知，電流輸出誤差控制在了4%以內(nèi)，達到了較好的恒流效果，可提高低頻漏磁檢測精度。

3 低頻漏磁檢測實驗

利用所研制恒流激勵源，針對測試鋼板試件開展了低頻漏磁檢測實驗。實驗系統(tǒng)實物圖如圖4所示。

圖4 低頻漏磁檢測實驗

3.1 實驗系統(tǒng)組成及原理

低頻漏磁檢測系統(tǒng)主要由激勵源、激勵線圈、信號調(diào)理電路、示波器和鋼板試件組成。首先利用激勵源產(chǎn)生恒定電流的低頻交流激勵信號，施加于激勵線圈，在激勵線圈和鋼板試件組成的閉合回路中產(chǎn)生交變磁場。在無缺陷處，大部分磁場從磁芯和鋼板試件內(nèi)部穿過，只有少部分磁場分布于周圍空間，此時檢測線圈可檢測到幅度較小的漏磁場信號。在缺陷處，周圍磁阻增大，磁力線分布發(fā)生畸變，其周圍漏磁場增強，檢測線圈中磁場信號增強。利用信號調(diào)理電路對檢測線圈輸出信號進行濾波、放大處理，使干擾信號變小，漏磁信號增強。然后利用示波器觀察缺陷處和非缺陷處檢測信號幅值及相位變化，實現(xiàn)對缺陷的定性分析及定量估算。

3.2 實驗實施過程

分別采用恒壓源和恒流源作為低頻漏磁檢測激勵源，針對裂紋缺陷試件(缺陷描述：長度5 cm，寬度2 mm，深度4 mm)開展了低頻交流漏磁檢測實驗。通過小幅度改變線圈提離值，模擬帶有防腐涂層的鋼板檢測中涂層不均勻引起提離值變化的工況。研究兩種檢測方式下提離值小幅度變化對檢測精度的影響。

(1) 設(shè)定線圈初始提離值為3 mm，設(shè)置激勵源輸出頻率為25 Hz，電流為1 A，啟動恒流輸出模式。

(2) 在無缺陷處，利用檢測線圈采集檢測信號峰值及激勵信號與檢測信號的相位差，并存儲數(shù)據(jù)。

(3) 沿裂紋缺陷垂直方向移動激勵線圈至缺陷正上方，利用檢測線圈采集檢測信號峰值及激勵信號與檢測信號的相位差，并存儲數(shù)據(jù)。

(4) 依次改變線圈提離值(1.5、2.0、2.5、3.5，4.0、4.5 mm)，重復(fù)進行實驗步驟(2)、(3)，得到另外6組實驗數(shù)據(jù)。

(5) 重復(fù)設(shè)定線圈初始提離值為3 mm，設(shè)置激勵源輸出頻率為25 Hz，電壓峰峰值為60 V，啟動恒壓輸出模式。

(6) 重復(fù)實驗步驟(2)～(4)，得到恒壓激勵模式下的7組實驗數(shù)據(jù)。

3.3 實驗處理

以3 mm提離值為參考(假定防腐涂層均勻處厚度為3 mm)，對上述實驗數(shù)據(jù)進行計算處理，得到如圖5所示的曲線。曲線中橫坐標描述了提離值的變化，縱坐標描述了缺陷處檢測信號相比于3 mm提離值無缺陷處測量值的電壓變化率。

圖5 恒壓和恒流激勵結(jié)果比較

恒流源激勵模式下，在提離值小幅度變化范圍內(nèi)，缺陷處檢測電壓幅值變化更明顯，即本文所述恒流激勵源有效提高了低頻交流漏磁檢測的檢測精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種低頻交流恒流源的設(shè)計方法，其輸出頻率和電流均可在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，輸出信號精度高、失真低、穩(wěn)定性好。恒流源研制成功后，以其作為激勵源開展了低頻漏磁檢測實驗，與恒壓源激勵實驗效果相比，檢測精度和穩(wěn)定性得到了較大幅度提高，滿足低頻漏檢測的特殊應(yīng)用需求。

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