牛廣亮，孫向陽，李星橙，王鈺琪

(電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于石油、天然氣等資源的需求日益增長。管道作為油氣資源儲運的重要載體，為了適應(yīng)市場需求，我國油氣管網(wǎng)規(guī)模正在不斷擴大[1]。與此同時，如何對管道缺陷進行檢測、確保油氣管道能夠安全運輸，成為在管道建設(shè)中不可忽視的環(huán)節(jié)?；诖?，管道內(nèi)檢測方法應(yīng)運而生，屬于國內(nèi)外學(xué)者在無損探傷領(lǐng)域中的一大熱點問題[2]。其中，漏磁檢測利用鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率的特性，對被測物體進行磁化，進而在缺陷周圍產(chǎn)生漏磁場[3]。脈沖渦流檢測采用方波或者階躍信號作為激勵信號，其包含了多種頻率成分，主要通過測量渦流在金屬試件中的衰減，可以檢測出較深的缺陷[4-5]。文獻[6-7]研究對于管道遠場渦流檢測，通過檢測信號的幅值來實現(xiàn)相位解纏，取得了較好的檢測效果，但對相位直接提取不夠深入。

因此，本文基于渦流檢測技術(shù)，提出了通過硬件電路對缺陷電信號的幅值和相位進行同時快速提取，并分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，相較于數(shù)字相敏檢波更易實現(xiàn)。除了發(fā)射電路和接收電路外，設(shè)計了差動式自比較型渦流檢測探頭，并且搭建了上位機軟件平臺實時顯示檢測到的缺陷信號。最終，實現(xiàn)了檢測靈敏度高、在線可視化的渦流無損檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

渦流檢測以法拉第電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)，主要適用于金屬材料的缺陷檢測。渦流檢測基本原理如圖1所示，當(dāng)通有交變電流的檢測線圈靠近被測物體時，由于激勵磁場的作用，被測物體中將感應(yīng)出渦流。渦流的幅值、相位和路徑均受被測物體影響，而由被測物體中的渦流產(chǎn)生的磁場也將在檢測線圈中感應(yīng)出電壓[8]。因此，通過觀測檢測線圈上感應(yīng)電壓的變化，就可判斷被測物體中是否存在缺陷。

圖1 渦流檢測基本原理

在渦流檢測的過程中，采用線圈作為探頭，被測物體中的缺陷信息可以通過不同形式的線圈的輸出電壓變化反映出來[9]。本系統(tǒng)采用的渦流檢測探頭主要由1個激勵線圈和2個檢測線圈組成。激勵線圈用來在被測金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流，而2個檢測線圈反向連接形成差動形式，來降低直接耦合信號的干擾，最終可以檢測缺陷電信號。探頭的線圈骨架采用中柱內(nèi)徑為10 mm，外徑為26 mm，高度為12.2 mm的圓形骨架。在線圈骨架中間插入錳鋅鐵氧體，它不同于純鐵、非晶態(tài)合金等磁芯材料，可以用來增大線圈的電感，提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，從而增強探頭的檢測靈敏度[10]。為了減少溫度變化對探頭檢測性能的影響，除了上述2個檢測線圈采用差動反接的方式外，探頭的芯線選用低電阻系數(shù)、低溫度系數(shù)，直徑為0.1 mm的漆包線。

2 實驗系統(tǒng)

渦流檢測系統(tǒng)主要包括發(fā)射電路和接收電路。其中，發(fā)射電路主要用來產(chǎn)生激勵信號，由DDS、低通濾波和功率放大等電路模塊組成；接收電路的功能是將探頭檢測到的信號進行信號處理，它包含了全橋測量電路、儀表放大、可調(diào)增益放大、帶通濾波和幅相檢測等模塊。如圖2所示，單片機控制DDS芯片AD9833產(chǎn)生正弦波信號，經(jīng)過濾波、放大后，接入探頭，在被測試件上激勵出渦流，并檢測到渦流電信號。接收電路通過對其進行放大，并由幅相檢測電路轉(zhuǎn)換成反映缺陷信號的幅值和相位對應(yīng)的電壓值，最后，通過單片機處理之后，在上位機上顯示。

圖2 渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號產(chǎn)生電路設(shè)計

激勵源設(shè)計主要用來產(chǎn)生正弦激勵信號和用于幅相檢測的參考信號。在渦流檢測中，對于激勵信號的精度、頻率和幅值穩(wěn)定性要求比較高，因為這直接關(guān)系到探頭檢測的靈敏度。系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)對激勵信號進行設(shè)計，與其他信號波形產(chǎn)生技術(shù)相比較，其具有信號頻率轉(zhuǎn)換精度高、速度快、輸出信號幅值穩(wěn)定性高等特點。如圖3所示，采用單片機STC15F2K08S2和DDS芯片AD9833設(shè)計一種具有輸出信號的頻率穩(wěn)定度高、幅值穩(wěn)定輸出的信號源，作為激勵信號。

圖3 激勵信號產(chǎn)生電路

2.2 信號濾波放大電路設(shè)計

采用有源濾波器進行設(shè)計，因為無源濾波器通帶與截止頻率會隨負載發(fā)生變化，不適合微弱信號處理要求較高的場合。本次采用低噪聲雙通道精密放大器AD8676芯片進行濾波器設(shè)計，如圖4所示，第一級為一階低通緩沖RC，同時電壓放大2倍?？紤]到接收電路的穩(wěn)定性，采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)進行第二級的低通濾波的設(shè)計。另外，AD9833的輸出信號驅(qū)動能力有限，電流峰峰值只有10 mA，難以驅(qū)動激勵線圈產(chǎn)生較大的渦流，所以需要進行功率放大。在本系統(tǒng)中，考慮到激勵信號帶寬要求，采樣單路低噪聲高電壓電流放大芯片THS3111ID進行功率放大，它最大輸出電流可以達到260 mA。最后，將該信號接入激勵線圈探頭。

圖4 信號濾波放大電路設(shè)計

2.3 幅相檢測

在渦流檢測中，被測試件是否存在缺陷間接地通過信號幅值和相位反映出來。因此，對于整個渦流無損檢測系統(tǒng)而言，被測信號幅值和相位的測量至關(guān)重要。本次設(shè)計通過硬件電路方式，利用AD8302幅相檢波器來實現(xiàn)缺陷信號的幅值和相位的檢測，幅相檢測電路如圖5所示。

圖5 幅相檢測電路

AD8302內(nèi)部包括2個精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、1個寬帶線性乘法器、1.8 V精密基準(zhǔn)電壓源和模擬輸出調(diào)節(jié)電路，幅值動態(tài)測量范圍可以達到60 dB，可以測量相位動態(tài)范圍達到0～180°，可以滿足測試的基本需求。其輸出信號幅值比和相位差計算公式如下：

VMAG=20log(VINA/VINB)×30+900

(1)

VPHS=-10×(|Φ(VINA)-Φ(VINB)|-90)+900

(2)

式中：VINA和VINB分別為輸入到AD8302的參考信號和檢測信號的幅值；Φ(VINA) 和Φ(VINB)分別為參考信號和檢測信號的相位。

最后，將計算輸出的幅值比VMAG和相位差VPHS經(jīng)過電壓跟隨器后，通過單片機控制A/D分別對幅值比、相位差進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。幅相檢測電路將幅值和相位于一體，使得原本復(fù)雜的幅值相位測量變得簡化，同時，改善了渦流檢測系統(tǒng)的性能。

2.4 上位機軟件

在渦流檢測的過程中，利用Visual Studio2013軟件開發(fā)平臺在計算機上搭建上位機系統(tǒng)。整個渦流檢測硬件電路經(jīng)過信號處理之后得到缺陷信號，通過USB模塊實現(xiàn)單片機和計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終得以在上位機實時顯示缺陷信號幅值和相位信息的變化，從而判斷當(dāng)前被測物體是否存在缺陷，并進一步分析被測試件缺陷的大小。為了方便對比分析渦流檢測中幅值與相位對缺陷的敏感程度，設(shè)計了3個數(shù)據(jù)通道可供選擇。上位機界面包含了數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)和按鈕選擇區(qū)，可以用來可視化數(shù)據(jù)的選擇與輸入。

3 系統(tǒng)實驗測試

系統(tǒng)實驗缺陷試件如圖6所示，實驗中在試件上分別加工直徑為10、8、6、4、2 mm，深度為2、4、6、8 mm等不同規(guī)格的缺陷樣本，加工的缺陷樣本孔與相鄰孔之間的中心距離5 cm的等間隔，以便于測試設(shè)計的渦流檢測系統(tǒng)在不同缺陷大小中的效果。需要注意的是，本次檢測到的缺陷信號屬于微弱信號，為了阻止在探頭與檢測裝置之間外部電磁信號的噪聲干擾，采用屏蔽雙絞線作為信號線進行傳輸。

圖6 系統(tǒng)測試

最終，將渦流檢測系統(tǒng)在鋼板試件上進行實驗，激勵信號測試結(jié)果如圖7所示，單片機控制DDS芯片AD9833產(chǎn)生正弦波信號，模塊選用頻率為50 kHz、幅值為212 mV的正弦波信號接入激勵線圈產(chǎn)生激勵磁場，符合設(shè)計要求。系統(tǒng)測試主要分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試2部分。

圖7 激勵信號測試

3.1 靜態(tài)測試

首先，進行靜態(tài)測試，將探頭依次靜止緊貼放置在實驗鋼板缺陷正上方，采用控制變量法，保持缺陷半徑不變，改變?nèi)毕萆疃却笮。謩e讀取對應(yīng)的幅值和相位電壓值；接著，增大缺陷半徑大小，依次循環(huán)讀取響應(yīng)的電壓值，最終的靜態(tài)測試結(jié)果如表1所示。

3.2 動態(tài)測試

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，在檢測試件是否存在缺陷時，測試相位電壓值要比幅值效果更加顯著；隨著缺陷半徑的逐漸增大，相位電壓值隨之有較為明顯的增長趨勢；相比較于缺陷半徑的改變，改變?nèi)毕萆疃葘ο辔浑妷褐涤绊戄^小。因此，在動態(tài)測試中，主要選取相位電壓值作為檢測是否存在缺陷和缺陷大小對比分析的衡量指標(biāo)。檢測結(jié)果在上位機顯示如圖8所示，橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示渦流檢測系統(tǒng)將相位信息轉(zhuǎn)換輸出的電壓值。將缺陷深度6 mm保持不變，探頭緊貼放置在鋼板試件上，水平勻速直線運動依次經(jīng)過半徑為5、4、3、2、1 mm的鋼板缺陷。從實驗結(jié)果可以看出，渦流檢測裝置可以對鋼板缺陷進行有效檢測。

表1 不同半徑、深度缺陷對應(yīng)的幅值和相位電壓值變化

圖8 深度6 mm不同半徑缺陷大小相位電壓值的變化

4 結(jié)束語

本文通過研究電磁渦流無損檢測理論，設(shè)計了一種差動式自比較型圓形檢測探頭，具有較高的靈敏度和檢測效果。渦流檢測系統(tǒng)中利用DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦波激勵信號，提高了激勵信號輸出頻率精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，采用硬件幅相檢測電路對探頭輸出信號的幅值、相位進行快速有效提取，并將其以電壓的形式輸出，最終在上位機軟件上實時顯示。實驗結(jié)果表明，本次設(shè)計的渦流檢測系統(tǒng)具有良好的檢測性能，能夠檢測出鋼板試件上的微小缺陷，對油氣管道的安全儲運具有重要意義。