李 偉， 尚亞期， 楊會(huì)敏， 袁新安， 邵鑫宇， 趙建超

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島266580）

0 引 言

隨著社會(huì)與生產(chǎn)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)需求日益增加，交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)由于其不需耦合劑、提離不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、水下結(jié)構(gòu)、管道、壓力容器等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)中［1-2］。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備由于信號(hào)調(diào)理復(fù)雜、存在多個(gè)信號(hào)處理模塊，造成設(shè)備體積大、功耗高、不易攜帶，為教學(xué)和科研工作帶來(lái)諸多不便。針對(duì)上述問(wèn)題，在交流電磁場(chǎng)檢測(cè)理論的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種低功耗、輕量級(jí)的嵌入式交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)［3］。系統(tǒng)主控選擇STM32H743作為系統(tǒng)MCU，構(gòu)建RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與TouchGFX前端交互框架，構(gòu)建交流電磁場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試［4］。

1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)理論。當(dāng)通入交流電的激勵(lì)線圈靠近被測(cè)鐵磁性材料時(shí)，交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用于被測(cè)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流會(huì)趨于被測(cè)件的表面。在無(wú)缺陷的被測(cè)件表面，感應(yīng)電流是均勻分布的，在有缺陷的部位感應(yīng)電流產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)，表面的磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變，通過(guò)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量到畸變磁場(chǎng)即可判斷和評(píng)估裂紋［5-6］。

如圖1所示，X方向磁場(chǎng)在缺陷兩端呈現(xiàn)較小幅值，在缺陷中部呈現(xiàn)波谷，包含裂紋深度信息。Z方向磁場(chǎng)在缺陷兩端呈現(xiàn)正負(fù)相反波峰，反映裂紋的長(zhǎng)度［7］。

圖1 交流電磁場(chǎng)缺陷檢測(cè)原理圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于STM32交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)包括儀器主機(jī)與檢測(cè)探頭兩部分，對(duì)不同的檢測(cè)條件可設(shè)計(jì)更換不同探頭以滿足檢測(cè)作業(yè)條件。檢測(cè)系統(tǒng)主要組成如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)主要組成

探頭包括激勵(lì)線圈、信號(hào)放大電路、隧道磁阻（Tunnel Magnetic Resistance，TMR）磁場(chǎng)傳感器［8］，當(dāng)線圈通入正弦激勵(lì)，在工件表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，電流在缺陷周圍擾動(dòng)，TMR傳感器拾取缺陷周圍畸變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)放大電路傳輸至儀器主機(jī)。

儀器主體包括電源電路、STM32H743核心板、按鍵電路、DDS信號(hào)發(fā)生器、功率放大電路、信號(hào)濾波電路、RMS-DC電路、SD卡電路與顯示器。MCU與DDS信號(hào)發(fā)生器通過(guò)SPI通訊，產(chǎn)生1～10 kHZ頻率可調(diào)正弦波，經(jīng)過(guò)功率放大為激勵(lì)信號(hào)，加到探頭線圈上；TMR傳感器采集的磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、濾波，最后通過(guò)RMS-DC電路求信號(hào)有效值；MCU通過(guò)A/D采集RMS-DC電路的直流信號(hào)，在顯示器上顯示波形，SD卡有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回溯功能，按鍵電路用于非觸摸情況下操作儀器。如圖3（a）～（g）所示為檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

3 硬件模塊設(shè)計(jì)

良好的硬件設(shè)計(jì)對(duì)保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著決定性的作用，系統(tǒng)主要圍繞高精度檢測(cè)探頭、儀器主體信號(hào)處理、MCU外圍電路進(jìn)行硬件模塊設(shè)計(jì)。

3.1 高精度檢測(cè)探頭

如圖4所示為檢測(cè)探頭示意圖，探頭包括殼體、頂蓋、TMR傳感器、放大電路、均勻纏繞500匝銅線的磁芯以及用來(lái)連接儀器主體的航空插頭。

圖4 檢測(cè)探頭

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，TMR傳感器測(cè)量到的電壓信號(hào)只有mV級(jí)，需要經(jīng)過(guò)放大。選擇AD620用于儀表信號(hào)放大，其具有低成本、高精度、低失調(diào)電壓、只需一個(gè)外部電阻就可設(shè)置增益等優(yōu)點(diǎn)。

圖5所示為AD620放大電路［9］，設(shè)置Bx信號(hào)放大倍數(shù)為50，Bz信號(hào)放大倍數(shù)為100，選擇Bx信號(hào)放大電阻阻值為1 kΩ，Bz信號(hào)放大電阻阻值為500 Ω。放大電路為差分輸入，使用耦合電容，可去除信號(hào)中的直流分量。

圖5 AD620放大電路

3.2 電源電路

電源的穩(wěn)定對(duì)信號(hào)處理電路、儀器的穩(wěn)定運(yùn)行有著決定性的作用。隔離電源有抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、較寬的電壓輸入范圍等優(yōu)點(diǎn)［10］。如圖6（a）～（c）所示為電源電路，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性添設(shè)了5處濾波電容，添設(shè)了1.5 A保險(xiǎn)絲與自鎖按鍵。

圖6 電源電路

3.3 信號(hào)發(fā)生器與功率放大電路

系統(tǒng)使用直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Synthesizer，DDS）信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)激勵(lì)源，儀器使用AD9833，具有功耗低、輸出頻率范圍廣、分辨率高、可輸出波形種類多等優(yōu)點(diǎn)。AD9833輸出功率低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈，添加TDA2030a功率放大電路［11-12］。如圖7（a）、（b）所示為信號(hào)發(fā)生器與功率放大電路。

圖7 信號(hào)發(fā)生器與功率放大電路

AD9833所需晶振為25 MHz有源晶體振蕩器，外接3線SPI通信接口，MCU可控制AD9833產(chǎn)生1～10 kHz的正弦波；TDA2030A功率放大模塊輸入端并聯(lián)可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電流的大小，調(diào)節(jié)輸出功率，同時(shí)輸入端耦合電路濾除干擾，兩個(gè)二極管用于穩(wěn)壓，功率放大倍數(shù)為32倍［13］。

3.4 濾波電路與RMS-DC電路

探頭通過(guò)航空插頭與儀器主體相連，主機(jī)內(nèi)濾波電路可降低信號(hào)噪聲，AD637芯片可實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)有效值計(jì)算［14］。濾波與有效值電路如圖8所示。濾波電路使用帶通頻率為10 kHz～150 kHz的二階巴特沃斯帶通濾波器［15］，有效值電路中電容C7用于控制計(jì)算時(shí)間。

圖8 濾波與RMS-DC電路

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要由RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TouchGFX前端交互框架組成，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件框圖

儀器使用RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)，系統(tǒng)完全開(kāi)源，不僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，還具備豐富的中間層生態(tài)［16］。儀器創(chuàng)建了運(yùn)行TouchGFX前端交互框架的線程。以及各種驅(qū)動(dòng)線程，包括軟件SPI通信的AD9833線程、作為顯存的SDRAM線程、軟件IIC通信的FT5426觸摸屏驅(qū)動(dòng)線程、上升沿中斷觸發(fā)的按鍵檢測(cè)線程、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的SD卡線程、用于采集探頭信號(hào)的AD采集線程，同時(shí)在SD卡構(gòu)建了FATFS虛擬文件系統(tǒng)。

系統(tǒng)使用TouchGFX前端交互框架，作為新興的GUI框架，基于C/C++面向?qū)ο缶帉懀哂姓加觅Y源少、動(dòng)畫美觀、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)［17］。儀器的GUI以波形顯示程序?yàn)楹诵?，包括屏保界面、桌面、設(shè)備信息界面、儀器操作說(shuō)明界面。圖10為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)界面。

圖10 波形顯示界面

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1 測(cè)試系統(tǒng)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括檢測(cè)探頭、STM32H743核心板、顯示屏、電源、DDS信號(hào)發(fā)生電路、功率放大電路、濾波與RMS-DC電路等。

5.2 檢測(cè)試件

本次檢測(cè)對(duì)象為帶有人為加工缺陷的不銹鋼試塊，如圖11所示。缺陷1～5長(zhǎng)度為5 mm，深度分別為4、3、2、1.5、1 mm，長(zhǎng)度相同，深度遞減；缺陷6～10深度為3 mm，長(zhǎng)度分別為2、3、5、7、9 mm，深度相同，長(zhǎng)度遞增。

圖11 不銹鋼裂紋試塊

5.3 檢測(cè)結(jié)果

手持探頭貼緊不銹鋼缺陷試塊，分2次測(cè)量，第1次從缺陷5勻速掃描到缺陷1，得到的缺陷特征信號(hào)Bx和Bz如圖12所示。第2次從缺陷6勻速掃描到缺陷10，檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。利用SD卡導(dǎo)出上述數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，如圖14所示。

圖12 缺陷1～5檢測(cè)結(jié)果

圖13 缺陷6～10檢測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，Bx、Bz信號(hào)特征處分別對(duì)應(yīng)缺陷1～10。本系統(tǒng)可以較好檢出不銹鋼板上的微小裂紋。

圖14 缺陷檢測(cè)結(jié)果圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于STM32單片機(jī)為核心，開(kāi)發(fā)低功耗、輕量級(jí)的嵌入式交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于TMR的高精度檢測(cè)探頭，設(shè)計(jì)信號(hào)處理關(guān)鍵模塊，移植RTThread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與TouchGFX前端交互框架，開(kāi)發(fā)缺陷顯示軟件，搭建完善的檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行不銹鋼裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文開(kāi)發(fā)的嵌入式交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)可很好地檢測(cè)出不銹鋼微小裂紋，對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)儀器研制有良好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用適用性。