金 杰，駱 洲，熊定標(biāo)，鐘耀毅

（1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司 設(shè)備管理部，浙江 嘉興 314000；2.浙江浙能數(shù)字科技有限公司 智能化事業(yè)部，浙江 杭州 310000）

1 金屬表面缺陷及檢測技術(shù)

目前可使用的金屬缺陷檢測方式主要包括：滲透檢測法、超聲波檢測法、射線檢測法、磁粉檢測法、渦流檢測法等[1]。其中磁粉檢測法主要應(yīng)用于磁性的金屬表面缺陷檢測，在磁化被測件后，被測件的磁力線會逸出，要留意觀察表面的聚合磁痕判斷缺陷情況。超聲波檢測應(yīng)用情況相對較廣，可以用于各種金屬材料，需要在表面涂抹耦合劑，才能得到被測試件內(nèi)部缺陷的反射信息；而另一種射線檢測法與超聲波檢測類似都需要涂抹耦合劑，并且此法還會污染環(huán)境損害人體健康。目前電廠在關(guān)鍵金屬構(gòu)件中依然多使用滲透檢測法，該方法可以用在很多非吸收性的材料試件的表面，但操作步驟繁瑣，需要使用特殊的液態(tài)染料和顯色劑涂抹在材料表面，對其表面缺陷進(jìn)行滲透著色，再刮去表面的多余色劑，讓滲透進(jìn)缺陷的顯色劑顯色。相比于其他方法，渦流檢測法無需涂抹任何制劑和材料就能檢測金屬表面和內(nèi)部缺陷，檢測速度快、靈敏度高。

目前的市場上的主流產(chǎn)品都是使用單通道的渦流檢測方式，西安理工大學(xué)改進(jìn)傳統(tǒng)單線圈設(shè)計了一種基于雙線圈差動電路的非接觸式測量裝置，同時通過差分阻抗可以在一定程度上抑制提離效應(yīng)影響。國內(nèi)的蘇州德斯森電子有限公司實現(xiàn)對使用單通道渦流檢測技術(shù)手段，檢測細(xì)長管道類金屬構(gòu)件。曼徹斯特大學(xué)設(shè)計了一種新型的電感電容組合式傳感器，該傳感器的直徑可以從傳感器的電容測量值中反演。國外EDDYFI的脈沖渦流缺陷檢測設(shè)備可實現(xiàn)76 mm深度的金屬缺陷檢測。本研究提出一種陣列式渦流檢測方式，基于單通道渦流檢測技術(shù)，主要在利用阻抗原理檢測的單通道渦流金屬缺陷檢測設(shè)備的基礎(chǔ)上，將原有的單通道模塊升級為多通道模塊，利用高速切換數(shù)據(jù)通道信號，達(dá)成多通道信號處理的效果，再配合使用多通道采集設(shè)計的陣列式檢測探頭，實現(xiàn)快速掃描和大面積檢測的功能效果。

2 陣列式渦流檢測硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)框架

陣列式渦流檢測硬件系統(tǒng)主要圍繞多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示。渦流信號處理模塊發(fā)出激勵信號，驅(qū)動檢測探頭產(chǎn)生磁場從而使待測試件產(chǎn)生感應(yīng)渦流。當(dāng)被測金屬件產(chǎn)生感應(yīng)電磁渦流時，由于本身存在缺陷，導(dǎo)致渦流場的分布會產(chǎn)生變化，從而影響檢測探頭輸出的感應(yīng)電壓[2]。檢測探頭將采集的信號電壓反饋給渦流信號處理模塊，電路再對信號電壓進(jìn)行放大、解調(diào)、濾波等處理，得到垂直和水平兩組相位信號，由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對n組信號進(jìn)行高速采集，采集率可以人為調(diào)節(jié)，最后傳送給由上位機顯示部分對兩組信號進(jìn)行直觀顯示和放大。

圖1 陣列式渦流檢測硬件系統(tǒng)

2.2 電路模塊設(shè)計

整個電路模塊以FPGA為核心，搭配數(shù)據(jù)渦流信號處理電路完成高速的數(shù)據(jù)采集。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電路模塊設(shè)計細(xì)節(jié)

2.2.1 渦流信號處理模塊

渦流信號處理模塊由多個相同的渦流信號處理電路組成，每個信號處理電路分別控制一個檢測探頭收發(fā)信號，單個電路接受來自多通道數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的DDS信號，再由DAC9767芯片實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，以保證激勵信號頻率、幅值和相位的穩(wěn)定，同時實現(xiàn)DDS頻率在線可調(diào)，輸出的正弦信號一共產(chǎn)生四組，每一組之間的相位相差90°[3]。選擇其中相反的兩組信號，經(jīng)過芯片AD8066AR實現(xiàn)信號的差動放大，再進(jìn)行功率放大后作為激勵信號傳到探頭，剩下的兩組信號留作解調(diào)模塊的參考信號。

接收到探頭的反饋信號后，先是采用同頻多組信號復(fù)合電路設(shè)計，將多組反饋信號，進(jìn)行濾波穩(wěn)壓處理，之后再對各路信號進(jìn)行功率放大，放大后的信號需要使用PGA芯片[4]。由PGA將信號放大后，AD9240對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)接一個數(shù)據(jù)緩存芯片，作為后續(xù)的多通道信號開關(guān)芯片，最后連接到多通道數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理。

2.2.2 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

陣列式渦流檢測硬件系統(tǒng)的核心是多通道數(shù)據(jù)采集模塊，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對多個渦流信號處理模塊檢測到的相位信號進(jìn)行采集和緩存，并通過總線與主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的基本思路是以FPGA為核心，搭配數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片完成數(shù)據(jù)的高速采集[5]。

實時控制模塊控制FPGA接受來自渦流信號處理模塊的多組信號，利用FPGA的高速處理能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集通道的切換。FPGA的控制引腳連接每一個解調(diào)信號的ADC后的芯片的引腳，命名為CHANNEL[1～n]，每個數(shù)據(jù)緩存芯片的轉(zhuǎn)接的解調(diào)信號的15組引腳數(shù)據(jù)則公用同一組FPGA上的引腳，通過依次高速切換數(shù)據(jù)緩存芯片的使能信號CHANNELn，來獲得不同的ADC信號數(shù)據(jù)。具體的控制時序圖如圖3所示。

圖3 FPGA控制時序

FRE引腳拉低，則代表數(shù)據(jù)讀取功能開啟，之后按照一定周期接受多組來自渦流信號處理模塊的信號，當(dāng)FPGA的FRE引腳接收到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的高電平后，即代表轉(zhuǎn)換完成，表示一次周期同一組數(shù)據(jù)的讀取完成。每次周期開始后，依次控制每一個CHANNELn的使能，拉低電平開啟數(shù)據(jù)緩存芯片的數(shù)據(jù)傳輸，同時其他的CHANNEL引腳處于關(guān)閉狀態(tài)，再拉高電平，表示本次該單通道的數(shù)據(jù)讀取完畢，同時ADC也會再繼續(xù)等待CHANNELn信號的下降沿引腳使能信號，以此類推，依次完成剩下的ADC數(shù)據(jù)。FRE的讀取周期可根據(jù)上位機處理的速度來進(jìn)行調(diào)整。

3 陣列式渦流探頭設(shè)計

陣列式前置探頭的設(shè)計會影響到檢測效果，金屬的表面在焊接處或微小臺階等不平整界面時，傳統(tǒng)的探頭會檢測方向不垂直或提離高度過高，導(dǎo)致檢測信號弱，甚至導(dǎo)致故障[6]。

使用FPC（柔性電路板）制作的線圈繞制在小型鐵氧體上，實現(xiàn)對單個探頭的小型化設(shè)計，在縱向的設(shè)計位移穩(wěn)定的情況下，在探頭的后部加裝彈簧，實現(xiàn)探頭Z軸方向的縱向位移，此種情況下的陣列式探頭可以保證在掃描過程中，處理焊接點或其他不平整金屬面都可以得到更精準(zhǔn)的信號，便于后續(xù)的電路進(jìn)行信號處理[7]。探頭示意如圖4所示。

圖4 陣列式渦流探頭設(shè)計

4 渦流檢測系統(tǒng)實驗

利用所構(gòu)建的陣列式渦流檢測系統(tǒng)，使用信號發(fā)生器的信號代替DDS發(fā)生器的感應(yīng)信號，測試多通道檢測設(shè)備的可行性。整個系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、FPGA核心及多通道開關(guān)板、上位機、顯示屏等，檢測試驗平臺如圖5所示。利用簡化的上位機顯示界面調(diào)取和優(yōu)化采集到的數(shù)據(jù)勘察檢測結(jié)果的可行性。

圖5 系統(tǒng)檢測實驗平臺

實驗使用不同深度的缺陷檢測試件對傳感器的功能進(jìn)行測試，在厚度為3.5 mm的鋼板上等間距加工了5條深度不同的焊縫，缺陷試塊見圖6所示。使用試驗探頭掃過被測金屬試件的缺陷處，觀察上位機是否能處理多通道硬件系統(tǒng)收集的多路信號，并處理成線性圖形進(jìn)行表示。

圖6 金屬缺陷檢測試塊

通過對實虛部優(yōu)化分析，對線圈阻抗的分析加以量化顯示，在正常情況下檢測波形平穩(wěn)，如果所示波形發(fā)生較大抖動時，則表示此時檢測的位置存在缺陷。經(jīng)實驗，如圖7所示，可以觀察到，在檢測到金屬件內(nèi)存在缺陷時，檢測波形發(fā)生了較大波動，檢測結(jié)果符合實驗預(yù)期。即在金屬表面的缺陷實驗中，該系統(tǒng)可以正確檢測出被測件的缺陷。

圖7 波形對比分析

5 結(jié)語

針對金屬構(gòu)件中存在的缺陷，本研究分析了常用的金屬缺陷檢測手段，并就渦流檢測方式著重進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，提出了陣列式渦流檢測裝置設(shè)計，對陣列式渦流檢測的硬件設(shè)計進(jìn)行了深入研究與設(shè)計，有望為金屬缺陷檢測的市場提供新的解決方案。