CN102520059A - 基于扰动磁场检测仪的电路装置 - Google Patents

Abstract

一种基于扰动磁场检测仪的电路装置，该发明设计一种基于扰动磁场检测仪的电路系统。该检测系统总体电路主要由激励源模块、传感器模块、信号调理电路、移相电路、相关器电路、A/D转换电路和计算机显示系统组成。基于Labview软件在数值分析、图像显示、编程等的独特优势，利用互相关原理和A/D数据采集卡，设计了一种能获取检测信号幅值和相位信息的可视化检测系统。该发明的检测电路能对微弱信号有很好的放大作用，同时对噪音有很好的抑制作用。该电路还能把缺陷信号的幅值和相位同时检测出来，能很好地实现对金属表面裂纹缺陷特征的检测和表征。

Description

基于扰动磁场检测仪的电路装置

技术领域

本发明涉及一种检测仪的电路装置，尤其涉及一种基于扰动磁场检测仪的电路装置。

背景技术

传统的无损检测方法如磁粉检测和渗透检测方法的检测灵敏度较高，但它们对构件表面要求高，需要对表面进行除漆等清理，增加了大量的检修工时和作业量；超声检测则因为构件表面粗糙不平而声耦合较差，使得准确定量判伤比较困难；涡流检测实现了非接触检测，无需耦合介质，但由于影响检测信号因素较多，对检测人员素质要求高，易造成漏判或误判，影响检测质量。扰动磁场检测技术是一种新的检测技术，该方法检测速度快、精度高，定性、定量检测一次完成，能实现非接触检测，无需清理金属表面的油漆和涂层，同时不需要标定试块，具有传统无损检测方法无法比拟的优点。研制新的扰动磁场检测仪将具有广阔的应用前景。

扰动磁场检测技术(ACFM)是近期发展起来的一种交流电磁检测技术，具有检测速度快、数学模型清晰、受提离效应影响小、操作简单、易实现自动化检测等一系列优点。ACFM技术是从交流电压降测量法(ACPD)发展而来的。英国伦敦大学无损检测中心为了克服ACPD法要求探头和工件间要求良好接触等的缺点和不足，提出了通过交流电磁场的感应，测定表面感应磁场的变化(扰动磁场)来检测工件缺陷的新思路(ACFM方法)。随后，英国的技术软件公司(TSC公司)开发了相关仪器，并于20世纪90年代后期开始探索性应用于海洋石油平台的检测。由于该仪器价格昂贵，测量精度还有待于提高，在我国还没有得到普遍的应用。目前我国还没有研制出公认成熟的、商用的检测仪器。但是由于该项技术与涡流检测、超声检测等相比具有明显的优越性，开发相应廉价高效的ACFM检测仪将具有广阔的应用空间和巨大的经济效应。

该发明重点是研制一种用于扰动磁场检测仪器的测试电路系统，该扰动磁场检测系统的总体结构电路如图1所示 。该总体电路由激励源模块电路、传感器模块、信号调理电路、移相和相关器电路、信号采集电路与A/D转换电路和计算机显示系统组成。其中，激励源模块电路包括稳压电路、信号发生器、功率放大器；传感器模块包括激励线圈和检查线圈；信号调理电路包括差分放大电路、滤直流检波电路、带通滤波电路、后置放大电路；还有移相电路、相敏检波电路、直流放大积分器部分；A/D转换电路主要有数据采集卡和数据采集程序；基于Labview的计算机处理控制与显示程序。 

发明内容

本发明的主要技术是提供一种基于扰动磁场检测仪的电路装置，为高效能扰动磁场检测仪的研制提供一种技术方案。

本发明是这样实现的，它包括稳压电源、信号发生器、触发电路、功率放大器、激励线圈、待测试件、检测探头、信号调理电路、相关器、A/D转换电路、计算机、移相电路、方波形成电路，其特征是稳压电源连接信号发生器，信号发生器分别连接触发电路和功率放大器，功率放大器连接激励线圈，激励线圈连接待测试件，待测试件连接检测探头，检测探头连接信号调理电路，信号调理电路连接相关器，相关器连接A/D转换电路，A/D转换电路连接计算机，所述触发电路连接移相电路，移相电路连接方波形成电路，方波形成电路连接相关器。

所述信号调理电路包括前置差分放大电路、滤直流检波电路、二阶压控电压源带通滤波电路、集成后置放大电路，所述前置差分放大电路、滤直流检波电路、二阶压控电压源带通滤波电路和集成后置放大电路依次连接。

本发明的技术效果是：该发明的检测电路能对微弱信号有很好的放大作用，同时对噪音有很好的抑制作用。该电路还能把缺陷信号的幅值和相位同时检测出来， 能很好地实现对金属表面裂纹缺陷特征的检测和表征。

附图说明

图1 扰动磁场检测系统的总体结构电路图。

图2  TCL2262差分放大电路。

图3  TCL2262差分放大仿真电路。

图4 滤除检测信号中2.5V直流成分的OP07电路。

图5 二阶压控电压源带通滤波电路。。

图6 LM324后置放大电路图。

图7 移相电路。

图8 相关器仿真电路图。

图9 相关器设计电路图。

图10 数据采集程序框图。

图11 互相关幅值相位检测子程序框图。

图12 互相关检测器主程序框图。

图13为信号调理电路原理方框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样实现的，它包括稳压电源1、信号发生器2、触发电路3、功率放大器4、激励线圈5、待测试件6、检测探头7、信号调理电路8、相关器9、A/D转换电路10、计算机11、移相电路12、方波形成电路13，稳压电源1连接信号发生器2，信号发生器2分别连接触发电路3和功率放大器4，功率放大器4连接激励线圈5，激励线圈5连接待测试件6，待测试件6连接检测探头7，检测探头7连接信号调理电路8，信号调理电路8连接相关器9，相关器9连接A/D转换电路10，A/D转换电路10连接计算机11，所述触发电路3连接移相电路12，移相电路12连接方波形成电路13，方波形成电路13连接相关器9。

如图13所示，所述信号调理电路8包括前置差分放大电路14、滤直流检波电路15、二阶压控电压源带通滤波电路16、集成后置放大电路17，所述前置差分放大电路14、滤直流检波电路15、二阶压控电压源带通滤波电路16和集成后置放大电路17依次连接。

如图2-图6所示，信号调理电路包括TLC2262差分放大仿真电路、滤直流检波电路、二阶压控电压源带通滤波电路、LM324集成后置放大电路，申请保护信号调理电路的结构特征及电路连接特征。

如图7-图9所示，申请保护移相电路和相关器电路的结构特征及电路连接特征。

如图10-图12所示，申请保护与数据采集程序框图、互相关幅值相位检测程序框图对应的软件系统。

本发明检测系统各模块部分的特征及功能：

激励源模块：激励源模块电路包括稳压电源、信号发生器、功率放大器。激励电源给激励线圈提供不同频率的正弦交流电流。信号频率及其稳定性对信号提取和检测精度影响很大，信号频率是否稳定将对整个检测系统的工作起着十分关键的作用。对电源的总体要求：幅值程控可调、输出正弦波形、频率的变化范围在1Hz-300kH_Z区域即可、功率不低于30W、电压电流稳定。

传感器模块：传感器模块主要包括激励线圈和检测线圈，激励线圈在试件表面感应均匀的电场，检测探头拾取在激励线圈下产生的感应磁场信号，获得缺陷信号信息。

信号调理电路：信号调理电路包括差分放大电路、滤直流检波电路、二阶压控电压源带通滤波电路、集成后置放大电路。

TLC2262差分放大电路：

TLC2262是TI公司双路运算放大器，这种器件可以在单电源或双电源条件下供电，从而增强了动态的范围。不管是检测水平方向B_X还是垂直方向B_Z的扰动磁场信号，都采用差分式结构的放大电路。差分结构放大电路可以消除共模信号和一部分的噪声信号。放大倍数可以通过调节电位器R₃和R₄来调节。经过放大的信号再通过检波、滤波电路把调制信号从载波中提取出来。图2为TCL2262差分放大电路，图3为 TCL2262差分仿真电路。

滤直流检波电路：这里选用OP07芯片作为滤除检测信号中2.5V直流成分电路的放大器，它是一种低噪音，双极性运算放大器电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点。这种低失调、高开环增益的特征使得OP07特别适用与高增益的测量设备。OP07的特点是：超低偏移、低输入偏置电流、低失调电压漂移、高电源电压范围。

检测线圈检测到的信号是一个叠加在直流电压2.5V上的叠加信号，为了去掉其中的直流成分，这里选用OP07放大器构成滤除检测信号中2.5V直流成分电路，如图4所示。             

二阶压控电压源带通滤波电路：传感器采集到的扰动磁场信号常常伴随着大量的干扰信号。干扰信号包括随机噪声信号、50Hz的工频干扰信号以及激励信号的高次谐波等。利用二阶有源高通滤波电路，可以滤去这些干扰信号。我们必需对差分放大后的信号进行适当的滤波，消除由于试验过程中的人为因素(比如不小心抖动)而产生的干扰信息。有用信号的频率通常比较低，随机噪声和激励信号的高次谐波等干扰信号的频率通常比较高。因此，为了提取有用的信号，我们使用带通滤波电路以滤除干扰信号，利用3554BM运算放大器设计的带通滤波电路如图5所示。

  

LM324集成后置放大电路：第二级放大电路采用集成运算放大器LM324。在电路的设计中，运算放大器LM324采用+12V和-12V双电源供电，后置放大电路如图6所示，              放大增益公式为                                                

。

移相电路：参考通道是产生与被测信号同步的参考信号并输送给相关器。参考端信号通常要求参考信号的幅度应大于100mV以上。相关器的参考通道输出的是和信号同步的对称方波。该功能可以由一阶全通滤波器电路实现，并通过二级运算放大器完成幅值的调整，输出标准的方波信号。这部分主要包括正弦波变方波电路和移相电路，移相电路是该部分的核心电路。

为使参考信号和被测信号的相位相同和正交，需要加入移相器（如图7所示）对参考信号相位进行调整。移相器由两级运算放大器A1和A2构成。A2、R7、R8、R9、R_P2、C5能实现输入信号移相的滞后。令R7=R8，当输入信号为直流信号时，A2放大器的反相输入端相当于没有接地，U_out=-U₀，输入信号相移为-180°；当输入信号为高频信号时，A2放大器的反相输入端直接接地，U_out=U₀, 输入信号相位不变，即相移为0； 所以通过调节R_P2可实现输入信号的-180°～0°移相。

运算放大器A1与R4、R5、C4、R_P1、R6组成微分电路，令R4=R5, 当输入信号为直流信号时，C4相当于开路，U_o=U_in，输入信号相位不变，即相移为0°；当输入信号为高频信号时，C4相当于短路，电路成为反相器，相移为180°，所以通过调节R_P1可实现输入信号的0°～180°相移。图10移相电路由一个可实现超前0⁰～180⁰的相移电路和一个实现滞后0°～180°的相移电路组成，从而使参考信号可实现在360°范围内的任何相移量。

相关器电路：相关器是微弱信号检测锁定放大的核心部件，是实现参考信号和被测信号两者相关函数的电子线路。相关器的功能由乘法器(PSD)和积分器来实现。该相关器采用性能较好的电压型开关式乘法器，相关器仿真电路如图8所示，相关器电路如图9所示。

由图8可知，U1为放大电路，放大倍数被1、10、100。放大器U2和U3及两个场效应管组成并串联开关式乘法器。工作原理是：U1输出的信号分成两路，一路经

隔直后输给U2的负相端，放大负一倍；另一路输给U3放大负两倍，通过

和

隔直后被由参考信号控制的场效应管并串联开关同步接通或断开与上一路信号在U2 中相减，从而完成实现相敏检波。参考信号是1：1的方波，经放大器U5放大去控制场效应管开关Q2，并在经U6反相后控制场效应管开关Q1，Q1和Q2组成并串联开关，U3的输出信号在参考信号的半个周期内导通输给U2，半个周期内断开。U2输出的相敏检波后的PSD信号可以直接接上示波器观察。同时，PSD输出信号经U4组成的低通滤波器滤去各次谐波，保留直流成分。低通滤波器的等效噪音带宽（即Q值）可选为0.1S、1S、10S。

A/D转换电路：信号采集系统的基本功能是对信号测量和采集。要使计算机系统能测量、处理信号，就必须把传感器的输出模拟信号转换成数字信号。总之，数据采集是借用软件来控制整个信号采集系统的，包括原始信号的采集、分析数据以及给出结果。这里选用北京阿尔泰科技发展有限公司生产的USB5935数据采集卡。USB5935数据采集卡是一种基于USB总线的数据采集卡，它可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任意一个PCI插槽或USB插孔中，构成数据采集、波形分析和处理系统。输入量程为

10V、5V时，即为双极性输入（输入信号在正负范围内变化）。采集卡设备的A/D分辨率在13位以上，数据采集程序框图如图10所示。

计算机显示系统：Labview能把复杂、繁琐、费时的语言编程简化为“用图标提示的方法选择功能模块和用线条将各种功能模块连接起来”的编程方式。用户利用Labview编程就好像在“绘制”程序流程图。框图是虚拟仪器程序的图形化源代码，相当于标准仪器箱内的功能部件。框图程序用图形化编程语言编写，可以把它理解成传统编程语言程序中的源代码。为了实现程序的模块化设计，将互相关幅值相位检测程序作为一个子程序在主程序设计图中使用，如图11所示。主程序处理显示设计如图12所示，描述了数据处理的流程。

Claims (2)

1.一种基于扰动磁场检测仪的电路装置，它包括稳压电源、信号发生器、触发电路、功率放大器、激励线圈、待测试件、检测探头、信号调理电路、相关器、A/D转换电路、计算机、移相电路、方波形成电路，其特征是稳压电源连接信号发生器，信号发生器分别连接触发电路和功率放大器，功率放大器连接激励线圈，激励线圈连接待测试件，待测试件连接检测探头，检测探头连接信号调理电路，信号调理电路连接相关器，相关器连接A/D转换电路，A/D转换电路连接计算机，所述触发电路连接移相电路，移相电路连接方波形成电路，方波形成电路连接相关器。

2.根据权利要求1所述的一种基于扰动磁场检测仪的电路装置，其特征是信号调理电路包括前置差分放大电路、滤直流检波电路、二阶压控电压源带通滤波电路、集成后置放大电路，所述前置差分放大电路、滤直流检波电路、二阶压控电压源带通滤波电路和集成后置放大电路依次连接。

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