CN102539519A

CN102539519A - Acfm数字化检测仪

Info

Publication number: CN102539519A
Application number: CN2012100025245A
Authority: CN
Inventors: 任尚坤; 李兵; 阮士家
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种ACFM数字化检测仪，试件连接检测线圈，检测线圈的磁场信号输入前置放大电路，前置放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接后置放大电路，后置放大电路连接AD7656模数转换电路，AD7656模数转换电路的输入信号输入DSP核心板，DSP核心板连接DA转换电路，DA转换电路连接功率放大电路，功率放大电路的激励信号输出到激励线圈，所述DSP核心板通过HPI总线接口连接S3C2440嵌入式开发板，所述S3C2440嵌入式开发板分别连接前置放大电路、带通滤波电路和后置放大电路。本发明的技术效果是：基于DSP的锁相放大器是数字型的锁相放大器，克服了模拟锁相放大器信噪比低、精度低、线性差等缺点。

Description

ACFM数字化检测仪

技术领域

本发明涉及一种检测仪，尤其涉及一种ACFM数字化检测仪。

背景技术

近年来，在涡流检测和漏磁检测的基础上，发展起来一种新的无损检测技术——扰动磁场检测技术（Alternating Current Field Measurement，简称ACFM）。该技术利用导电材料在交变电流作用下，材料中的缺陷裂纹将改变其周围的感应电流的分布，从而改变铁磁试件表面感应磁场的分布。通过测量表面感应磁场分布的变化，并根据数学模型的反演，检测确定裂纹缺陷的长度和深度特征。

金属材料大量作为受力构件使用，广泛应用于航空航天、电力、铁路、压力容器等行业。构件在使用过程中，在应力腐蚀、疲劳载荷、内部工作介质或外部工作环境的作用下，易在开槽、空洞、疏松、应力集中处，和焊缝及其热影响区域产生表面裂纹。裂纹缺陷是金属构件的一种主要损伤形式，裂纹尺寸是评价构件安全可靠性的重要参数。因此在对构件进行无损检测时能快速、方便、准确地检测出裂纹等缺陷，并能进行精确地定量表征，对于预防构件的断裂故障和防止重大恶性事故的发生具有重要意义。

传统的无损检测方法如磁粉检测和渗透检测，其检测灵敏度较高，但它们对构件表面要求较高，需要对表面进行除漆等清理工作，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，使得准确定量检测比较困难；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。

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世纪末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，在我国还没有得到应用。目前，在我国还没有研制出公认成熟的检测仪器。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ACFM数字化检测仪，该检测仪器的检测方法速度快、精度高，定性、定量检测一次完成，能实现非接触检测，具有传统无损检测方法无法比拟的优点。该检测仪器的特点代表着检测仪器的发展方向，具有广阔的应用前景。目前这种仪器我们国内还没有进入实用阶段，还没有市场化，还没有研究单位或高校报道研制出这种数字化的检测仪。

该检测仪从目前来看，国内还没有公司生产基于扰动磁场检测技术的检测仪器。能够实现ACFM检测功能的研究还处于实验室阶段。目前，在我国高校研究所对ACFM检测仪的研制有两种思路，一种是利用集成模拟电路进行信号处理，通过数据采集卡，把信号输入PC机进行显示，除采用DDS信号源之外，包括锁相放大电路在内的其他电路均采用模拟电路来实现。还有一种研发思路为信号调理采用模拟电路，然后直接利用数据采集卡将信号采集进入PC机，最后利用LABVIEW虚拟仪器完成信号的处理和显示。虽然这两种思路均可以实现缺陷信号的检测，但由于大量模拟电路的运用，无法避免模拟电路存在的弊端，无法很好地实现检测仪器的集成化和数字化，对检测精度有较大的限制。虚拟仪器的使用又限制了检测的灵活性，特别是锁相放大器。这两种思路都无法保证参考信号的严格正交性，导致锁相放大之后的信号产生波动，使检测的精度和准确性下降。

数字化扰动磁场检测仪。其特点一是检测精度高，仪器中只有信号调理电路采用模拟电路实现外，其余均为数字电路进行数字信号处理。信号源采用DDS合成纯净的正弦激励信号和参考信号，其中两路信号严格正交。运算过程采用浮点型DSP的核心处理器，摆脱模拟型锁相放大电路的限制，使得相敏检波的结果更为精确。其特点二是高集成和双核心，采用嵌入式仪器设计思路，使用ARM控制加DSP运算的双核心模式，利用ARM优秀的管理和控制能力，结合DSP高性能的数字运算能力，进一步提高仪器的集成化程度，实现了缺陷信息的图像显示和声光报警。无需借助PC机，能够接受键盘输入，而且缺陷信号数据可进行外部存储，便于缺陷的定量分析。其特点三是使用简单方便，检测仪器的尺寸小巧，检测过程脱离对PC机的依赖，可独立完成检测信号的显示和数据存储，便于携带和各种室外检测作业。

本发明是这样实现的，它包括试件、检测线圈、前置放大电路、带通滤波电路、后置放大电路、AD7656模数转换电路、DSP核心板、DA转换电路、功率放大电路、激励线圈、HPI总线接口、S3C2440嵌入式开发板，其特征是试件连接检测线圈，检测线圈的磁场信号输入前置放大电路，前置放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接后置放大电路，后置放大电路连接AD7656模数转换电路，AD7656模数转换电路的输入信号输入DSP核心板，DSP核心板连接DA转换电路，DA转换电路连接功率放大电路，功率放大电路的激励信号输出到激励线圈，所述DSP核心板通过HPI总线接口连接S3C2440嵌入式开发板，所述S3C2440嵌入式开发板分别连接前置放大电路、带通滤波电路和后置放大电路。

本发明的技术效果是：基于DSP的锁相放大器是数字型的锁相放大器，克服了模拟锁相放大器信噪比低、精度低、线性差等缺点，具有以下特点：(1) 具有很大变化范围的时间常数(通过编程实现)，可以使等效噪声带宽做到非常窄，从而可以检测更微弱的信号；(2)可以用存贮器或寄存器来保存信息，不会因时间长而丢失，从而为测量极低频信号提供了可能性；(3) 具有很高的线性度，可以把输入信号经 A/D 转变为数字信号，不会引入其他误差； (4) 具有很好的灵活性，这是数字技术固有的特点； (5) 算法在数学上可以等价于输入信号与采样控制信号的卷积，它可以用离散信号的傅里叶变换来得到； (6) 相关运算是通过数字乘法实现的，可实现高精度的运算。

附图说明

图1 ACFM数字化检测仪的原理方框图。

在图中，1、试件 2、检测线圈 3、前置放大电路 4、带通滤波电路 5、后置放大电路 6、AD7656模数转换电路 7、DSP核心板 8、DA转换电路 9、功率放大电路 10、激励线圈 11、HPI总线接口 12、S3C2440嵌入式开发板。

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样实现的，它包括试件1、检测线圈2、前置放大电路3、带通滤波电路4、后置放大电路5、AD7656模数转换电路6、DSP核心板7、DA转换电路8、功率放大电路9、激励线圈10、HPI总线接口11、S3C2440嵌入式开发板12，试件1连接检测线圈2，检测线圈2的磁场信号输入前置放大电路3，前置放大电路3连接带通滤波电路4，带通滤波电路4连接后置放大电路5，后置放大电路5连接AD7656模数转换电路6，AD7656模数转换电路6的输入信号输入DSP核心板7，DSP核心板7连接DA转换电路8，DA转换电路8连接功率放大电路9，功率放大电路9的激励信号输出到激励线圈10，所述DSP核心板7通过HPI总线接口11连接S3C2440嵌入式开发板12，所述S3C2440嵌入式开发板12分别连接前置放大电路3、带通滤波电路4和后置放大电路5。

整个检测仪器包括传感器部分、信号调理电路部分、S3C2440嵌入式开发板和TMS320C6474核心板DSP，传感器包括激励线圈和检测线圈，激励信号是频率和幅值可调的正弦信号，由DSP直接产生，并由功率放大器加以放大；信号调理部分为模拟电路，包括前置放大电路、带通滤波电路和后置放大电路；DSP信号处理部分采用的是数字处理技术，包括AD7656模数转化电路、TMS320C6474核心板和DAC7724 数模转换电路；控制部分S3C2440嵌入式开发板是数字控制处理部分，核心是ARM核心板。通过串口连接通信、可编程放大电路实现与ARM开发板的连接；通过串口连接通信，可编程带通滤波器电路实现与ARM开发板的连接；通过HPI接口通信电路，实现ARM开发板与DSP的连接。通过软件编程，实现ARM嵌入式开发板的系统移植及外围电路的驱动; 利用Qt4实现系统界面软件化，实现交变磁场检测信号算法的图形化界面。

该发明具有采用了ARM控制加DSP运算的双核心模式的特点，在设计的ACFM数字检测仪器电路中，重点强调了组成电路系统的各个电路元件的特征及他们的连接方式。该发明在ACFM数字化检测仪电路中使用了TMS320C6747核心板，要求保护使用TMS320C6747核心板及其使用功能相近的DSP开发板。

该检测仪器的特点是检测精度高，只有信号调理电路采用模拟电路实现外，其余均为数字电路进行数字信号处理。该检测仪器的激励信号是由DSP产生的频率和幅值可调的正弦信号，经数模转换和功率放大电路输送给激励线圈。信号源的正弦激励信号和参考信号严格正交，运算过程采用浮点型DSP的核心处理器，克服了模拟型锁相放大电路的限制，使得相敏检波的结果更为精确。采用嵌入式仪器设计思路，使用ARM控制加DSP运算的双核心模式，利用ARM优秀的管理和控制能力，结合DSP高性能的数字运算能力，使仪器的集成化程度大为提高，仪器实现了缺陷信息的显示和声光报警。该仪器能够接受键盘输入，而且缺陷信号数据可进行外部存储，便于缺陷的定量分析。

基于DSP的CCS系统采用模块化编程。系统分为总控模块、初始化模块、数据采集模块、参考信号合成模块、数字相敏检波模块、通信模块。各个模块之间通过事件驱动和数据驱动两种方式耦合，在总的调度模块控制下，调用各个功能模块。

Claims

1. 一种ACFM数字化检测仪，它包括试件、检测线圈、前置放大电路、带通滤波电路、后置放大电路、AD7656模数转换电路、DSP核心板、DA转换电路、功率放大电路、激励线圈、HPI总线接口、S3C2440嵌入式开发板，其特征是试件连接检测线圈，检测线圈的磁场信号输入前置放大电路，前置放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接后置放大电路，后置放大电路连接AD7656模数转换电路，AD7656模数转换电路的输入信号输入DSP核心板，DSP核心板连接DA转换电路，DA转换电路连接功率放大电路，功率放大电路的激励信号输出到激励线圈，所述DSP核心板通过HPI总线接口连接S3C2440嵌入式开发板，所述S3C2440嵌入式开发板分别连接前置放大电路、带通滤波电路和后置放大电路。