CN204613152U - 一种基于fpga的频率可调的正交acfm检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，该装置采用FPGA控制器控制集成电路得到频率可调相位正交的信号，为两路激励线圈提供激励信号。根据电磁感应原理，当激励线圈靠近被测导电试件时，被测件中会产生交流电流，交流电流反过来又影响激励线圈所产生的磁场。利用正交检测探头测量磁场的变化，该磁场变化信号分两路经过两级放大后送入D/A转换芯片，由FPGA控制模块对磁场变化信号进行数字检波处理，分离出该信号幅值和相位，通过USB传输到上位机，在上位机绘制信号的时基图和蝶形图。该装置能产生相位正交激励信号，且工作频率可在0－10kHz范围内连续调节，适用于海底平台及石油管道等重要领域的无损检测与评估。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，属于无损检测技术领域。
背景技术
目前，在海洋石油工程领域，海洋平台和海底管道等设备长期在恶劣的海洋环境中服役，较易出现腐蚀、疲劳、断裂等结构失效，而且有相当数量的平台已经进入老龄服役期，对其进行检测已是当务之急。
交流电磁场检测(Alternating Current Field Measurement，简称ACFM)技术是一种新兴的电磁无损检测技术，也是近年来无损检测技术 (Non-destructive Testing NDT)领域内的主要进展之一。
交流电磁场检测缺陷检测机理为：当缺陷的存在，待测工件表面的感应电流会从缺陷的两边绕过，在与电流流向垂直方向的缺陷最大边缘产生汇聚，磁通密度沿感应电流方向X的分量Bx和工件法线方向Z的分量Bz在出现峰值，而在缺陷中心处几乎没有电流流过，该点的Bz分量呈现最小值，分析Bz峰值间距和Bx峰谷值差就可以定量缺陷在该方向上的长度和深度。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置。
本实用新型所采用的技术方案为：一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，FPGA控制器(21)经D/A转换电路(1)、电压放大电路(2)、幅值调理电路(3)、功率放大电路(4)与双U型正交激励探头(9)的一组线圈相连，FPGA控制器(21)经D/A转换电路(5)、电压放大电路(6)、幅值调理电路(7)、功率放大电路(8)与双U型正交激励线圈(9)的另一组线圈相连，两组线圈在被检测试件（10）中产生交流电磁场，FPGA控制器(21)通过幅值调理电路(3)与幅值调理电路(7)分别调节两路信号的幅值，正交检测探头（20）采集被检测试件（10）中的磁场信号，正交检测探头(20)的一组线圈的输出信号经一级电压放大电路(14)、低通滤波电路(13)、二级程控增益可调电路(12)、A/D转换电路(11)由FPGA控制器(21)采集，正交检测探头(20)的另一组线圈的输出信号经一级电压放大电路(19)、低通滤波电路(18)、二级程控增益可调电路(17)、A/D转换电路(16)由FPGA控制器(21)采集，FPGA控制器(21)经D/A转换电路(15)、分别与二级程控增益可调电路(12)、二级程控增益可调电路(17)相连，控制其增益大小。
优选是，FPGA控制器(21)控制两路D/A转换芯片得到频率可调相位正交的激励信号，两组激励信号经过电压放大电路、幅值调理电路、功率放大电路后驱动双U型正交激励探头(9)，双U型正交激励探头(9)会在试件表面产生均匀感应磁场。
优选是，所述双U型正交激励激探头(9)由U型锰锌铁氧体磁芯上垂直放置的两组线圈构成，正交激励信号分别驱动两个正交线圈，在试件表面产生一均匀感应电流，均匀感应电流产生均匀感应磁场，双U型正交激励激探头能够有效弥补感应电流方向对裂纹方向检测限制，该结构的探头对任意方向裂纹均有较高的检测灵敏度。
优选是，正交检测探头(20)由缠绕在骨架上垂直放置的两个线圈组成，两个正交检测线圈分别检测两个不同的信号：磁场强度z方向的分量Bz和磁场强度x方向的分量Bx。
优选是，通过AD5551与AD603芯片可以实现二级程控增益可调，设置不同增益，以利于缺陷的定量分析，AD5551第1引脚连接AD603第1引脚，AD5551芯片的第4引脚、第5引脚、第6引脚连接到FPGA控制器上，通过FPGA控制器控制AD5551输出电压值。
优选是，幅值调理电路(3)和幅值调理电路(7)采用数字电位器X9313实现，X9313第1引脚、第2引脚、第7引脚分别与FPGA控制器第126、127、128引脚相连，X9313的第4引脚接地，X9313的第8引脚接正5V 电源。
有益效果
与现有技术相比，本实用新型的优点在于，无需使用移相器，激励信号频率可调且始终正交，且本装置可以克服感应电流方向对裂纹方向检测限制。
附图说明
图1是一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置的结构示意图；
图2是D/A转换电路原理图；
图3是幅值调理电路原理图；
图4是二级程控增益可调电路原理图；
图5是二级程控增益可调电路原理图；
图6是双U型正交激励探头结构图；
图7是本实用新型正交检测探头结构图。
具体实施方式
如图1所示，FPGA控制器21经D/A转换电路1、电压放大电路2、幅值调理电路3、功率放大电路4与双U型正交激励探头9的一组线圈相连，FPGA控制器21经D/A转换电路5、电压放大电路6、幅值调理电路7、功率放大电路8与双U型正交激励线圈9的另一组线圈相连，两组线圈在被检测试件10中产生交流电磁场，FPGA控制器21通过幅值调理电路3与幅值调理电路7分别调节两路信号的幅值，正交检测探头20采集被检测试件10中的磁场信号，正交检测探头20的一组线圈的输出信号经一级电压放大电路14、低通滤波电路13、二级程控增益可调电路12、A/D转换电路11由FPGA控制器21采集，正交检测探头20的另一组线圈的输出信号经一级电压放大电路19、低通滤波电路18、二级程控增益可调电路17、A/D转换电路16由FPGA控制器21采集，FPGA控制器21经D/A转换电路15、分别与二级程控增益可调电路12、二级程控增益可调电路17相连，控制其增益大小。
D/A转换电路1、电压放大电路2、幅值调理电路3、功率放大电路4与D/A转换电路5、电压放大电路6、幅值调理电路7、功率放大电路8的工作原理及电路连接一样，A/D转换电路11、二级程控增益可调电路12、低通滤波电路13、一级电压放大电路14与A/D转换电路16、二级程控增益可调电路17、低通滤波电路18、一级电压放大电路19的工作原理及电路连接一样。
FPGA控制器21设定正弦查询表和余弦查询表，正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个数字幅度信对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。通过寻址查询表地址输出相应正弦波幅度信号，然后驱动D/A转换电路1输出模拟量，余弦查询表包含一个余弦波周期的数字幅度信息，每一个数字幅度信对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。通过寻址查询表地址输出相应余弦波幅度信号，然后驱动D/A转换电路(5)输出模拟量。
激励信号产生电路以AD9754为核心，从AD9754的第1引脚到第14引脚连接到FPGA控制器的14个引脚上，AD9754的第20引脚、第26引脚接地，AD9754的第24引脚、第27引脚接正5V电源，AD9754的第28引脚接FPGA控制器的1个引脚。
X9313的第1引脚、第2引脚、第7引脚分别连接到FPGA控制器上的三个引脚，X9313的第7引脚置1，X9313正常工作；X9313第2引脚置1且X9313第1引脚由高电平跳变为低电平，X9313输出阻值增加；X9313第2引脚置0且X9313第1引脚由高电平跳变为低电平，X9313输出阻值减小。设X9313输出阻值 ，一个固定阻值前级，输入电压为，输入电压为，幅值调理电路计算公式：
（1）
AD5551芯片的第4引脚、第5引脚、第6引脚连接到FPGA的三个引脚上。通过FPGA程序控制AD5551输出一个电压值。AD5551芯片的第1引脚连接AD603的第1引脚。
为了滤除谐波信号和有源器件引起的随机噪声，准确得到被测信号幅值和相位，使用数字相敏检波处理被测信号。其原理如下：
设实际被测信号的表达式为:
（2）
其中A是幅值，是相位，是与被测信号无关噪声。
设参考信号的数字表达式为：
； (3)
将式(2)和式(3)进行互相关运算，得到；
同相分量，正交分量通过这两个分量,可以准确得出被测信号的幅值和相位,。
Claims (6)
1.一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，其特征在于，FPGA控制器(21)经D/A转换电路(1)、电压放大电路(2)、幅值调理电路(3)、功率放大电路(4)与双U型正交激励探头(9)的一组线圈相连，所述FPGA控制器(21)经D/A转换电路(5)、电压放大电路(6)、幅值调理电路(7)、功率放大电路(8)与双U型正交激励线圈(9)的另一组线圈相连，两组线圈在被检测试件（10）中产生交流电磁场，所述FPGA控制器(21)通过幅值调理电路(3)与幅值调理电路(7)分别调节两路信号的幅值，正交检测探头（20）采集被检测试件（10）中的磁场信号，所述正交检测探头(20)的一组线圈的输出信号经一级电压放大电路(14)、低通滤波电路(13)、二级程控增益可调电路(12)、A/D转换电路(11)由所述FPGA控制器(21)采集，所述正交检测探头(20)的另一组线圈的输出信号经一级电压放大电路(19)、低通滤波电路(18)、二级程控增益可调电路(17)、A/D转换电路(16)由FPGA控制器(21)采集，所述FPGA控制器(21)经D/A转换电路(15)、分别与二级程控增益可调电路(12)、二级程控增益可调电路(17)相连，控制其增益大小。
2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，其特征在于，所述FPGA控制器(21)控制两路D/A转换芯片得到频率可调相位正交的激励信号，两组激励信号经过电压放大电路、幅值调理电路、功率放大电路后驱动双U型正交激励探头(9)，双U型正交激励探头(9)会在试件表面产生均匀感应磁场。
3.根据权利要求1所述一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，其特征在于，所述双U型正交激励激探头(9)由U型锰锌铁氧体磁芯上垂直放置的两组线圈构成，正交激励信号分别驱动两个正交线圈，在试件表面产生一均匀感应电流，均匀感应电流产生均匀感应磁场，双U型正交激励激探头能够有效弥补感应电流方向对裂纹方向检测限制，该结构的探头对任意方向裂纹均有较高的检测灵敏度。
4.根据权利要求1所述一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，其特征在于，正交检测探头(20)由缠绕在骨架上垂直放置的两个线圈组成，两个正交检测线圈分别检测两个不同的信号：磁场强度z方向的分量Bz和磁场强度x方向的分量Bx。
5.根据权利要求1所述一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，其特征在于，通过AD5551与AD603芯片可以实现二级程控增益可调，设置不同增益，以利于缺陷的定量分析，AD5551第1引脚连接AD603第1引脚，AD5551芯片的第4引脚、第5引脚、第6引脚连接到FPGA控制器上，通过FPGA控制器控制AD5551输出电压值。
6.根据权利要求1所述一种基于FPGA的频率可调的正交ACFM检测装置，其特征在于，所述幅值调理电路(3)和所述幅值调理电路(7)采用数字电位器X9313实现，X9313第1引脚、第2引脚、第7引脚分别与FPGA控制器三个引脚相连，X9313的第4引脚接地，X9313的第8引脚接正5V 电源。
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|---|---|---|---|---|
| CN107121489A (zh) * | 2017-04-12 | 2017-09-01 | 南昌航空大学 | 一种交流电磁场检测仪 |
| CN107765085A (zh) * | 2017-11-15 | 2018-03-06 | 西北师范大学 | 一种信号检测装置及方法 |
| CN109100416A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-12-28 | 东北大学 | 基于正交多频电磁检测的铁磁性管道内壁缺陷检测装置 |
| CN109298657A (zh) * | 2017-12-21 | 2019-02-01 | 上海创远仪器技术股份有限公司 | 一种基于fpga的时变信号功率检测与自动增益控制的方法 |
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2015
- 2015-05-12 CN CN201520303025.9U patent/CN204613152U/zh not_active Expired - Fee Related
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