一種基于脈沖渦流無損檢測技術的硬度分選儀的設計

白楊，王益祥

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前我國的鋼鐵產業已經形成了相當大的規模，但在實際的鋼鐵生產過程中，由于始終無法保證高品質的熱處理工藝，使得鋼鐵件在經過熱處理以后出現硬度過高或者硬度不足的現象常有發生，造成資源的極大浪費。傳統的機械式硬度計技術由于操作繁瑣、效率低下，已經不能滿足鋼鐵產業的發展需求，相關產業迫切需求一種能夠在實際操作中高品質、高效率、低損壞的實現硬度檢測的裝置。而無損檢測技術指的是在不損傷材料或成品構件的前提下，根據材料內部的質地異常所引起的對超聲波、光、射線、電磁信號等的異常變化，來發現材料有無缺陷的一種技術手段。脈沖渦流技術作為無損檢測技術的具體實現方式之一，采用方波作為激勵源，能夠獲得更多關于被檢測材料的材質信息，因此已經成為無損檢測技術的熱點發展方向之一。本文是以現場可編程門陣列(FPGA)為脈沖信號發生及反饋信號采集的基礎控制平臺，設計專用的信號發生以及采集電路，利用PCA算法對采集到的信號進行處理，提取出和材料硬度相關的特征數據信息，結合最小二乘法建立起特征數據和材料硬度的相關關系，以此為基礎最終實現對硬度特性的快速分選。

1 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流是一種新的無損檢測方法，根據電磁感應定律，當激勵線圈兩端通有交變電流時，就會在鄰近的導體內感應出同頻的渦流。傳統渦流采用正弦信號作為激勵，而脈沖渦流的激勵信號是具有一定占空比的方波。傳統渦流檢測對感應磁場進行穩態分析，通過測量感應電壓的幅值和相角來確定缺陷的位置，而脈沖渦流可對磁場進行時域的瞬態分析，直接測量感應磁場最大值的出現時間來進行缺陷檢測。采用脈沖激勵時，無需更換探頭和改變激勵頻率，對被檢測試件只需要1次掃描就可以完成對工件材料的屬性分析。脈沖渦流檢測缺陷識別原理如圖1所示。

圖1 激勵電流與感應磁場波形

2 系統總體方案描述

檢測系統總體方案如圖2所示，主要分成四大部分：

1)掃描裝置：包括試塊和探頭；

2)信號發生及采集系統：包括可控脈沖渦流發生模塊和反饋信號采集模塊；

3)信號處理系統：包括信號去噪、特征提取及硬度判斷等模塊；

4)參數設置模塊：可以設置脈沖渦流發生模塊的運行參數。

圖2 系統總體方案框圖

該硬度分選儀在檢測過程中，對實驗數據的分析處理分為軟件同步采樣、主成分分析提取和最小二乘法建立回歸方程等步驟。其中軟件同步采樣技術的一般實現方法是，首先測出被測信號的周期T，用該周期除以一周內采樣點數N得到采樣間隔，并確定定時器的計數值，用定時中斷方式實現同步采樣。以此采樣數據為基礎，主成分分析方法便可以將該樣本的數據集合作為輸入，根據PCA算法得到反映信號主成分構成的綜合指標，即為所尋找的和材料特性相關的特征信息。采用回歸分析法處理機械性能與磁性能變量之間的相關關系，應用數學的方法，對一組實驗數據進行處理得出比較符合變量間關系的數學表達式，即經驗公式，最終確立了脈沖渦流硬度分選儀的軟件實現基礎。

3 系統關鍵模塊設計

由于FPGA已經可以作為靈活、精確的信號發生裝置，并且可以在同一片FPGA上進行信號的處理，其可配置的Nios II軟核可以非常方便地實現反饋數據的片上處理，所以系統選擇Cyclone II系列的FPGA作為核心控制平臺。

3.1 基于DDS技術的脈沖渦流信號源模塊設計

以Cyclone II系列的FPGA為基礎平臺設計的脈沖渦流信號的發生流程框圖如圖3所示。

圖3 脈沖渦流信號發生流程圖

直接數字合成(DDS)技術是近幾年出現的一種頻率合成方法，具有頻率分辨率高、轉換速度快、信號處理快、相位可控且相位保持連續變化等特點，在相關領域已經得到廣泛應用。基于DDS的波形發生原理如圖4所示。

圖4 基于DDS的波形發生原理圖

DDS原理的實質是以基準頻率源對相位進行等間隔采樣。在每一個時鐘周期，N位相位累加器與其反饋值進行累加，其結果的高L位作為查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應的幅度值送到DAC，再由DAC將其轉換為階梯模擬波形，最后由具有內插作用的LPF將其平滑為連續的正弦波形輸出。所以通過改變頻率控制字就可以改變輸出頻率。

圖中DDS輸出頻率fout與相位增量Δθ、相位累加器的字長N和系統時鐘頻率fclk的關系為：

根據上式，可以得出輸出頻率fout=1MHz時的系統誤差與相位累加器字長、時鐘頻率的關系，可知，DDS系統輸出頻率誤差隨相位累加器的字長N和系統時鐘頻率fclk的增加而減少，其中相位累加器是決定系統準確度的主要因素。DDS系統所需要的波形查找表容量Vol與幅值量化字長m、相位累加器PA字長N的關系如下：

Vol=G(m,N)=m×2N

波形表長度是相位累加器PA字長N的指數函數，要得到高的頻率準確度就要求有大容量的波形表。

正弦信號發生器的結構由四部分組成，即數據計數器或者地址發生器、波形數據ROM，VHDL頂層設計和D/A輸出。頂層文件在FPGA中實現，包含兩個部分，即ROM的地址信號發生器和正弦數據ROM。ROM地址信號發生器為8位計數器，它以時鐘信號為輸入脈沖，對其計數，輸出的計數值作為ROM的地址；正弦數據ROM存放著正弦波一個完整周期256點的數值，它接收ROM地址信號發生器的地址信號后，將從數據線輸出正弦波波形數據，經過D/A轉換后即可輸出正弦波，通過電壓比較器將光滑的正弦波轉換為頻率可調的脈沖波信號。

3.2 矩陣鍵盤電路設計

頻率控制字的輸入，采用矩陣鍵盤來實現(圖5)。矩陣鍵盤是當鍵盤按鍵較多的時候為了節省I/O端口而將按鍵按矩陣形式排列構成的，根據數字輸入的需要，再加上一些后續信號處理和分析的需要。

圖5 鍵盤電路

與頻率輸入相關的按鍵是從左上方開始的3×4部分，其中數字鍵用來輸入相應的數值，“清零”鍵用來清除當前輸入的數值并開始重新輸入，“確定”鍵用來存儲當前輸入的數值并開始對其進行處理。

3.3 D/A轉化電路的設計

根據DDS信號發生器的原理，FPGA產生的波形數據文件存儲在ROM中，需要進行D/A轉換，把它變為模擬信號以后才能作為脈沖渦流檢測系統的激勵信號。AD9763是一款雙端口、高速、雙通道、10位CMOS的DAC，提供了出色的交流和直流性能，同時支持最高125MSPS的更新速率，能夠滿足DDS正弦信號的輸出要求。

D/A轉換的電路原理圖如圖6所示。轉換器的高8位分別作為ROM的8位輸出，低兩位引腳接地。為了保證D/A轉換的精度，實驗室直接采用HD-120B穩壓源，并采用LC濾波和抗混疊濾波的前置濾波器。

圖6 D/A轉換電路

3.4 信號采集電路的設計

在脈沖渦流無損檢測系統中，接收到的檢測信號非常微弱，不能夠被ADC模塊識別，因此需要設計合理的信號調理模塊。在現代微弱信號的處理領域，相對于傳統的放大器，高性能的儀表放大器具有更高的精度、更低的噪聲等優點。圖7為設計的儀表放大器原理圖，它由兩個AD825運算放大器和一個AMP03差分放大器組成。

圖7 信號采集電路

電路增益通過電阻器RG設置，其增益方程為：

電阻器的取值約為1kΩ以取得最大帶寬。

外部增益控制電阻RG也決定于前置放大器的增益，當RG減小時，由上式可知，隨著可編程增益的增加，開環增益隨之增大；而當RG增大時開環增益減小，并且減少了誤差增益，同時增加帶寬，從而優化了頻率響應。當工作增益為10時(RG取值為220)，該電路的-dB帶寬約為3.4MHz，AC共模抑制比在1Hz～200kHz時為60dB，在2MHz時為43dB，并且在4MHz～7MHz頻率范圍內共模抑制比大于43dB。

3.5 液晶顯示電路設計

在系統工作開始時，需要對激勵信號的頻率值，檢測分選的門限值等進行預設值，這些設置過程需要通過顯示器實現人機交互，操作員根據顯示器所顯示的系統提示逐步進行設置。在檢測結束時，需要顯示檢測結果，同時由于系統具有統計功能，因此還需要對統計結果進行顯示。根據系統功能的要求，液晶顯示器需要具有數字和漢字顯示、多行顯示的特性，因此選擇了QC12864B型漢字圖形點陣液晶顯示模塊，如圖8所示。

圖8 液晶顯示電路

4 軟件實現硬度檢測

采用多個元件調試系統以后便可對其他工件進行定性和定量化分選與檢測。在軟件功能設計中，本系統著重研究了硬度的測量方法。

對于硬度分選來說，一般存在一個可以檢出的臨界硬度上限值和臨界硬度下限值。當被檢測工件實際硬度超出臨界上限值或者低于臨界下限值時，均表示被檢測工件的硬度不符合要求。硬度檢測方法的軟件流程如圖9所示。

圖9 硬度分選流程圖

軟件實現硬度檢測的關鍵在于，通過采樣一組已知硬度的標樣材料信息，建立起硬度信息和特征數據的相關關系，當標樣數量足夠多時，建立起的回歸方程更加能夠反映出硬度信息與狀態數據的關系，能夠更加精確的實現材料的硬度分選。

5 實驗現象

按下鍵盤上的“工作”鍵，在顯示器上會顯示“分析中……”，稍后，屏幕上顯示出分選結果，如圖10所示。

圖10 分析結果顯示

在按下鍵盤上的“統計”鍵時，分選儀會顯示分選記錄，顯示結果如圖11所示。

圖11 統計結果顯示

6 結語

研究了一種利用脈沖渦流技術實現材料硬度分選的實施方式，以一片FPGA芯片為基礎硬件平臺，設計了頻率可調節的脈沖信號發生器和反饋信號采集電路，結合PCA算法分析處理反饋數據，提取出能夠反映硬度信息的數據信息，最后利用最小二乘法推算出材料硬度與電磁數據的相關關系，從而最終實現對材料材質信息的定性分析。研究表明，該檢測方法具有可靠性高、無損傷、高效率等優點，具有良好的應用前景。

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