基于PCI2010數據采集卡的多通道渦流探傷儀的設計

2014-12-03 08:07:40王貝翟瑞占韓曉華

山東科學 2014年4期

王貝，翟瑞占，韓曉華

(山東省科學院激光研究所，山東濟寧272107)

為了提升探傷能力，渦流探傷儀器需要數字化、智能化［1－5］，以實現對每根鋼管經過探傷后的結果可查詢、追溯，探傷波形可查看，從而避免有缺陷的產品出廠，并可以查明原因，提前采取預防措施，提高效益。同時作為鋼管生產企業下游用戶質量保證的一個有效的技術手段，可以預防質量事故的產生。

德國的福斯特(FORSTER)在渦流儀器研究方面一直處于領先地位，生產的DEFECTOMETER系列儀器針對性強，性能優越，在全世界得到廣泛的應用。我國的寶鋼也使用該設備，但是進口設備較昂貴，生產成本會相應增加。目前在國內市場處于主導地位的是廈門愛德森電子有限公司開發的集成度很高的EEC系列數字化渦流檢測儀器，但其儀器參數設計多，調試比較繁雜。為了在鋼管檢測方面易于調試，本文在Windows XP系統平臺下，采用PCI2010數據采集卡設計了多通道渦流探傷儀。

1 工作原理

當載有頻率為交變電流的檢測線圈置于導電試件上時，試件將感應出渦流。此渦流產生一個與原磁場方向相反的磁場，并部分抵消原磁場，導致檢測線圈阻抗的電阻和電感的變化。渦流探傷是渦流效應的應用［6－7］，實質上就是檢測線圈阻抗發生的變化并加以處理，從而對試件的物理性能做出評價。利用阻抗平面顯示技術，不但能測出缺陷的大小信息，而且還能區分缺陷的位置以及其他干擾信號，給缺陷分析提供了較理想的手段。

渦流檢測儀一般由激勵振蕩電路、探頭電路、信號輸出電路、放大電路、處理器和顯示器組成。激勵振蕩電路產生交變信號，經過驅動放大輸出交變激勵信號，加到探頭激勵線圈上。探頭中的檢測線圈拾取被測工件上缺陷調制的渦流信號，此信號被放大并經X、Y分解后，再經相敏檢波處理，濾波輸出后加到A/D轉換通道中，數據處理后顯示在顯示器上。

2 總體設計

基于PCI2010數據采集卡［8］設計的多通道渦流儀，由激勵信號板、渦流信號模擬輸出信號板、控制板、PCI2010數據采集卡以及研華工業控制計算機組成。總體設計方案見圖1。

儀器分別對16個探頭得到的渦流信號進行前置放大，然后對每路信號進行X、Y向分解，經相敏檢波、濾波放大電路和采集卡采集數據后，由計算機對數據進行處理，獲得有用的傷信號，達到或超過報警界限的，送出報警信號。

圖1 多通道渦流探傷儀架構Fig.1 Architecture of multi-channel eddy current instrument

3 設計方案

3.1 激勵電路

利用PCI2010卡上輸出的一路DA模擬量，控制壓/頻轉換器件ICL8038的頻率，實現方波、三角波和正弦波的輸出。由于ICL8038是輸出頻率與輸入電壓成正比的線性壓控振蕩器電路，能夠在一定范圍內使壓控電壓和頻率成線性關系，所以在3～120 kHz內可按照實際測量得到的直線方程來編寫軟件，控制頻率的輸出，以滿足實際渦流檢測的需要。圖2為渦流激勵信號波形。

3.2 信號接收部分

渦流檢測線圈按使用方式分成絕對式、它比式和自比式。在本設計中，依據實際情況，采用絕對式渦流檢測線圈。線圈拾取試件上的缺陷信號后進行前置放大，然后再進行增益放大，此信號是傷信號對激勵同頻率載波的調制信號，為獲得有用的傷信號，需要去掉這個載波信號。

3.3 相敏檢波電路

放大后的渦流信號，經過X、Y分解電路后，通過相敏檢波器檢波。為了測量噪聲中的渦流信號的幅值和相位，可通過兩個互關器來實現。

設計了正交分解器，使其同時輸出被測信號的實部和虛部分量，基本框圖見圖3。

若激勵信號A0=A sin(ωt)，渦流信號 AS=A sin(ωt－θ)，經過正交分解器后，其輸出可看作渦流信號AS在參考信號半個周期內的積分，即

圖2 渦流激勵信號波形Fig.2 Waveform of eddy current excitation signal

圖3 正交分解器框圖Fig.3 Block diagram of orthogonal decomposition

其中，LX、LY為兩個通道的等效增益，T為周期信號。當LX=LY=L，可計算出渦流信號的相位角和幅值分別為

正交分解器輸出的AX、AY分量，經A/D轉換器同步采集后，再送處理器處理，最終由公式(1)、(2)求解渦流信號的相角和幅值。

AX、AY分量送入PCI2010數據采集卡，經A/D轉換、計算機數據處理以及傷信號相位的旋轉，顯示在顯示屏上，由于試件缺陷信號和噪聲信號有相位差，就可以根據設定的報警扇區，決定傷信號是否落在報警區域內，以進行信號處理。

3.4 PCI2010數據采集卡與激勵電路、渦流信號電路、計算機的對接

PCI2010數據采集卡是一種基于PCI總線技術的數據采集卡，可插在與之兼容的研華工業計算機的PCI插槽內，是構成渦流檢測信號的數據采集系統的中心部件之一。該采集卡有16路DI數字量輸入功能和16路DO數字輸出量功能，最高采樣速率是400 kHz，模擬輸入通道為32通道，A/D轉換精度為14位，性能足可以滿足多通道渦流檢測儀對采樣速率的要求。還有一路DA模擬量輸出功能，轉換精度為12位，利用其控制ICL8038的壓控端，以控制激勵頻率的輸出頻率值。PCI2010卡內部有一個8 K FIFO存儲器，可通過滿、半滿、DMA以及中斷方式讀取經過渦流檢測采集的A/D轉換數據，然后與計算機通過PCI進行數據交換［9］。渦流儀器的增益、濾波、激勵幅度控制數據通過PCI2010數據采集卡上的16路DO數字量輸出通道送到控制板上，經解碼后分別送到渦流信號模擬和激勵幅度板上，并將這些數據鎖存在數據鎖存器內，通過它們控制模擬開關的開通，來實現對渦流檢測的增益、濾波和激勵幅度的控制。