電磁無損檢測電路系統(tǒng)研究與設計

劉西恩，牛廣亮，孫向陽，李星橙，王鈺琪

（1.中海油田服務股份有限公司，河北燕郊，065201；2.電子科技大學，四川成都，611731）

0 引言

在國外，電磁無損檢測技術研究較早，已經(jīng)廣泛地應用在油氣管道缺陷在線檢測、鐵軌缺陷等場景中，并且在某些方面已經(jīng)對我們國家形成了壟斷地位[1]。為了確保國家的油氣管網(wǎng)和列車的正常運行，同時，在一定程度上打破國外的技術封鎖和壟斷地位，對電磁無損檢測技術的研究勢在必行，該技術成為了國內(nèi)學者研究的熱點之一。其中，電子科技大學羅清旺等研究[2]主要針對管道遠場渦流檢測，通過對檢測信號的幅值實現(xiàn)了相位的解纏，可以達到檢測缺陷較為明顯的效果，但其側(cè)重于幅值的研究，而對于相位反映出的缺陷大小研究不是很深入。本文基于電磁無損檢測技術，設計了電磁無損檢測電路系統(tǒng)，包括了激勵信號發(fā)射電路和檢測接收電路等兩部分，對被測渦流信號的幅值和相位的研究更為具體深入，通過正交矢量型鎖定放大器對缺陷電信號的幅值和相位進行提取，對電磁無損檢測的研究具有十分重要的意義。

1 渦流檢測原理

電磁無損檢測技術是建立在電磁感應原理的基礎上，用來檢測導電材料中的缺陷。電磁無損檢測技術基本原理如圖1所示。發(fā)射電路用來產(chǎn)生標準的正弦波信號作為激勵信號，作用在激勵線圈①上，使得金屬導體上產(chǎn)生渦流信號。由于交變激勵電流產(chǎn)生的磁場是交變的，所以被測物體中的渦流也是交變的。這樣，檢測線圈②和檢測線圈③中的磁場是激勵磁場和渦流產(chǎn)生的磁場的合成磁場[3]。假定激勵信號不變，線圈與被測物體之間的距離也是保持不變，那么渦流與渦流磁場的強度和分布就由被測金屬的各項性質(zhì)決定[4]。因此，合成磁場可反映出被測物體的性質(zhì)是否發(fā)生變化，并將該變化通過磁敏元件轉(zhuǎn)化為缺陷電信號輸出到接收電路中，從而達到缺陷檢測的目的。

圖1 渦流檢測原理

2 系統(tǒng)總體設計

電磁無損檢測系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由激勵信號發(fā)射電路和檢測接收電路兩部分組成。在激勵信號發(fā)生電路中，通過單片機控制DDS芯片產(chǎn)生標準的正弦波信號，經(jīng)過低通濾波和信號放大之后的接入檢測探頭。當檢測探頭在被測試件上產(chǎn)生渦流信號的時候，檢測接收電路對其渦流信號進行放大濾波之后，通過鎖定放大器實現(xiàn)對該渦流信號的幅值和相位進行提取，從而與標準無缺陷處的幅值和相位進行對比分析，判斷出是否存在缺陷和識別缺陷大小。

■2.1 激勵信號發(fā)射電路

2.1.1 激勵信號源產(chǎn)生

在電磁無損檢測中，激勵信號輸出的精度、穩(wěn)定性的好壞直接關系到整個系統(tǒng)的檢測靈敏度的大小。在初步實驗過程中，為了方便起見可以采用信號源直接輸出進行測試，但是，由于信號源體積較大，在電磁渦流檢測實際應用中就顯得不太現(xiàn)實。因此，本次系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成技術（DDS）進行單獨產(chǎn)生正弦波信號，該技術相比較于其它信號波形產(chǎn)生技術而言，具有輸出信號幅值和和相位穩(wěn)定性高、頻率轉(zhuǎn)換精度高等特點[5]。通過MSP430單片機控制DDS芯片AD9958可以輸出頻率可調(diào)的正弦波信號，該信號可以作為激勵源和后續(xù)檢測處理電路中鎖定放大器的參考信號。

圖2 電磁無損檢測系統(tǒng)結(jié)構框圖

圖3 單片機最小系統(tǒng)

圖4 AD9958電路設計

本次渦流檢測系統(tǒng)主控芯片是TI公司的16位MSP4305529單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構，內(nèi)核指令都是單周期指令、運行速度快，功能強大。該單片機具有超低功耗，工作電流極小，關斷狀態(tài)下電流只有0.1μA。因此，本次設計選擇該單片機作為主控芯片。單片機MSP4305529最小系統(tǒng)如圖3所示。

目前，市場上DDS相關集成的芯片種類繁多，設計較為出眾的當屬ADI公司的AD983X、AD593X、AD985X和AD995X四大系列芯片。不同系列具有一定的差異性，結(jié)合本次設計的需要—激勵信號源直接輸出同步正交信號，并且正交精度必須高的特點，只能選用AD985X和AD995X兩個系列芯片進行設計。而AD995X采用3.3V和1.8V供電，具有較低功耗。因此，最終選擇具有兩通道同步正交輸出的AD9958芯片。AD9958部分原理圖如圖4所示。

2.1.2 低通濾波

在上述DDS信號源設計中，AD9958的輸入時鐘頻率為25MHz，輸入時鐘倍頻有4到20倍的區(qū)間可供選擇。這樣的話，內(nèi)部倍頻之后的時鐘最小也有100MHz，在這個頻段下，集成運放的高頻特性下降，由它搭建的有源濾波器，就顯得心有余力而氣不足。因此，本次采用無源電感、電容來實現(xiàn)橢圓濾波，使得輸出信號最大頻率可以與主振頻率非常接近，這樣就可以濾除主振頻率，保證正弦波信號的輸出，具體電路原理圖如圖5所示，七階無源π型橢圓濾波器的截止頻率為125MHz。

圖5 七階橢圓低通濾波器

圖6 低通濾波器設計

圖7 信號放大電路

圖8 儀表放大電路

根據(jù)電磁無損仿真實驗要求，信號激勵頻率在500kHz以下的多種頻率進行測試，而上述設計的有源橢圓低通濾波并不能有效地濾除125MHz以內(nèi)的諧波分量。因此，為了保證激勵信號在500kHz以內(nèi)處于平穩(wěn)通帶內(nèi)，設計了如圖6所示的有源低通濾波器。該濾波器采用四階巴特沃斯Sallen-Key結(jié)構進行設計，芯片選擇具有低噪聲AD8676芯片，設置增益為1，通帶范圍為500kHz。

2.1.3 信號放大

在前面提到，DDS信號輸出的正弦波信號主要作為激勵源和幅相檢測的參考信號。如果濾波之后的信號直接接入檢測探頭，不足驅(qū)動激勵線圈產(chǎn)生較強的渦流信號進

行后續(xù)處理。因此，DDS信號作為激勵源的話，就需要對濾波之后的信號進行放大。首先，通過LT1128對信號的幅值放大2倍，然后，將前置放大后的信號經(jīng)過THS3111進行單路功率放大，可以使得激勵信號輸出驅(qū)動電流達到260mA，具體實現(xiàn)電路如圖7所示。

■2.2 檢測接收電路

2.2.1 儀表放大

檢測探頭在被測鋼板試件上產(chǎn)生渦流信號之后，由于該信號比較微弱，在激勵信號頻率為50kHz下進行測試時，輸出的渦流信號電壓峰峰值最小有2mV，最大也才200mV，因此需要經(jīng)過儀表放大處理。本次使用AD8422芯片進行儀表放大電路設計，該芯片具有多種可調(diào)放大倍數(shù)，最大增益可以達到991倍。本次設計根據(jù)實際測試需要，焊接1.05k電阻，使得放大倍數(shù)在20倍左右，具體儀表放大電路如圖8所示。

2.2.2 可調(diào)增益放大

平衡后的電橋信號經(jīng)過儀表放大后，放大倍數(shù)是固定的，如果想要改變其倍數(shù)，需要改變相應的電阻值才可以，相對比較麻煩。為了更加方便對該信號的大小進行調(diào)劑，增加了可調(diào)增益放電路，如圖9所示，采用PGA103進行設計增益具有1、10和100可調(diào)范圍。這里，通過主控芯片單片機分別控制A1_MCU和A0_MCU的輸入的高低電平達到增益可調(diào)的目的。

2.2.3 帶通濾波器

經(jīng)過儀表放大、可調(diào)增益放大之后的渦流信號可以滿足后續(xù)設計的要求。但在實際電磁無損檢測中，往往會受到其她外界環(huán)境噪聲的干擾，嚴重影響到系統(tǒng)檢測缺陷的精度和靈敏度。因此，為了提高系統(tǒng)整體的信噪比，就需要根據(jù)測試頻率的需要設計帶通濾波。本次使用的測試頻率為50kHz的激勵頻率，就需要設計通帶為50kHz的帶通濾波器。采用輸出電壓軌到軌AD8065芯片進行設計，具體電路如圖10所示。

圖9 可調(diào)增益放大電路

圖10 帶通濾波器設計

2.2.4 鎖定放大器

在電磁無損檢測中，最為關鍵的是提取渦流信號的幅值和相位，這直接關系到檢測被測鋼板試件是否存在缺陷的靈敏度。本文采用正交矢量型鎖定放大器進行幅值和相位的檢測，原理圖如圖11所示。鎖定放大器主要由相敏檢波器和低通濾波器構成。相敏檢波器是鎖定放大器的核心模塊，可以同時實現(xiàn)鑒幅和鑒相的功能，它的輸出不但取決于輸入信號的幅度，而且取決于輸入信號與參考信號的相位差。本文采用模擬乘法器AD835作為相敏檢波器，輸入信號分為被測信號和參考信號。對于低通濾波器而言，主要是用來抑制寬帶寬噪聲，本系統(tǒng)設計了截止頻率為100Hz，增益為2的濾波器，可以有效提高信噪比。最終，正交矢量型放大器輸出的兩路信號Ux和Uy，經(jīng)過A/D芯片AD7980接入單片機進行數(shù)據(jù)處理。

圖11 鎖定放大器設計

3 系統(tǒng)測試分析

電磁無損檢測電路系統(tǒng)測試現(xiàn)場圖如圖12所示，主要使用到的測試儀器有示波器和信號源等，圖12中偏下所示電路板為本次設計整個電路系統(tǒng)實驗板，由右邊兩個12V電池組提供±12V供電。

圖12 系統(tǒng)測試

■3.1 激勵信號測試

本次初步測試的的信號頻率為5kHz的標準正弦波信號，通過單片機控制AD9958產(chǎn)生5kHz兩路正交的正弦波信號，經(jīng)過低通濾波并濾除直流分量后，同時測試這兩路信號的波形，在示波器上顯示如圖13所示。第一通道輸出信號頻率（平均值）為4.998kHz，峰峰值（平均值）為302mV；第二通道輸出信號頻率（平均值）為5.001kHz，峰峰值（平均值）為304mV；兩個通道輸出波形相位呈90°正交。通過分析示波器上的波形可以得出，激勵信號發(fā)生電路的設計滿足設計要求，可以作為激勵信號驅(qū)動檢測線圈在被測鋼板試件上產(chǎn)生渦流信號。

圖13 激勵信號測試

■3.2 檢測接收電路測試

檢測處理電路系統(tǒng)的核心在于鎖定放大器的設計，本次著重測試分析鎖定放大器，放大濾波等測試因篇幅限制不再贅述。本次測試將檢測接收電路與激勵信號源產(chǎn)生的參考信號完全斷開，使用信號源產(chǎn)生正弦波信號分別模擬檢測探頭輸出信號和相敏檢波器中的參考信號。將信號源設置輸出為頻率為5kHz，峰峰值設置為500mV，如圖14第一通道所示，并將該信號輸入到相敏檢波器AD835中的X和Y引腳，輸出結(jié)果W引腳信號如圖14第二通道所示。由圖14波形分析可以得出，W輸出的信號頻率是輸入X（Y）的波形頻率的兩倍，并存在一定的直流分量，符合設計要求。

圖14 相敏檢波器測試

圖15 鎖定放大器測試

信號經(jīng)過相敏檢波器AD835后的信號，由圖14可以看出有輸入信號二倍頻分量和直流分量，對于二倍頻的高頻分量在鎖定放大器中提取幅值和相位并沒有用，只用到直流分量。因此，需要后續(xù)設計的截止頻率為100Hz的低通濾波器進行濾波高頻分量處理。經(jīng)過低通濾波后的信號，如圖15第二通道所示，分析可得，滿足設計要求。本次設計的鎖定放大器為正交矢量型，兩個電路結(jié)構基本相同，只是對應的輸入信號的參考信號不同。本次測試選取其中的正弦信號作為參考信號進行測試。

4 結(jié)語

本文基于對電磁無損檢測的研究，利用直接頻率合成技術產(chǎn)生標準正弦波信號作為激勵源，有效地提升了輸出激勵信號幅度和相位的穩(wěn)定性，為后續(xù)檢測處理電路打下了良好的基礎；在檢測接收電路中，幅值和相位的提取至關重要，提出了通過硬件電路正交矢量型鎖定放大器實現(xiàn)了對渦流信號的幅值和相位的快速提取，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。最終，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，本次設計的電磁無損檢測電路系統(tǒng)滿足設計要求，為更好的對導體試件缺陷檢測打下了堅實的基礎，為進一步研究無損檢測具有重要意義。