基于STM32的交流電磁場檢測實驗系統設計

李 偉， 尚亞期， 楊會敏， 袁新安， 邵鑫宇， 趙建超

（中國石油大學（華東）海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島266580）

0 引 言

隨著社會與生產的發展，無損檢測需求日益增加，交流電磁場檢測技術由于其不需耦合劑、提離不敏感等優點，在航空航天、水下結構、管道、壓力容器等領域被廣泛應用無損檢測中［1-2］。

交流電磁場檢測設備由于信號調理復雜、存在多個信號處理模塊，造成設備體積大、功耗高、不易攜帶，為教學和科研工作帶來諸多不便。針對上述問題，在交流電磁場檢測理論的基礎上，開發一種低功耗、輕量級的嵌入式交流電磁場檢測系統［3］。系統主控選擇STM32H743作為系統MCU，構建RT-Thread實時操作系統與TouchGFX前端交互框架，構建交流電磁場檢測實驗系統并進行實驗測試［4］。

1 交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測理論基礎是電磁感應理論。當通入交流電的激勵線圈靠近被測鐵磁性材料時，交變電流產生的交變磁場作用于被測件產生感應電流，由于集膚效應，感應電流會趨于被測件的表面。在無缺陷的被測件表面，感應電流是均勻分布的，在有缺陷的部位感應電流產生了偏轉，表面的磁場產生畸變，通過磁場傳感器測量到畸變磁場即可判斷和評估裂紋［5-6］。

如圖1所示，X方向磁場在缺陷兩端呈現較小幅值，在缺陷中部呈現波谷，包含裂紋深度信息。Z方向磁場在缺陷兩端呈現正負相反波峰，反映裂紋的長度［7］。

圖1 交流電磁場缺陷檢測原理圖

2 檢測系統開發

基于STM32交流電磁場檢測系統包括儀器主機與檢測探頭兩部分，對不同的檢測條件可設計更換不同探頭以滿足檢測作業條件。檢測系統主要組成如圖2所示。

圖2 檢測系統主要組成

探頭包括激勵線圈、信號放大電路、隧道磁阻（Tunnel Magnetic Resistance，TMR）磁場傳感器［8］，當線圈通入正弦激勵，在工件表面產生感應磁場，電流在缺陷周圍擾動，TMR傳感器拾取缺陷周圍畸變磁場，磁場信號經放大電路傳輸至儀器主機。

儀器主體包括電源電路、STM32H743核心板、按鍵電路、DDS信號發生器、功率放大電路、信號濾波電路、RMS-DC電路、SD卡電路與顯示器。MCU與DDS信號發生器通過SPI通訊，產生1～10 kHZ頻率可調正弦波，經過功率放大為激勵信號，加到探頭線圈上；TMR傳感器采集的磁場信號經過信號放大、濾波，最后通過RMS-DC電路求信號有效值；MCU通過A/D采集RMS-DC電路的直流信號，在顯示器上顯示波形，SD卡有數據存儲與回溯功能，按鍵電路用于非觸摸情況下操作儀器。如圖3（a）～（g）所示為檢測系統實驗平臺實物圖。

圖3 檢測系統實驗平臺實物圖

3 硬件模塊設計

良好的硬件設計對保證實驗系統的穩定性起著決定性的作用，系統主要圍繞高精度檢測探頭、儀器主體信號處理、MCU外圍電路進行硬件模塊設計。

3.1 高精度檢測探頭

如圖4所示為檢測探頭示意圖，探頭包括殼體、頂蓋、TMR傳感器、放大電路、均勻纏繞500匝銅線的磁芯以及用來連接儀器主體的航空插頭。

圖4 檢測探頭

經實驗測量，TMR傳感器測量到的電壓信號只有mV級，需要經過放大。選擇AD620用于儀表信號放大，其具有低成本、高精度、低失調電壓、只需一個外部電阻就可設置增益等優點。

圖5所示為AD620放大電路［9］，設置Bx信號放大倍數為50，Bz信號放大倍數為100，選擇Bx信號放大電阻阻值為1 kΩ，Bz信號放大電阻阻值為500 Ω。放大電路為差分輸入，使用耦合電容，可去除信號中的直流分量。

圖5 AD620放大電路

3.2 電源電路

電源的穩定對信號處理電路、儀器的穩定運行有著決定性的作用。隔離電源有抗干擾能力強、安全性高、較寬的電壓輸入范圍等優點［10］。如圖6（a）～（c）所示為電源電路，為了系統的穩定性添設了5處濾波電容，添設了1.5 A保險絲與自鎖按鍵。

圖6 電源電路

3.3 信號發生器與功率放大電路

系統使用直接數字合成技術（Direct Digital Synthesizer，DDS）信號發生器作為信號激勵源，儀器使用AD9833，具有功耗低、輸出頻率范圍廣、分辨率高、可輸出波形種類多等優點。AD9833輸出功率低，無法直接驅動激勵線圈，添加TDA2030a功率放大電路［11-12］。如圖7（a）、（b）所示為信號發生器與功率放大電路。

圖7 信號發生器與功率放大電路

AD9833所需晶振為25 MHz有源晶體振蕩器，外接3線SPI通信接口，MCU可控制AD9833產生1～10 kHz的正弦波；TDA2030A功率放大模塊輸入端并聯可調電阻，通過調節輸入電流的大小，調節輸出功率，同時輸入端耦合電路濾除干擾，兩個二極管用于穩壓，功率放大倍數為32倍［13］。

3.4 濾波電路與RMS-DC電路

探頭通過航空插頭與儀器主體相連，主機內濾波電路可降低信號噪聲，AD637芯片可實現特征信號有效值計算［14］。濾波與有效值電路如圖8所示。濾波電路使用帶通頻率為10 kHz～150 kHz的二階巴特沃斯帶通濾波器［15］，有效值電路中電容C7用于控制計算時間。

圖8 濾波與RMS-DC電路

4 軟件系統設計

交流電磁場檢測系統軟件主要由RT-Thread實時操作系統和TouchGFX前端交互框架組成，如圖9所示。

圖9 系統軟件框圖

儀器使用RT-Thread嵌入式實時多線程操作系統，系統完全開源，不僅是一個實時內核，還具備豐富的中間層生態［16］。儀器創建了運行TouchGFX前端交互框架的線程。以及各種驅動線程，包括軟件SPI通信的AD9833線程、作為顯存的SDRAM線程、軟件IIC通信的FT5426觸摸屏驅動線程、上升沿中斷觸發的按鍵檢測線程、存儲數據的SD卡線程、用于采集探頭信號的AD采集線程，同時在SD卡構建了FATFS虛擬文件系統。

系統使用TouchGFX前端交互框架，作為新興的GUI框架，基于C/C++面向對象編寫，具有占用資源少、動畫美觀、響應迅速等優點［17］。儀器的GUI以波形顯示程序為核心，包括屏保界面、桌面、設備信息界面、儀器操作說明界面。圖10為系統啟動時界面。

圖10 波形顯示界面

5 實驗測試

5.1 測試系統

交流電磁場檢測系統主要包括檢測探頭、STM32H743核心板、顯示屏、電源、DDS信號發生電路、功率放大電路、濾波與RMS-DC電路等。

5.2 檢測試件

本次檢測對象為帶有人為加工缺陷的不銹鋼試塊，如圖11所示。缺陷1～5長度為5 mm，深度分別為4、3、2、1.5、1 mm，長度相同，深度遞減；缺陷6～10深度為3 mm，長度分別為2、3、5、7、9 mm，深度相同，長度遞增。

圖11 不銹鋼裂紋試塊

5.3 檢測結果

手持探頭貼緊不銹鋼缺陷試塊，分2次測量，第1次從缺陷5勻速掃描到缺陷1，得到的缺陷特征信號Bx和Bz如圖12所示。第2次從缺陷6勻速掃描到缺陷10，檢測結果如圖13所示。利用SD卡導出上述數據進行繪制，如圖14所示。

圖12 缺陷1～5檢測結果

圖13 缺陷6～10檢測結果

從檢測結果可以看出，Bx、Bz信號特征處分別對應缺陷1～10。本系統可以較好檢出不銹鋼板上的微小裂紋。

圖14 缺陷檢測結果圖

6 結 語

本文基于STM32單片機為核心，開發低功耗、輕量級的嵌入式交流電磁場檢測系統，設計基于TMR的高精度檢測探頭，設計信號處理關鍵模塊，移植RTThread實時操作系統與TouchGFX前端交互框架，開發缺陷顯示軟件，搭建完善的檢測系統，進行不銹鋼裂紋檢測實驗。實驗結果表明本文開發的嵌入式交流電磁場檢測系統可很好地檢測出不銹鋼微小裂紋，對交流電磁場檢測儀器研制有良好的實驗指導意義與現場應用適用性。