交變磁場測量系統的設計及其微弱信號的檢測方法

李文艷,李 偉,陳國明

(中國石油大學(華東)機電工程學院,東營 257061)

交流電磁場檢測(ACFM)方法是綜合交流電位降(ACPD)和渦流檢測(ET)兩種電磁檢測方法[1]的一種無損檢測方法。目前被廣泛應用于水下結構、石油化工、海上平臺和航空航天等各種場合的表面缺陷檢驗。

在利用ACFM 方法對工件上的缺陷進行檢測時,由感應線圈檢測被測工件表面的磁場擾動信息。但是檢測線圈得到的信號極其微弱,并且存在嚴重的噪聲干擾。筆者采用軟硬件結合的方法,對采集的信號進行處理,采用信號多級放大、濾波和信號抗干擾等多種技術對信號進行調理,從而將深埋在大量非相關噪聲中的微弱有用信號檢測出來,同時達到抑制干擾的作用。

1 ACFM 技術工作原理

ACFM 技術的理論基礎是電磁感應原理。當載有交變電流的矩形激勵線圈靠近導體時,交變電流在周圍的空間中產生交變磁場,被測工件(導體)表面的感應電流由于集膚效應聚集于工件的表面。當工件中無缺陷時,電流線彼此平行,工件表面有一均勻磁場存在;若工件中有缺陷存在,由于電阻率的變化,勢必對電流分布產生影響,電流線在缺陷附近會產生偏轉,工件表面的磁場會發生畸變,這個磁場的變化強弱,就能反映出裂紋的尺寸。

建立被測試件上的感應電流流向模型,并把磁場場量B分成三個分量B x,B y和B z進行分析,方向如圖1 所示[2]。當無缺陷時,感應電流順著y軸均勻流動,垂直于電流的y向磁場分量B x均勻無擾動,而另外兩個方向的磁場分量By和B z為零。故遠離裂紋處,電流場是均勻的,電流線相互平行。當電流流至裂紋處,由于材質的不均勻性和分界面處電流的連續性原理,電流線會向裂紋兩端和裂紋底面偏轉,使裂紋中心處電流線變疏,電流密度下降,兩端的電流線匯聚,從而導致工件表面磁場的變化。在ACFM 中,一般要測量出垂直于工件表面的磁感應強度Bz和平行于工件表面和裂紋走向的磁感應強度B x這兩個相互正交的磁場變化量。

圖1 ACFM 原理圖

2 ACFM 信號檢測處理系統

ACFM 信號檢測處理系統硬件方面主要由信號源、傳感器、信號處理電路、數據采集卡、計算機和基于Labview 設計的軟件模塊組成,其整體框圖如圖2 所示。

圖2 ACFM 檢測系統實物圖

2.1 信號發生電路設計

在信號分析處理的電路設計中,信號發生電路部分的設計是最關鍵的環節之一。筆者采用幅值為1 V,頻率為6 kHz 的正弦交流信號作為整個檢測系統的信號源,其信號頻率是否穩定,對整個檢測系統的工作起著十分關鍵的作用。

M AX038 是具有高頻、高精度、低輸出電阻而且驅動能力很強的專用函數信號發生芯片,它能產生準確的高頻正弦波、三角波和方波,輸出頻率和占空比可以通過調整電流、電壓或電阻來分別控制。系統采用M AX038 芯片,通過調節其它外部元件參數來產生符合要求的正弦信號。因為正弦波產生后帶負載的能力差,并不能直接作為ACFM 激勵的信號源,需要在后面接一個射級跟隨器,以提高帶負載能力。

2.2 傳感器設計

基于ACFM 傳感器設計的經驗可知,矩形線圈對較深裂紋的測量具有很高的靈敏度。感應線圈只要足夠小,長度(L)和寬度(D)的比值合理,即能夠滿足點檢測的要求[3],可以使感應線圈的平均磁感應強度等于中心點的磁感應強度。

設計的傳感器是將檢測線圈放置在激勵線圈的正下方[4],采用錳鋅鐵氧體磁芯作骨架。磁芯有使磁感應通量集中到自己內部的作用。沒有磁芯的載流線圈產生的磁通量彌散在整個空間中,若把同樣的線圈繞在一個閉合或差不多閉合的磁芯上時,則不僅磁通量的數值大大增加,而且磁感應線幾乎是沿著磁芯的。并且磁芯減小了激勵線圈的體積,同時能夠降低激勵線圈的功率,大大加強由激勵線圈產生的激勵磁場值。其結構示意圖如圖3 所示。

圖3 傳感器的結構示意圖

2.3 信號調理電路

由于ACFM 探頭采集到的信號非常微弱,并且伴隨著大量的干擾噪聲信號,所以對其必須進行必要的調理。信號調理電路主要包括對初始信號的放大和濾波。對ACFM 微弱信號采用多級放大方式,其基本要求是實現信號幅值放大,同時信號不失真。系統中共有兩級信號放大電路,前置放大器選用低功耗、高精度的儀表放大器AD620[5-6],然后經二階巴特沃斯低通濾波,后端放大采用運算放大器搭建的一階同相放大器。

2.4 基于Labview 的數據采集

要實現計算機對檢測到的微弱信號進行采集,就必須把模擬信號轉換為計算機可以接受的數字信號,而A/D 數據采集卡正是執行這一功能的元件。ACFM 檢測系統的信號采集選用阿爾泰公司的USB2086 數據采集卡,其上裝有16 bit 分辨率的A/D 轉換器,為用戶提供了16 雙/32 單的模擬輸入通道。

LabVIEW 平臺上使用的數據采集卡共有三種驅動方法,筆者采用LabVIEW 的Functions 模板內Advanced 子模板中的Call Library Function Node圖標,動態鏈接USB2086 數據采集卡的DLL 庫函數,實現對USB2086 數據采集卡的驅動。數據采集作為后期信號分析與處理必不可少的前期工作,在整個ACFM 檢測系統中起到關鍵性的作用;在該模塊中,可以實現通道和采集方式的選擇、采樣頻率和讀取長度的設定等;其前面板如圖4 所示。

圖4 數據采集程序框圖

2.5 基于Labview 的數據分析與處理模塊

ACFM 探頭測得的磁場信號是矢量信號,包括幅值和相位兩方面的信息,經過信號調理電路進入采樣通道的信號中仍含有各種噪聲與干擾。為了提高信噪比,提高缺陷的檢測靈敏度和準確性,就必須對采集到的信號進行平滑和濾波等處理。

筆者對幅值信息主要采用了幅值和電平測量、低通濾波及逐點取均值等方法進行了處理;對于微弱信號檢測,單純利用信號調理電路不能有效地檢測出有用信號,在軟件模塊中,必須再次對其進行預處理,同時采用數字濾波器進行濾波;筆者采用的巴特沃茲濾波器具有響應平滑、單調衰減的特點,但低通特性很差,階次越高,就越接近理想值,高階巴特沃茲低通濾波器的頻率響應近似于理想低通濾波器,因為系統要求較高,選擇的階次必須在8 階以上,這樣才能夠有效地濾掉信號中的噪聲分量。

相位信息對缺陷判定也具有重要的作用,激勵電場在裂紋最深點的兩端環繞方向改變,根據右手螺旋法則, 最深點兩端的Bz信號的相位將發生180°變化。下面采用基于軟件的相關法測量B x,Bz的相位差[7],取激勵信號源產生的正弦信號作為參考信號,調用LabVIEW 的子函數求參考信號與輸入待測周期信號的互功率譜密度,對互功譜密度作坐標變換,得到幅度譜和相位譜,取幅度譜中的最大值,將其序列號作為索引號送入索引矩陣子函數,這時輸出的就是兩信號的相位差。該法不僅節約了硬件成本,并且對于采樣轉換的離散信號的自流偏移和噪聲干擾具有較強的抑制能力。

3 ACFM 信號檢測處理系統測試

利用設計的系統對低碳鋼薄板試件進行了檢測。其上含有一條長度為65 mm,深度為8 mm 的半橢圓形人工裂紋,裂紋由電火花方法加工成型,保證了較高的加工精度(圖5)。

圖5 試件實物圖

當探頭在試件上勻速掃過缺陷時,隨著探頭的移動,實時繪制出磁通密度曲線和蝶形圖。根據特征信號的幅值和相位的變化幅度判定掃描區域是否有缺陷存在。缺陷報警模塊的報警燈將閃爍并發出蜂鳴警告聲(圖6 和7)。

圖6 特征信號與蝶形圖即時顯示面板

從圖6 可以看出,B x和B z信號的幅值經放大1 000 倍后的最大值分別為1 580 和450 mV,所以由檢測線圈感應到的實際信號幅值只有1.58 和0.45 mV,如果對此微弱信號直接進行檢測,由于干擾較多,很難得到較好的信號。經過本文設計的微弱信號檢測與處理系統,能夠較好地抑制噪聲,實現對微弱電磁信號的檢測,并且通過相位差檢測模塊得到信號相位變化圖。如圖7 所示,裂紋最深點兩端的Bz信號的相位變化在180°左右, 符合理論要求。

由以上試驗結果分析可知,該套ACFM 微弱信號檢測系統具有較高的靈敏度,可有效地實現對微弱信號的檢測并且可對噪聲進行抑制。

圖7 Bz 相位變化圖

4 結語

設計系統可以實現對毫伏級微弱感應電壓信號的提取和對噪聲的抑制,完成對傳感器感應到的微弱信號的檢測,充分利用了計算機的功能,節約了硬件成本,縮小了儀器的體積,并且能夠測得信號的微小變化量,獲得被測信號的幅值和相位信息。

[1] Chen K, Brennan F P, Dover W D.Thin-skin AC field in anisotropic tectangular bar and ACPD stress measurement[J] .NDT&E International, 2000(33):317-323.

[2] 陳建忠, 史耀武.無損檢測交變磁場測量法[J] .無損檢測, 2001,23(3):96-99.

[3] Chen Guo-ming, Li Wei.S tructural optimization of 2-D array probe for alternating current field measurement[J] .NDT&E International,2007(40):455-461.

[4] 李偉,陳國明.U 型ACFM 激勵探頭仿真研究[J] .系統仿真學報,2007,19(14):3131-3134.

[5] 崔體人.電子元器件選用大全[M] .杭州:浙江科學技術出版社,1998.

[6] 曹茂永, 王霞, 孫農亮.儀器放大器AD620 及其應用[J] .電測與儀表,2000,37(10):49-52.

[7] 王澤新, 陳國明.基于Labview 的交流電磁場檢測信號處理方法[J] .石油工程建設,2008,34(2):1-4.