基于PCI2010數(shù)據(jù)采集卡的多通道渦流探傷儀的設(shè)計(jì)

王貝，翟瑞占，韓曉華

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東濟(jì)寧272107)

為了提升探傷能力，渦流探傷儀器需要數(shù)字化、智能化［1－5］，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每根鋼管經(jīng)過探傷后的結(jié)果可查詢、追溯，探傷波形可查看，從而避免有缺陷的產(chǎn)品出廠，并可以查明原因，提前采取預(yù)防措施，提高效益。同時(shí)作為鋼管生產(chǎn)企業(yè)下游用戶質(zhì)量保證的一個(gè)有效的技術(shù)手段，可以預(yù)防質(zhì)量事故的產(chǎn)生。

德國的福斯特(FORSTER)在渦流儀器研究方面一直處于領(lǐng)先地位，生產(chǎn)的DEFECTOMETER系列儀器針對(duì)性強(qiáng)，性能優(yōu)越，在全世界得到廣泛的應(yīng)用。我國的寶鋼也使用該設(shè)備，但是進(jìn)口設(shè)備較昂貴，生產(chǎn)成本會(huì)相應(yīng)增加。目前在國內(nèi)市場處于主導(dǎo)地位的是廈門愛德森電子有限公司開發(fā)的集成度很高的EEC系列數(shù)字化渦流檢測儀器，但其儀器參數(shù)設(shè)計(jì)多，調(diào)試比較繁雜。為了在鋼管檢測方面易于調(diào)試，本文在Windows XP系統(tǒng)平臺(tái)下，采用PCI2010數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了多通道渦流探傷儀。

1 工作原理

當(dāng)載有頻率為交變電流的檢測線圈置于導(dǎo)電試件上時(shí)，試件將感應(yīng)出渦流。此渦流產(chǎn)生一個(gè)與原磁場方向相反的磁場，并部分抵消原磁場，導(dǎo)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(yīng)的應(yīng)用［6－7］，實(shí)質(zhì)上就是檢測線圈阻抗發(fā)生的變化并加以處理，從而對(duì)試件的物理性能做出評(píng)價(jià)。利用阻抗平面顯示技術(shù)，不但能測出缺陷的大小信息，而且還能區(qū)分缺陷的位置以及其他干擾信號(hào)，給缺陷分析提供了較理想的手段。

渦流檢測儀一般由激勵(lì)振蕩電路、探頭電路、信號(hào)輸出電路、放大電路、處理器和顯示器組成。激勵(lì)振蕩電路產(chǎn)生交變信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大輸出交變激勵(lì)信號(hào)，加到探頭激勵(lì)線圈上。探頭中的檢測線圈拾取被測工件上缺陷調(diào)制的渦流信號(hào)，此信號(hào)被放大并經(jīng)X、Y分解后，再經(jīng)相敏檢波處理，濾波輸出后加到A/D轉(zhuǎn)換通道中，數(shù)據(jù)處理后顯示在顯示器上。

2 總體設(shè)計(jì)

基于PCI2010數(shù)據(jù)采集卡［8］設(shè)計(jì)的多通道渦流儀，由激勵(lì)信號(hào)板、渦流信號(hào)模擬輸出信號(hào)板、控制板、PCI2010數(shù)據(jù)采集卡以及研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。總體設(shè)計(jì)方案見圖1。

儀器分別對(duì)16個(gè)探頭得到的渦流信號(hào)進(jìn)行前置放大，然后對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行X、Y向分解，經(jīng)相敏檢波、濾波放大電路和采集卡采集數(shù)據(jù)后，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得有用的傷信號(hào)，達(dá)到或超過報(bào)警界限的，送出報(bào)警信號(hào)。

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

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 激勵(lì)電路

利用PCI2010卡上輸出的一路DA模擬量，控制壓/頻轉(zhuǎn)換器件ICL8038的頻率，實(shí)現(xiàn)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(nèi)使壓控電壓和頻率成線性關(guān)系，所以在3～120 kHz內(nèi)可按照實(shí)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(shí)際渦流檢測的需要。圖2為渦流激勵(lì)信號(hào)波形。

3.2 信號(hào)接收部分

渦流檢測線圈按使用方式分成絕對(duì)式、它比式和自比式。在本設(shè)計(jì)中，依據(jù)實(shí)際情況，采用絕對(duì)式渦流檢測線圈。線圈拾取試件上的缺陷信號(hào)后進(jìn)行前置放大，然后再進(jìn)行增益放大，此信號(hào)是傷信號(hào)對(duì)激勵(lì)同頻率載波的調(diào)制信號(hào)，為獲得有用的傷信號(hào)，需要去掉這個(gè)載波信號(hào)。

3.3 相敏檢波電路

放大后的渦流信號(hào)，經(jīng)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(hào)的幅值和相位，可通過兩個(gè)互關(guān)器來實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)了正交分解器，使其同時(shí)輸出被測信號(hào)的實(shí)部和虛部分量，基本框圖見圖3。

若激勵(lì)信號(hào)A0=A sin(ωt)，渦流信號(hào) AS=A sin(ωt－θ)，經(jīng)過正交分解器后，其輸出可看作渦流信號(hào)AS在參考信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)的積分，即

圖2 渦流激勵(lì)信號(hào)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(gè)通道的等效增益，T為周期信號(hào)。當(dāng)LX=LY=L，可計(jì)算出渦流信號(hào)的相位角和幅值分別為

正交分解器輸出的AX、AY分量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(hào)的相角和幅值。

AX、AY分量送入PCI2010數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理以及傷信號(hào)相位的旋轉(zhuǎn)，顯示在顯示屏上，由于試件缺陷信號(hào)和噪聲信號(hào)有相位差，就可以根據(jù)設(shè)定的報(bào)警扇區(qū)，決定傷信號(hào)是否落在報(bào)警區(qū)域內(nèi)，以進(jìn)行信號(hào)處理。

3.4 PCI2010數(shù)據(jù)采集卡與激勵(lì)電路、渦流信號(hào)電路、計(jì)算機(jī)的對(duì)接

PCI2010數(shù)據(jù)采集卡是一種基于PCI總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，可插在與之兼容的研華工業(yè)計(jì)算機(jī)的PCI插槽內(nèi)，是構(gòu)成渦流檢測信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心部件之一。該采集卡有16路DI數(shù)字量輸入功能和16路DO數(shù)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(zhuǎn)換精度為14位，性能足可以滿足多通道渦流檢測儀對(duì)采樣速率的要求。還有一路DA模擬量輸出功能，轉(zhuǎn)換精度為12位，利用其控制ICL8038的壓控端，以控制激勵(lì)頻率的輸出頻率值。PCI2010卡內(nèi)部有一個(gè)8 K FIFO存儲(chǔ)器，可通過滿、半滿、DMA以及中斷方式讀取經(jīng)過渦流檢測采集的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后與計(jì)算機(jī)通過PCI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［9］。渦流儀器的增益、濾波、激勵(lì)幅度控制數(shù)據(jù)通過PCI2010數(shù)據(jù)采集卡上的16路DO數(shù)字量輸出通道送到控制板上，經(jīng)解碼后分別送到渦流信號(hào)模擬和激勵(lì)幅度板上，并將這些數(shù)據(jù)鎖存在數(shù)據(jù)鎖存器內(nèi)，通過它們控制模擬開關(guān)的開通，來實(shí)現(xiàn)對(duì)渦流檢測的增益、濾波和激勵(lì)幅度的控制。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

在Windows平臺(tái)下運(yùn)行，界面采用VC編寫，方便用戶使用。運(yùn)行程序采用C#語言和microsoft.Net［10］，實(shí)現(xiàn)多通道渦流檢測儀器所要求的指標(biāo)，見圖4～6。

圖4 渦流參數(shù)設(shè)置界面圖Fig.4 Set interface of eddy current parameters

圖5 檢測記錄設(shè)置界面Fig.5 Set interface of test record

圖6 渦流探傷記錄Fig.6 Eddy current test record

4 測試結(jié)果

基于PCI2010數(shù)據(jù)采集卡的多通道渦流儀器通過實(shí)驗(yàn)對(duì)1、4、16通道儀器進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。對(duì)圖7～9的分析可知，圖中的噪聲信號(hào)和8字形傷信號(hào)相位差比較大，提高了信噪比，有利于鋼管的渦流檢測。

在直徑76 mm鋼管樣管上，按國標(biāo)A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)打通孔［11－12］，采用單通道儀器對(duì)其進(jìn)行穿過式線圈探傷，頻率5 kHz，增益50 dB，探傷截圖見圖7。

在直徑325 mm鋼管樣管上，按國標(biāo)L級(jí)刻槽傷，鋼管螺旋式旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，采用4通道儀器、點(diǎn)式探頭對(duì)鋼管全掃描探傷，探傷激勵(lì)頻率為18 kHz，探傷截圖見圖8。

在直徑325 mm鋼管樣管上，按國標(biāo)L級(jí)刻槽傷，鋼管螺旋式旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，采用16通道儀器、點(diǎn)式探頭對(duì)鋼管全掃描探傷，探傷激勵(lì)頻率為18 kHz，探傷截圖見圖9。

經(jīng)現(xiàn)場測試，本系列渦流儀探測鋼管速度最高能達(dá)到100 m/min，誤報(bào)率控制在1%以下，基本不漏報(bào)，高于國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足了鋼管企業(yè)對(duì)渦流探傷儀的要求。

圖7 單通道渦流儀器測試截圖(孔傷)Fig.7 Testing section of single-channel eddy current instrument(hole)

圖8 四通道渦流儀器截圖(槽傷)Fig.8 Section of four-channel eddy current instrument(slot)

圖9 16通道渦流儀器截圖(槽傷)Fig.9 Section of sixteen-channel eddy current instrument(slot)

5 結(jié)語

采用PCI2010數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的多通道渦流儀器，其渦流信號(hào)通道板采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以互換，只需調(diào)整跳線器即可。采用正交分解法得出的渦流信號(hào)的相角和幅值準(zhǔn)確，更接近探傷實(shí)際。本儀器界面設(shè)計(jì)簡單，便于操作使用。同時(shí)程序也采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了檢修效率，設(shè)計(jì)是可行的。

本儀器的設(shè)計(jì)主要針對(duì)鋼管檢測的激勵(lì)頻率范圍，對(duì)于其他材質(zhì)金屬材料的檢測還欠缺。今后要從原理設(shè)計(jì)、集成電路和軟件實(shí)現(xiàn)上對(duì)信號(hào)解調(diào)、相敏檢波、激勵(lì)信號(hào)以及界面設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行優(yōu)化，使儀器可以在3 kHz～2 MHz頻率下工作，以適用于不同的金屬材質(zhì)的渦流檢測，從而拓展儀器的適用范圍。

［1］趙洪賢，韓曉華，董欣，等.基于研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的渦流探傷儀［J］.山東科學(xué)，2008，21(2):78－81.

［2］王廣豐，鐘海娜.發(fā)展中的渦流無損檢測技術(shù)［J］.煤礦機(jī)械，2005(7):7－8.

［3］韓書霞，李強(qiáng).智能全數(shù)字多頻渦流檢測儀在B30白銅管渦流探傷中的應(yīng)用［J］.無損探傷，1997(1):41.

［4］任吉林.渦流檢測技術(shù)近20年進(jìn)展［J］.無損檢測，1998，20(5):121－125.

［5］楊維明，佟威.新型雙向渦流探傷儀［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ，1992(1):45－47.

［6］王仲生.無損檢測診斷現(xiàn)場使用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:200－206.

［7］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:391－424.

［8］安冬冬，劉文怡，郅銀周.基于PCI9054從模式的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(10):2439－2440.

［9］李戌春，王群.工控機(jī)16位數(shù)字并行通信接口卡的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2000(2):57－61.

［10］劉廣亮，張東，張艷芳，等.NET窗體繼承與事件處理［J］.山東科學(xué)，2010，23(1):77－80.

［11］GB/T 7735-2004，鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法［S］.

［12］YB/T 4083-2000，鋼管自動(dòng)渦流探傷系統(tǒng)綜合性能測試方法［S］.