基于LabVIEW的脈沖渦流檢測系統

王曉娜，李愷強，宋世德，黃 一

(1. 大連理工大學 物理與光電工程學院, 遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連 116024；3. 大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

基于LabVIEW的脈沖渦流檢測系統

王曉娜1，李愷強1，宋世德2，黃 一3

(1. 大連理工大學 物理與光電工程學院, 遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連 116024；3. 大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

針對脈沖渦流檢測信號微弱、特征量難于提取等問題，基于LabVIEW軟件開發平臺，設計了一套集成了儀器控制、信號處理、結果評估3大主要功能的軟件，并自行設計硬件電路，形成了一整套的脈沖渦流檢測系統，可以有效地測量鋼板厚度。

脈沖渦流檢測；信號處理與分析；labVIEW

1 渦流檢測簡介

無損檢測(nondestructive testing，NDT)是建立在現代科學技術基礎上的一門綜合性、應用性學科，其特點是在不破壞被測試件內部結構和使用性能的前提下，運用現代測試技術來確定被檢測對象的物理性能和狀態特性，并評價其實用性、可靠性和其他特性[1]。

渦流檢測是常規的無損檢測技術之一，是以電磁感應原理為基礎，依據電磁性能變化來對構件實施缺陷探測和性能測試的電磁檢測方法。從理論上來說，所有與渦流相關的影響因素，都可以作為檢測對象，常用的應用對象如下[2]：

(1) 缺陷：材質不均勻性、裂紋、孔洞等;

(2) 電導率：導電材料結構、應力、硬度和熱處理狀態等;

(3) 提離效應：被測導電金屬試件的位移、振動等;

(4) 厚度效應：金屬板的厚度、形狀及其他幾何尺寸。

在傳統的渦流檢測中，檢測試件中的渦流密度直接影響檢測的靈敏度。根據電磁學的理論可知，試件表面的電渦流密度高于試件內部的渦流密度，并且試件內部的渦流密度會隨著傳感器與試件表面距離的增加呈現指數衰減的趨勢。當試件內部渦流密度值衰減為表面渦流密度值的1/e時，該處的深度定義為平面電磁場標準的滲透深度δ，也稱之為趨膚深度[3]，其表達式為

(1)

式中，f為激勵選用的頻率，μ為被檢導體的磁導率，σ為被檢導體的電導率。

針對傳統渦流檢測受趨膚效應影響較大的局限性，一種新型的渦流檢測技術被提出。脈沖渦流檢測(pulseeddycurrenttesting,PECT)是渦流檢測技術一個新的分支。其大電流、寬頻譜的激勵特性使其能透過包覆層檢測鐵磁性材質試件的能力。作為新興的無損檢測方法，脈沖渦流檢測技術吸引大家的重視。

2 脈沖渦流檢測技術原理

2.1 電磁學基本原理

脈沖渦流檢測技術是一種電磁檢測技術，其基本原理是基于電磁感應現象。電磁感應現象基本規律可以簡潔地用一個方程組，即麥克斯韋方程組來表示[4]：

×E=-

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，E為電場強度(矢量)；H為磁場強度(矢量)；D為電通密度(矢量)；B為磁通密度(矢量)；J為電流密度(矢量)；ρ為電荷密度(標量)。

電磁場作用下材質的電磁特性有以下關系式：

B=μH

(6)

J=σE

(7)

D=εE

(8)

以上7個式子構成了電磁學的基礎，求解時，只要能給出物理模型的邊界條件，聯合以上公式，就可以求出解析解。

2.2 脈沖渦流檢測技術原理

脈沖渦流檢測技術是在傳統渦流檢測技術基礎上發展起來的一個新的分支[5]。脈沖渦流檢測技術的傳感器由兩部分組成：激勵線圈和檢測線圈。檢測時，通過驅動電路給激勵線圈通以方波電流，根據電磁感應定律，通電線圈會在其周圍產生磁場，通有脈沖方波電流的激勵線圈會在周圍空間產生一個具有相同波形的脈沖磁場，稱作源磁場。源磁場的變化會在在導電試件中產生感應電場，感應電場會推動試件中電荷運動，從而在試件中產生電流，該電流被稱為脈沖渦流。脈沖渦流在周圍空間中產生一個快速衰減的磁場，稱為二次磁場。該磁場與源磁場共同作用，在檢測線圈上感應出瞬態電壓。通過分析該瞬態電壓的波形，提取出相應的特征值，即可得出被測試件的相關信息。其原理圖見圖1。

圖1 脈沖渦流檢測技術原理圖

根據脈沖渦流在被檢測試件中的傳遞過程可知，檢測線圈兩端的感應電壓信號主要分早期和晚期兩個階段；在激勵源瞬時關斷時，由于檢測探頭自身電感的存在，源磁場不是從穩態值瞬間衰減為0，所以早期的感應電壓信號主要反映了源磁場的變化率，特點是幅值比較大，感應電壓幅值瞬時可達幾十伏，但是早期的信號衰減得比較快，一般在1 ms內會衰減為0，因此感應電壓早期信號主要反映的是試件表層的相關信息。隨著渦流的擴散，試件內部渦流的高頻成分轉化成熱損耗，接收線圈的感應電壓僅為二次場信號，在此階段，試件內部的渦流信號的低頻成分占主導地位，渦流從被檢測試件的表面逐漸向其內部擴散并趨向于穩定[6]。正是基于這個原理，檢測線圈的中晚期信號可以反映鐵磁性材料試件的厚度信息。對瞬態感應電壓進行時域的瞬態分析，就可以實現厚度的定量檢測。

3 脈沖渦流檢測系統構成

一個完整的檢測系統通常包括傳感器、測量電路、顯示記錄裝置和自動控制裝置等部分，分別完成檢測信號的獲取、轉換、處理、顯示和存儲等功能和儀器的控制功能[7]。傳感器處于被測對象與檢測系統接口的位置，為檢測系統提供必須的原始信息，是整個檢測系統最重要的環節。測量電路的作用是將傳感器傳來的電信號轉化為可直接利用的電壓或電流信號。通常，傳感器輸出的電信號極其微弱，并且伴有大量噪聲，因此原始信號的信噪比(SNR)極低，這就需要經測量電路處理，通常包括阻抗匹配、放大、濾波等步驟，經測量電路處理后，輸出高信噪比的電信號便于后端采集。顯示記錄裝置是整個檢測系統的最終輸出端，它是測量操作人員與檢測系統相聯系的主要環節，在現代檢測系統中，計算機可以實現這部分功能。自動控制裝置部分是現代檢測系統的核心，可以使檢測過程在無人直接參與下按預定程序進行，一般來說，它由一個或多個功能部件或元件(如繼電器，微機或微機部件等)組合而成。

如圖2所示，脈沖渦流檢測系統由傳感器(探頭)、MCU及外圍控制電路、測量電路、采集卡和上位機組成。

圖2 脈沖渦流檢測系統框圖

脈沖渦流的傳感器分為兩部分：內層的激勵線圈和外層的檢測線圈[8]，2個線圈構成同心圓，線圈材質均為純銅絕緣漆包線。激勵線圈產生源磁場。根據電磁場理論可知，在一定的范圍內，磁感應強度與電流大小成正比，為了增加源磁場的幅值，激勵線圈需要通以比較大的電流，這樣激勵線圈的線徑就不能太小。另外，激勵線圈的外徑決定了源磁場的范圍，匝數越多磁感應強度越大。綜上，激勵線圈的線徑定為0.8 mm，匝數為600匝，線圈外徑為50 mm。

檢測線圈收集渦流信號，變化的渦流信號能產生變化的二次磁場，二次磁場和源磁場疊加，會在感應線圈中產生感應電壓。因此，檢測線圈的尺寸要比激勵線圈大，才能盡可能地檢測到全部的渦流變化，可是過大的檢測線圈勢必會降低檢測系統的空間分辨率。綜合考慮，檢測線圈的線徑定為0.3 mm，匝數為1 200匝，線圈外徑為100 mm。

MCU和外圍控制電路接收計算機的指令、控制脈沖信號的產生，以及控制繼電器組的通斷。使用STM32芯片來實現，用到的主要的功能模塊見圖3。

圖3 STM32部分功能圖示

驅動電路、檢測電路與數據采集卡是電路部分的關鍵。驅動電路的核心芯片是PA02專用功放芯片，最大可以輸出5 A的電流，轉換速度可達到20 V/μs，適用于驅動感性負載。由于在鐵磁性材料脈沖渦流檢測中，用來區分不同厚度或者缺陷信號的特征量主要體現于信號晚期，而晚期感應電壓信號比較微弱、信噪比低并且易受干擾，因此需要檢測電路對線圈輸出的電壓信號進行放大和濾波，這對檢測電路的要求很高，只有合理地設計才能把有用信號從雜亂無章的噪聲中提取出來。經過檢測電路處理過的電壓信號通過數據采集卡傳輸到計算機端，使用數據采集卡能大大節省了硬件的研制時間，更能集中精力進行系統設計以及程序的編制。

4 軟件部分

4.1 程序開發平臺

本系統采用的程序開發平臺為LabVIEW[9]。LabVIEW是一個圖形編程開發環境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發，它以G編程語言為基礎，是開發測量或控制系統的理想選擇。適用于數據采集、控制、數據分析和圖形顯示等[10]。

4.2 程序設計

上位機程序部分主要實現3個功能：儀器控制，信號采集、顯示與保存，數據處理與分析。

儀器控制是指計算機端(上位機)通過程序控制微型計算機(下位機)的過程。在脈沖渦流檢測實驗系統中，上位機與下位機之間是通過RS232進行通信的。為了保證上位機與下位機通信的可靠性及實時性，雙方需要規定相同的通信協議。RS232通信協議包括波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位、基本通信數據格式等約定[11]。本實驗系統中，計算機端通過控制MCU的I/O口，來控制電路上的一系列繼電器組，由此控制激勵信號的產生和停止。信號采集雖然是通過數據采集卡來實現的，但是具體的采集工作還需要通過程序來控制完成。控制采集卡的程序包括檢測采集設備是否就緒、初始化設備、開啟設備、AD轉換等。開發者可以使用采集卡官方提供的驅動，編寫出采集卡控制程序。

數據處理與分析是程序的核心部分。在實際測試和數據采集過程中，由于外界復雜的環境和系統本身的振動，如果數據采集過程中不采取相應的濾波措施，則采集到的數據中將包含有大量的高頻噪聲，給進一步的數據處理帶來困難[12]。通過采集卡收集到的電壓信號需要經過數字信號處理才能提取出特征量。脈沖渦流檢測系統應用的信號處理方法包括多次波形對齊取平均、中值濾波、坐標變換之后多項式擬合等處理手段。在LabVIEW中，有特定的函數可以實現以上這些功能。圖4為信號處理程序。

圖4 信號處理部分程序

4.3 軟件界面設計

軟件界面如圖5所示，左側為參數設置和測量指示，在程序運行時，左側的狀態欄能看出儀器是否接入計算機，只有在有激勵信號時測量指示燈才會點亮。需要設置的參數包括端口號、采集時間、文件名前綴(可自動生成)和采樣率等。界面中間的2個波形圖是采集卡收集的原始信號，上面為檢測信號，下面為激勵信號。界面右側是控制欄，有測量、波形預覽、分析和停止4個功能，右下角為測量結果，在點擊分析按鈕后顯示。

圖5 脈沖渦流檢測系統軟件界面

5 系統測試

為了對自行開發的脈沖渦流檢測系統進行測試，加工了一批鋼板試件，試件通過線切割處理成階梯狀，鋼板的剩余厚度經超聲波測量驗證，測試如圖6所示。

圖6 系統測試

在對鋼板試件進行脈沖渦流檢測時，一共測量5個循環，每個測量點都測量5次，然后求取5次測量結果的平均值作為測量值。測量結果見表1。

表1 測量結果

6 結語

本文在分析脈沖渦流檢測實驗系統的技術難點和技術關鍵的基礎之上，研制出基于LabVIEW脈沖渦流檢測系統，可以有效地測量鋼板厚度。該研究結果對促進脈沖渦流檢測技術的工程實用化有一定的意義，同時本文檢測系統的設計理念同樣可應用于其他無損檢測技術的開發。

References)

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[11] 李紅剛,張素萍.基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統設計[J].國外電子測量技術,2014，33(4):62-67.

[12] 趙玉劍,龔邦明.基于LabVIEW的數據處理方法[J].電子測量技術, 2006, 29(6):99-101.

Testing system for pulse eddy current based on LabVIEW

Wang Xiaona1，Li Kaiqiang1，Song Shide2，Huang Yi3

(1. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. School of Shipbuilding Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In view of the problems such as the weak signal detection and difficult extraction of characteristic parameters of pulse eddy current, and based on the development platform of LabVIEW software, a set of the software with the three main functions of the instrument control, the signal processing and the outcome assessment is designed. The hardware circuit is independently designed, and a testing system for pulse eddy current is established, which can be effectively used to measure the thickness of the steel plate.

testing of pulse eddy current; signal processing and analysis; LabVIEW

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.020

2016-12-29 修改日期：2017-03-03

“十三五”國家科技重大專項科研任務項目(2016ZX05057006)；遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目；大連理工大學實驗室重點建設項目

王曉娜(1976—)，女，遼寧大連，博士，高級工程師，主要研究方向為先進傳感器

E-mail：wangxn@dlut.edu.cn

宋世德(1974—)，男，山東威海，博士，講師，主要研究方向為結構健康監測.

E-mail：peterssd@dlut.edu.cn

TH878

A

1002-4956(2017)06-0082-05