基于數字信號處理的核反應堆壓力容器鋼輻照脆化的巴克豪森噪聲檢測儀

(1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016；2.蘇州熱工研究院，蘇州 215004；3.山東長城計算機系統有限公司，煙臺 264000)

反應堆壓力容器(RPV)具有固定的包容堆芯，可提供密封工作環境和防止放射性物質泄漏等作用，其安全運行壽命決定了核電站的服役壽命及經濟性[1]。由于核電站在服役期間長期工作在高溫、高壓、高輻射等惡劣環境下，RPV鋼容易產生輻照損傷性能劣化，快中子輻照是導致脆斷失效的最主要因素[2]。因此，研究RPV鋼輻照脆化的情況，可以保證RPV鋼延壽運行的安全性和經濟性[3]。

2007年MILLER[2]利用原子探針斷層析掃描(APT)和中子小角散射(SANS)表征了RPV鋼的微觀結構；2011年上海大學材料研究所利用原子探針層析技術分析了時效模擬的RPV鋼材料，證實了Ni會增加RPV鋼中子輻照脆化敏感特性；2017年蘇州熱工院錢王潔[4]利用巴克豪森檢測系統得到了不同熱老化程度下Fe-Cu合金的巴克豪森噪聲(MBN)信號，并發現MBN信號與維氏硬度存在線性關系。綜上，MBN信號對于RPV鋼材料的輻照脆化研究具有可行性。

國外已有多種成熟的MBN儀器銷售，廣泛使用的有芬蘭Stresstech公司和德國Fraunhofer無損檢測研究所的MBN儀器，可進行特定功能的信號檢測，但是價格昂貴。國內目前幾乎沒有商業化的MBN檢測儀器，上海交通大學和南京航空航天大學近年來對MBN現象進行研究，搭建了用于試驗研究的MBN檢測系統，并初步制備了相關檢測儀器。但是，國內外已有的MBN系統或儀器滿足不了RPV鋼輻照脆化方面的研究。

基于磁巴克豪森信號機理，并針對RPV鋼試樣尺寸小及材料力學特性，筆者設計了用于檢測RPV鋼輻照脆化的MBN傳感器；結合MBN檢測系統的硬件基礎，利用DSP(數字信號處理)技術，完成了便攜式MBN檢測儀器的開發。結合了嵌入式系統的小型化巴克豪森信號檢測儀器有利于進一步實現在線檢測。

1 便攜式RPV鋼輻照脆化巴克豪森噪聲檢測儀

在交變磁場的作用下，對外本不顯磁性的鐵磁性材料內部磁疇發生偏轉，磁壁移位，即被磁化，而材料表面的傳感器會接收到一定功率頻譜分布的微弱電信號，即巴克豪森噪聲信號[5]。MBN信號對輻照脆化后的RPV鋼內部微觀結構變化具有很強的感知性，其檢測尺寸大小可達10-6m，能檢測到中子輻照產生的缺陷尺寸[6]?；贛BN信號的RPV輻照脆化檢測技術是一種切實可行且可以保留材料完整性的無損檢測方法，不僅便于實現在線檢測，還可以為RPV鋼延壽運行的監督分析提供可靠依據。

圖1 便攜式RPV輻照脆化檢測儀原理框圖

儀器采用的傳感器由U型磁化器、激勵線圈和接收線圈3部分組成。磁化器為錳鋅鐵素體U型磁軛，與被檢測試塊形成一個通路，當激勵信號通過激勵線圈時，由于電磁感應效應，會形成一個磁通路，以產生mV級微弱巴克豪森信號。激勵線圈選用0.21 mm 漆包電感線繞在U型磁軛上，可以產生激勵電壓16×sin(2×π×10×t) V。接收器選取4.7 MHz的電感線圈，其材料也為錳鋅鐵氧體，可以減少高頻信號損失。

儀器采用的處理器選取TI公司的TMS320F28335型號數字信號處理器(DSP)開發板，該處理器具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點運算單元，12位信號發生模塊和12位信號采集模塊。其功耗小，功能多，控制能力強，運算速度快且便于開發，能滿足便攜式巴克豪森檢測儀的處理器要求。

儀器內置功率放大器，用來對DSP產生的激勵信號進行功率放大，使其滿足傳感器激勵所需能量的要求；內置信號調理電路用來對采集到的微弱巴克豪森信號進行高通濾波及信號放大，使其便于采集與分析。

儀器前面板的顯示模塊選取分辨率為400X240的液晶顯示屏，根據串行通信協議(SCI)與DSP進行SCI數據通訊，用于實時顯示濾波后的波形及提取的特征值。

2 儀器DSP處理器的應用開發

2.1 開發工具及軟件總體設計

CCS(全稱Code Composer Studio)是TI公司官方提供的DSP處理器開發工具，其以ECLIPSE軟件框架為基礎，結合了TI先進的調試功能，給開發人員提供了良好的開發環境。

軟件運行的總體流程圖如圖2所示(FIR濾波為有限長單位沖擊響應濾波)，其中系統初始化包括通用輸入輸出引腳(GPIO)寄存器的初始化，數字模擬轉換器(DAC)、模擬數字轉換(ADC)寄存器的初始化，中斷寄存器的初始化及數據通信模塊的初始化。

圖2 軟件運行的整體流程圖

2.2 激勵信號的發生

模擬正弦波的表達式為

從圖4接收信號相關后的頻譜可以看出其中包括一次諧波和二次諧波的和頻和差頻,以及對應的倍頻分量等高頻信號,以及去調制后的低頻信號[9];本文對相關處理后的信號設計了低通濾波器以濾除高頻分量,考慮FPGA的資源限制,設計了一個32階的FIR低通濾波器,截止頻率設計為10 Hz[10];根據設計原理將低通濾波后的信號進行平方和開根號處理后,可得提取的一次諧波和二次諧波信號[11],如圖5(a)、圖5(b)所示。

x(t)=sin(2πFt+θ)

(1)

以固定的時間間隔對x(t)進行采樣得到

x(n)=sin(2πfn+θ),

(f=F/Fs,n=0,1,2,…)

(2)

式中：θ為初始相位；F為模擬頻率；Fs為采樣頻率。

x(n)值為每個采樣間隔的正弦值，在程序中構造正弦函數表，利用查表法得到正弦值，結合DAC7724信號發生模塊產生和輸出規定幅值和頻率的正弦波。DAC(模數轉換)查表程序放在中斷服務程序中，正弦函數表取sinx一個周期400個值。試驗需要產生一個4 Hz ，500 mV的正弦波作為激勵信號。

(3)

式中：VOUT為模擬輸出信號；VREFL，VREFH為參考電壓，轉換精度為12位；N為輸入的數字量。

設置幅值系數為310，即可得到幅值為500 mV的正弦信號(見圖3)。

圖3 產生500 mV,4 Hz正弦波的波形

2.3 MBN信號采集

DSP開發板內置12位模數轉換器采集模塊，采樣幅值范圍為03.3 V，分辨率為8 mV。在使能ADC模數轉換器時鐘后，賦值AD寄存器來設置采樣模式，分別設置AD采樣頻率為8.3 MHz，采樣通道為A0，選取自動啟動、連續采樣模式。由于采樣頻率較信號頻率高，所以可以進行5次采樣取平均值來優化信號值。采樣結果放在RESULT0寄存器中，再依次提取信號值，進行信號處理與分析。

AD采樣流程及采樣結果如圖4,5所示。

圖4 AD采樣流程

圖5 AD采樣結果

得到的采樣結果即巴克豪森信號原始數據，可以看到信號中仍存在微弱的噪聲，需要對信號進行進一步的濾波處理與提取特征值。

2.4 信號濾波

可以利用DSP處理器軟件濾波來進一步改善信號，經過頻域快速傅里葉變換(FFT)不難發現，信號主要集中在3 kHz15 kHz頻段，可以設計使用FIR濾波器進行帶通濾波，濾波后的頻域圖和時域圖如圖6所示。

圖6 DSP濾波后的巴克豪森信號時頻域波形

濾波后的信號相對原始信號更加集中，少毛刺，信號均方根和峰峰值更趨于穩定，有利于試驗結果的分析。

2.5 特征值計算

一般提取MBN 信號特征值來表征材料微觀結構的變化[7]。常見提取MBN信號的特征值主要有均方根(RMS)、峰峰值(Vpp)、半高寬(Wc)、包絡面積等。

2.5.1 均方根計算方法

均方根是以數學方法表示信號的有效值，在交流信號或者隨機信號上應用普遍。所以，可以用巴克豪森信號的均方根表示鐵磁性材料在交變磁場下的信息。均方根也是目前已有的研究中最通用、最有效的巴克豪森信號特征值。

均方根計算公式為

(4)

式中：vi為每個采樣點對應的采樣值；i為單個采樣點數；n為采樣總數。

2.5.2 峰峰值和半高寬

研究表明，不同材料的硬度、晶粒度等力學性能指標的不同會導致巴克豪森信號包絡的高度和寬度不同,用峰峰值反映信號包絡的幅值信息。峰峰值指信號最大正值與最大負值的差的絕對值，表征信號高度的變化，計算公式為

Vpp=|Vmax-Vmin|

(5)

式中：Vmax為最大采樣值;Vmin為最小采樣值。

包絡半寬度與包絡面積示意如圖7所示，用半高寬反映信號包絡的寬度信息。半高寬指的就是在信號幅值只有峰值一半時，信號的寬度。

圖7 包絡半寬度與包絡面積示意

2.5.3 包絡面積

包絡面積的求法類似于求函數積分，將包絡分成若干個小矩形并求和。包絡面積可以反映巴克豪森信號的能量大小。

MBN信號特征值往往與材料內部微觀結構及輻照脆化程度[8]息息相關。包絡線幅值變化對應材料磁滯回線斜率的變化，半高寬與磁滯回線矯頑力隨應力變化趨勢一致,均方根更能反映材料內部微觀結構的變化,所以可以根據MBN信號與材料力學性能指標建立關系，從而表征RPV輻照下的脆化狀態。

3 試驗結果與分析

以熱時效處理過的尺寸為15 mm×15 mm×1 mm (長X寬X高)的RPV鋼試樣為例進行MBN檢測試驗。

MBN信號波形及特征值如圖8所示，該MBN信號的峰峰值(最大值)數字量為216，則對應模擬量為2.97 V；均方根(有效值)數值為39，對應模擬量為0.76 V。半高寬和包絡面積所對應的模擬量同理可得。

圖8 MBN信號波形及特征值

以均方根作為特征值，分析不同質子輻照劑量下試塊MBN信號的規律，試驗數據如表1所示。

表1 質子輻照試驗數據(以均方根為特征值) V

MBN均方根隨輻照劑量的變化曲線如圖9所示。

圖9 MBN均方根隨輻照劑量的變化曲線

由試驗數據可以看出，隨著輻照劑量的增加，檢測到的MBN信號均方根呈下降趨勢，與其他文獻結果吻合[6]。

4 結語

根據巴克豪森噪聲信號機理，研制了一套基于DSP的便攜式RPV鋼輻照脆化檢測儀，該儀器包括MBN傳感模塊、信號處理與調理模塊，可以實現信號的激勵與采集、處理與顯示的功能。通過選取均方根為特征值進行試驗，建立了MBN信號均方根與材料質子輻照劑量的關系。

所開發的儀器是針對RPV鋼輻照脆化檢測進行設計的，實現了其他檢測儀器滿足不了的特定檢測功能。利用磁巴克豪森噪聲原理對RPV鋼輻照脆化的在線檢測在工程上將有廣泛的應用前景。