CN102608199A

CN102608199A - Acfm数字化检测仪的信号调理电路

Info

Publication number: CN102608199A
Application number: CN2012100566903A
Authority: CN
Inventors: 任尚坤; 李兵
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-07-25

Abstract

一种ACFM数字化检测仪的信号调理电路，它包括信号输入电路、程控增益放大电路、带通滤波电路、增益可调放大电路、真有效值转换电路、信号输出电路、MCU接口和自适应时钟信号，其特征是信号输入电路连接程控增益放大电路，程控增益放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接增益可调放大电路，增益可调放大电路连接真有效值转换电路，真有效值转换电路连接信号输出电路，MCU接口连接程控增益放大电路和带通滤波电路，自适应时钟信号连接带通滤波电路。本发明的技术效果是：克服了当前ACFM信号调理电路适用性差、测量种类单一、测量精度不高且无法数字控制的缺点，具有适用范围宽，检测精度高，数字可控，工作稳定可靠的特点，可用于高性价比的ACFM检测仪器的信号调理电路。

Description

ACFM数字化检测仪的信号调理电路

技术领域

本发明涉及一种信号调理电路，尤其涉及一种ACFM数字化检测仪的信号调理电路。

背景技术

近年来，在涡流检测和漏磁检测基础上，发展起来一种新的无损检测技术——扰动磁场检测技术（Alternating Current Field Measurement，简称ACFM）。该技术利用导电材料在交变电流作用下，材料的缺陷裂纹将改变其周围的感应电流的分布，从而改变铁磁试件表面感应磁场的分布。通过测量表面感应磁场的变化，并根据数学模型的反演，确定裂纹缺陷的长度和深度特征。

铁磁构件在使用过程中，在应力腐蚀、疲劳载荷、内部工作介质或外部工作环境的作用下，易在开槽、空洞、应力集中处，和焊缝及其热影响区域产生表面裂纹。裂纹缺陷是金属构件的一种主要损伤形式，裂纹尺寸是评价构件安全可靠性的重要参数。对构件进行无损检测时能快速、方便、准确地检测出裂纹等缺陷，并能进行精确地定量表征，对于预防构件的断裂故障和防止重大恶性事故的发生具有重要意义。

传统的无损检测方法如渗透检测和磁粉检测，其检测灵敏度较高，但其对构件表面要求较高，需要对表面进行除漆等清理工作，增加了大量的检修工时和作业量；超声检测则因为构件表面粗糙不平而声耦合较差，使得准确定量检测比较困难；涡流检测实现了非接触检测，无需耦合介质，但由于影响检测信号因素较多，对检测人员素质要求高，易造成漏判或误判，影响检测质量。扰动磁场检测技术是一种新的检测技术，该方法检测速度快、精度高，定性、定量检测一次完成，能实现非接触检测，无需清理金属表面的油漆和涂层，同时不需要标定试块，具有传统无损检测方法无法比拟的优点。研制新的扰动磁场检测仪将具有广阔的应用前景。

在20世纪末，英国的技术软件公司(TSC公司)就已经试验开发了基于扰动磁场检测的相关仪器，开始探索性应用于海洋石油平台的检测。但由于该仪器价格昂贵，测量精度还有待于提高，在我国还没有得到应用。目前，在国内根据报道，在实验室研制的交流电磁场检测***所用的信号调理电路，存在适用性差、测量种类单一、测量精度不高且具有无法数字控制的缺点，不适于制备高性价比的高端检测仪器。

在运用交流电磁场检测技术进行无损检测时，检测信号非常微弱，通常都是毫伏级且信噪比低。在检测仪器中信号调理电路是非常重要的组成部分，涉及到有效提高检测信号的信噪比，并为后级处理提供稳定的信号增益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ACFM数字化检测仪的信号调理电路，克服目前交流电磁场检测中信号调理电路存在的各种弊端。

本发明是这样实现的，它包括信号输入电路、程控增益放大电路、带通滤波电路、增益可调放大电路、真有效值转换电路、信号输出电路、MCU接口和自适应时钟信号，其特征是信号输入电路连接程控增益放大电路，程控增益放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接增益可调放大电路，增益可调放大电路连接真有效值转换电路、真有效值转换电路连接信号输出电路、MCU接口连接程控增益放大电路和带通滤波电路、自适应时钟信号连接带通滤波电路；所述程控增益放大电路使用低噪声的集成运算放大器并可由MCU控制放大倍数；所述带通滤波电路可由MCU程序和自适应时钟信号两种方式控制；所述的自适应时钟信号包括正弦波变方波电路、锁相倍频电路和带通滤波电路。

本发明的技术效果是：克服了当前ACFM信号调理电路适用性差、测量种类单一、测量精度不高且无法数字控制的缺点，具有适用范围宽，检测精度高，数字可控，工作稳定可靠的特点，可用于高性价比的ACFM检测仪器的信号调理电路。

附图说明

图1 为本发明的电原理方框图。

图2 为本发明自适应时钟信号的电原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明包括信号输入电路1、程控增益放大电路2、带通滤波电路3、增益可调放大电路4、真有效值转换电路5、信号输出电路6、MCU接口7和自适应时钟信号8，其特征是信号输入电路1连接程控增益放大电路2，程控增益放大电路2连接带通滤波电路3，带通滤波电路3连接增益可调放大电路4，增益可调放大电路4连接真有效值转换电路5、真有效值转换电路连接信号输出电路6、MCU接口7连接程控增益放大电路2和带通滤波电路3、自适应时钟信号8连接带通滤波电路3；其工作原理是低噪声程控增益放大电路对信号输入电路的微弱信号进行前级放大，程控放大器选用低噪声的集成运算放大器，放大器的放大倍数可由MCU程序控制，可根据待检工件的情况选择合适的放大倍数。带通滤波器也选用集成的自适应带通滤波器件，该带通滤波器实现带通滤波的控制方式有两种：MCU控制和接受自适应时钟信号，两种方式使得带通滤波器的中心频率可以随着激励信号的变化而跟随变化，因此可以适用不同材料属性条件下，不同检测频率的带通滤波需求。所述程控增益放大电路使用低噪声的集成运算放大器并可由MCU控制放大倍数，所述带通滤波电路可由MCU程序和自适应时钟信号两种方式控制。

如图2所示，自适应时钟信号包括正弦波变方波电路9、锁相倍频电路10和带通滤波电路3，首先输入正弦信号11通过一个正弦波变方波电路9，把正弦激励信号变为同频的方波信号。之后的信号通过一个锁相倍频电路10实现信号固定倍数的倍频输出，即输出了带通滤波器所需要的时钟控制信号。可调增益放大电路可以把输入信号的幅值控制在一定范围内，使后级真有效值转换电路的输入信号处于合适的幅值范围。通过高精度的真有效值变换电路，将交流信号变为直流信号，从而可获得理想的检测信号特征曲线。该信号调理电路适用范围宽、检测精度高、工作稳定可靠，可用作高性价比的ACFM检测仪器的信号调理电路。

前级低噪声增益放大电路，采用低噪声仪表放大器和数控电位计实现，其中数字电位计接DSP的GPIO端进行程序控制改变其电阻数值，从而达到改变放大倍数的效果。对应于不同的检测材料属性由程序控制进行相应的放大。

带通滤波器采用集成的可编程控制带通滤波器，其中心频率和通带宽度可通过编程进行控制。设计中采用的控制方式有两种：MCU程序控制和自适应时钟信号控制。在MCU程序控制模式下，带通滤波器的时钟引脚以及F值和Q值设置引脚均与DSP的控制引脚连接，由MCU的程序根据激励信号的频率来控制带通滤波的中心频率和通频带宽度，适合仪器化使用。在自适应时钟信号控制模式下，需要提供自适应时钟信号给带通滤波器，自适应时钟信号的产生电路由正弦波变方波电路和锁相倍频电路构成，采用滞回比较电路加方波整形电路实现正弦波变方波，并保持方波50%的占空比。采用锁相倍频电路对方波信号进行倍频后输出作为带通滤波器的时钟信号，F值和Q值的选择可手动跳线灵活设置，适用于实验室研究使用。

后级增益可调控制电路采用低噪声的集成运算放大器加精密可调电阻实现，其目的是对整个信号调理电路的输出增益进行控制，以适应ACFM检测过程中两路检测信号的变化特征。

真有效值变换电路采用集成的高精度真有效值变换芯片实现，并且进行提高检测精度的滤波网络设计，保证信号的检测精度。

本发明设计的ACFM数字化检测仪器的信号调理电路，采用低噪声的集成放大电路和带通滤波电路，噪声水平远远小于分立元件。带通滤波电路相对于低通滤波电路对于低频干扰特别是工频干扰具有更好的抑制效果，极大的提高信号的信噪比。前级低噪声的放大电路采用程控方式，可以满足不同材料属性下放大检测信号的需求。带通滤波器设计为两种控制方式，自适应滤波控制可适用于实验室使用，MCU控制可使用于仪器化控制。在两种控制模式下，带通滤波器的中心频率均可以按照激励信号频率的变化而变化，因此可以满足不同材料工件检测时激励频率变化的需求，适用范围广。采用高精度的真有效值变换电路，可以把交流信号的幅值变化转变为直流信号的幅值变化，有利于检测信号特征曲线的呈现，并且也可降低数据采集电路的要求，也有利于对信号的数字化处理。

Claims

1.一种ACFM数字化检测仪的信号调理电路，它包括信号输入电路、程控增益放大电路、带通滤波电路、增益可调放大电路、真有效值转换电路、信号输出电路、MCU接口和自适应时钟信号，其特征是信号输入电路连接程控增益放大电路，程控增益放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接增益可调放大电路，增益可调放大电路连接真有效值转换电路，真有效值转换电路连接信号输出电路，MCU接口连接程控增益放大电路和带通滤波电路，自适应时钟信号连接带通滤波电路。

2.根据权利要求1所述的ACFM数字化检测仪的信号调理电路，其特征是所述程控增益放大电路使用低噪声的集成运算放大器并可由MCU控制放大倍数。

3.根据权利要求1所述的ACFM数字化检测仪的信号调理电路，其特征是所述带通滤波电路可由MCU程序和自适应时钟信号两种方式控制。

4.根据权利要求1所述的ACFM数字化检测仪的信号调理电路，其特征是所述的自适应时钟信号包括正弦波变方波电路、锁相倍频电路和带通滤波电路。