CN107121489A - 一种交流电磁场检测仪 - Google Patents

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Abstract

一种基于FPGA的交流电磁场裂纹检测仪包括FPGA数字电路、DDS激励源、功率放大电路、激励线圈、检测传感器、前置放大器、信号调理板、AD转换电路、按键电路及通信电路。采用FPGA作为交流电磁场检测***的控制芯片，设计频率和相位可调的激励源模块，设计交流电磁场检测传感器、信号调理电路、AD转换电路和通信电路。本发明的技术效果是:设计基于FPGA芯片控制的交流电磁场检测数字电路***，实现交流电磁场检测仪对***硬件电路模块的控制、克服了当前检测仪器测量范围窄、测量精度差和测量单一的缺点，提高了检测的灵活性和智能性，可应用于高空作业和复杂的被测工件。

Description

一种交流电磁场检测仪
技术领域
本发明涉及一种检测仪，尤其涉及一种交流电磁场检测仪。
背景技术
交流电磁场检测技术（Alternating Current Field Measurement）是基于法拉第电磁感应原理的主动式扫描检测技术，该技术最早应用于石油和天然气的水下结构和海上平台设备的无损检测中，为了解决常规无损检测方法在水下检测平台中出现漏检和漏判的问题。该技术利用电磁感应原理在待测工件表面感应交流电，通过测量工件表面或近表面缺陷对交流电的扰动而形成的感应磁场来判断缺陷的大小，进而评价待测工件的状态和性能。
交流电磁场检测技术是在二十世纪八十年代由伦敦大学机械工程系的NDE中心基于交流电压降（ACPD）提出的新方法。1988年Lewis研究了工件外部磁场与表面磁场的耦合，基于激励表面电流场均匀分布建立了ACFM（Alternating Current Field Measurement，简称ACFM）通用理论模型。国外交流电磁场检测技术最初设计来源是用于焊缝结构的检测，随着该技术的发展已经广泛应用到其他行业，二十世纪八十年代年末首次用于石油工业的检测。
现实生活中表面及近表面裂纹对于工件的危害非常明显，容易造成安全隐患。金属材料通常在实际生活中作为受力部件使用，长期在役使用中，在疲劳载荷、应力腐蚀及内外部环境的影响下，非常容易在应力集中、疏松、焊缝及焊缝热影响区产生表面或近表面裂纹。能否快速、方便、准确地检测出裂纹的长度、宽度、深度等信息，进而评价表面及近表面裂纹，对于在役设备的使用有着巨大的实用价值，对于预防危险事故的发生具有重要意义。
表面裂纹的检测通常有磁粉、渗透及超声波等检测方法，对于含有埋深的裂纹检测通常效果较差，并且其对金属表面要求较高，需要对金属表面进行除漆、去包覆层等清理工作，在试件表面粗糙和深水检测较为困难，大大增加了检测时间和难度。射线检测可以应用于表面及近表面裂纹的检测，但是以其安全性低、仪器笨重而受到很大限制。交流电磁场检测具有非接触、检测速度快、提离因素影响小、检测灵敏度高、可实现定量检测等特点，可广泛应用于航空航天、石油管道、铁路交通和压力容器等行业，具有广阔的应用前景。
在我国目前虽然有科研单位研制出交流电磁场检测相关仪器，其应用范围仍然相当狭小，测量灵敏度和准确度有待提高。在工程应用方面仍需更大的努力，提高交流场检测的智能化和检测效率，采用FPGA作为交流电磁场检测的下位机，可以将部分硬件电路软件化设计，从而提高该检测***的灵活性和智能性，并降低设计成本，使国内有应用于实际检测的产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA交流电磁场检测仪的专用数字电路及相应的硬件模块，通过按键电路可以调节交流电磁场实际检测的参数，提高了检测的智能化，可应用于不同材料被测工件的检测。
本发明采用的技术方案如下：一种交流电磁场检测仪，主要包括FPGA数字电路、DDS激励源模块、功率放大电路、激励线圈、检测传感器、前置放大器、信号调理板、AD转换电路、按键电路及通信电路；其特征是：仪器总体电路设计框图如图1所示：FPGA控制DDS激励源模块产生的正弦信号经过功率放大电路后输入给激励线圈，激励线圈和检测传感器连接，激励线圈和检测传感器构成检测探头，检测传感器和前置放大器相连，前置放大器和信号调理板相连，信号调理板和AD转换电路相连，AD转换电路同FPGA数字电路相连，按键电路同FPGA数字电路相连，FPGA数字电路同通信电路相连。
进一步的，本发明采用FPGA作为交流电磁场检测***的控制芯片，设计交流电磁场检测数字电路，实现下位机对硬件模块的控制。
进一步的，本发明的检测传感器由TMR磁电阻效应传感器构成，能够测量俩个方向的磁场，产生差分信号。
进一步的，本发明的FPGA控制信号调理板的输入时钟频率，适用于不同材料的待测工件。
进一步的，本发明的FPGA控制交流电磁场检测的AD转换，并实现与上位机的通信。
进一步的，本发明通过按键电路可以调节激励源模块合成信号的频率和相位。
目前国内的大多数交流电磁场检测仪使用的激励源模块都是采用市场上的信号发生电路模块，其控制方式较为繁琐。采用下位机合成的DDS激励源模块不仅减少了***电路模块的空间，而且集成的检测***便于控制，提高了检测***的灵活性。采用TMR磁阻传感器作为磁场测量传感器提高了检测灵敏度，其检测稳定性较高，同时不需要置复位，检测范围广。
本发明采用FPGA芯片控制DDS激励源模块，可产生频率和相位可调的正弦信号，对于非金属材料的被测工件可以提高激励频率来检测；检测传感器采用磁电阻传感器缩小了探头的面积，传感器的检测范围更广，同时比线圈式检测传感器的稳定性更高，可以直接测量Bx、Bz方向的磁场；信号调理电路由FPGA控制，可以实现对不同频率检测信号的滤波。FPGA数字电路作为交流电磁场检测的主控层，决定实际检测的方式和效率。通过修改该数字电路可以进行***的维护和升级，同时将部分***硬件模块软件化，降低了交流电磁场检测的成本，进一步提高仪器的集成化程度。
本发明是这样实现的，FPGA控制高速DA转换电路合成正弦信号，经过功率放大器向激励线圈提供交流电激励，在待检金属表面感应出交流电，交变电流遇到待测工件表面或近表面的缺陷后方向发生偏转，在试件表面的水平方向和垂直方向产生的扰动感应磁场，检测传感器将两个方向的磁场变化转化为差分信号，经前置放大器放大后送至信号调理板处理，经过信号调理板滤波后，送至高速AD采集芯片采集，两路信号经AD采集后以SPI总线的方式传输至FPGA并实时处理传输至上位机处理。本文使用Verilog HDL硬件描述语言设计交流电磁场检测***的专用集成电路，***包括主控层和底层模块，底层模块为交流电磁场检测硬件模块的实时控制数字电路，主控层为***控制模块，包括底层模块和检测***的控制。
本发明的技术效果是：克服了当前交流电磁场检测仪使用***激励源模块的缺点；克服了当前交流电磁场调节激励频率的繁琐缺点；克服了当前交流电磁场***升级的困难，设计了基于FPGA的交流电磁场检测数字电路，将部分硬件软件化；提高了交流电磁场检测的灵活性。克服了当前交流电磁场检测仪检测范围小、检测灵敏度低的缺点。
附图说明
图1 基于FPGA的交流电磁场检测仪原理框图。
在图中，1、DDS激励源，2、功率放大电路3、激励线圈4、检测传感器5、前置放大器6、信号调理板7、AD转换电路8、FPGA数字电路9、通信电路10、按键电路。
具体实施方式
下面结合附图1及具体实例对本发明进行详细说明。
一种交流电磁场检测仪，电路连接图如图1所示：DDS激励源1、功率放大电路2、激励线圈3、检测传感器4、前置放大器5、信号调理板6、AD转换电路7、FPGA数字电路8、通信电路9及按键电路10。其特征是：FPGA数字电路8连接DDS激励源1，DDS激励源1同功率放大电路2相连，功率放大电路2同激励线圈3相连，激励线圈3和检测传感器4连接，检测传感器4同前置放大器5相连，前置放大器5信号调理板6相连，信号调理板6同AD转换电路7相连，AD转换电路7同FPGA控制8相连，FPGA数字电路8同通信电路9相连，按键电路10同FPGA控制***8相连。
整个检测仪器包括检测探头、前置放大器、信号调理板、DDS激励源模块、AD转换电路、按键电路、FPGA数字电路和通信电路。其中检测探头有激励线圈和检测传感器组成，用于提取检测信号；前置放大器和信号调理板对检测信号进行处理，前置放大器包括RC低通滤波电路和仪表放大电路，信号调理电路包括带通滤波、电压跟随器、真有效值转换电路；DDS激励源模块包括高速DA转换电路、I/V转换电路和功率放大电路，用于产生交流电磁场检测的激励；AD转换电路对检测信号进行模数转换，进行数字化处理；FPGA数字电路用于控制***模块，实现对检测流程的控制；按键电路可以实现对***硬件模块功能的控制；通信电路完成与上位机的传输。
交流电磁场检测仪器的硬件电路模块通过FPGA来控制，FPGA芯片采用了Altera公司的CycloneⅣ系列芯片，芯片型号为EP4CE6E22C8N。在该仪器的设计过程中，主要给出了每个模块实现的功能已经模块之间的连接方式。
基于FPGA设计激励源模块的原理是DDS(Direct Digital Frequency Systhesis)直接数字频率合成，合成信号频率的范围可以通过提高DA芯片位数来提高，也可通过设计DA数字电路来提高。FPGA控制高速DA转换电路合成正弦信号，高速DA转换芯片采用DAC900，通过功率放大电路放大后提供给激励线圈，通过按键电路可以调节合成正弦信号的频率和相位，适用于不同被检材料。
检测传感器4由TMR2301磁电阻传感器构成，置于激励线圈下方，并垂直放置与待测工件表面。检测传感器提取的电压信号为差分信号，并且会受到检测环境中工频干扰、无线电台和静电干扰的影响。设计差分输入的前置放大器来进行初级抑制噪声，前置放大器采用AD8226，本文在检测信号输入端口设计RC低通滤波电路来抑制射频干扰，同时可以隔离输入电路和信号源，放大后的检测信号适用于后续电路处理。
信号调理板采用LTC1068芯片设计带通滤波电路，其时钟频率通过FPGA提供，时钟频率的产生有FPGA芯片提供。通过FPGA芯片控制信号调理板所需时钟频率的数字电路，检测人员只需要调节FPGA输出给信号调理板的时钟频率即可改变中心滤波频率，从而实现对不同材料缺陷的检测，适用于不同频率输入的检测信号。
AD转换电路采用TLC1549芯片作为AD转换芯片，TLC1549是单通道10位逐次逼近式模数转换芯片，当采用3.3V的工作电压，其分辨率为3.2mV，该分辨率可以满足检测***的需求。FPGA数字电路***决定检测的过程，通过修改FPGA数字电路可以对交流电磁场检测进行控制，控制着交流电磁场检测的***模块，有利于交流电磁场的维护和升级。
以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，凡是按照本发明的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种交流电磁场检测仪，主要包括FPGA数字电路、DDS激励源模块、功率放大电路、激励线圈、检测传感器、前置放大器、信号调理板、AD转换电路、按键电路及通信电路；其特征是：FPGA控制DDS激励源模块产生的正弦信号经过功率放大电路后输入给激励线圈，激励线圈和检测传感器连接，检测传感器和前置放大器相连，前置放大器和信号调理板相连，信号调理板和AD转换电路相连，AD转换电路同FPGA数字电路相连，按键电路同FPGA数字电路相连，FPGA数字电路同通信电路相连。
2.根据权利要求1所述的交流电磁场检测仪，其特征是：采用FPGA作为交流电磁场检测***的控制芯片，设计交流电磁场检测数字电路，实现下位机对硬件模块的控制。
3.根据权利要求1所述的交流电磁场检测仪，其特征是：检测传感器由TMR磁电阻效应传感器构成，能够测量俩个方向的磁场，产生差分信号。
4.根据权利要求1所述的交流电磁场检测仪，其特征是：FPGA控制信号调理板的输入时钟频率，适用于不同材料的待测工件。
5.根据权利要求1所述的交流电磁场检测仪，其特征是：FPGA控制交流电磁场检测的AD转换，并实现与上位机的通信。
6.根据权利要求1所述的交流电磁场检测仪，其特征是：通过按键电路可以调节激励源模块合成信号的频率和相位。
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