小口径管道的脉冲远场涡流检测系统★

段成功，高松巍

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

0 引言

脉冲涡流检测技术是涡流无损检测技术的一个分支，以其平均功率小、瞬时功率大、穿透深度大和信息量丰富等优势拥有广泛的应用前景，特别是在检测金属裂纹和腐蚀方面表现尤为突出[1-3]。远场涡流检测技术又不同于常规涡流检测技术，将低频脉冲信号加到激励线圈上，在远场区的检测线圈会收到两次穿越管壁、携带管壁信息的检测信号。远场涡流检测技术对管道内外的缺陷具有相同的检测灵敏度，可以通过检测信号的幅值和相位来分析管壁减薄程度。本文中通过各硬件部分的搭建，制作完成了信号发生、放大及检测环节的工作，同时基于LabVIEW平台功能，使用数据采集卡实现了对检测信号的优化处理，具体包括软件滤波、数据采集、存储及显示等。通过实验分析发现，系统对远场区的检测信号表现比较敏感，在缺陷处数据的变化尤其十分明显，对数据进一步对比计算可以推算出管壁壁厚缺失的大小情况。

1 脉冲远场涡流的检测原理

脉冲远场涡流检测技术是一种新兴的无损检测技术。它既保持了常规涡流检测的一些优点，又具有平均功率小、瞬时功率大、穿透深度大和信息量丰富等独特的优势。当激励线圈上有脉冲激励信号时，管道内产生的磁场能量会沿着两条不同的路径进行传递（如图1所示）：1）沿着管道中心轴向的方向，随着与激励线圈距离的增大，呈指数衰减地直接传递；2）两次穿过管壁的间接传递。

图1 脉冲远场涡流检测原理图

当检测线圈与激励线圈之间的距离小于2倍管内径时，直接传递的能量会明显地多于间接传递的能量，该区域被称为近场区；当检测线圈与激励线圈之间的距离为2～3倍管内径时，直接传递的能量与间接传递的能量互有影响，该区域被称为过渡区；当检测线圈与激励线圈之间的距离大于3倍管内径时，间接传递的能量会明显地多于直接传递的能量，该区域被称为远场区[4]。

在远场区，占主导地位的间接传递能量由激励线圈发出，两次经过管壁，包含着管壁的详细信息，利用检测线圈来接收检测信号，对其进行处理计算即可得到关于管壁厚度的变化情况，这也是脉冲远场涡流在远场区检测的最根本的依据。

2 系统总体设计

2.1 系统整体构成

利用DDS技术产生低频脉冲信号经过功率放大环节后送入激励线圈作为激励信号，检测线圈接收检测信号，放大后经过数据采集卡采集及处理，将信号送入到上位机中，完成对采集数据的存储与显示，即得到了关于缺陷的有关信息（如图2所示）。

图2 系统整体框图

2.2 硬件系统设计

2.2.1 信号发生及功率放大环节设计

在信号发生环节中，利用DDS技术，由单片机控制，使用AD 9850芯片模块产生频率为25 Hz、占空比20%的方波激励信号。DDS技术有频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高和相位可控等优点，这可以保证实验中信号的高纯度。

功率放大环节使用放大芯片OPA 548进行搭建（如图3所示），该芯片是低功耗、高电压和大电流运算放大器，可以驱动各种负载。芯片可以使用单电源供电，也可以双电源供电，这就为电路设计提供了更大的灵活性。芯片内部集成了保护电路，用来防止芯片过热和电流过载情况下的损害。

图3 功率放大电路

2.2.2 探头传感器结构

利用ANSYS软件对探头传感器在管道中的工作环境进行模拟，依据模拟仿真参数，确定探头传感器的结构。探头传感器由激励线圈和检测线圈两部分构成。激励线圈和检测线圈都采用直径0.27 mm的漆包线，采用双线并绕的方式进行制作。激励线圈的匝数选为500，检测线圈的匝数选为1500，两线圈的外径均为78 mm，并将两部分线圈用同一连接杆固定，同时将激励线圈与检测线圈之间的距离调整为3倍管道内径。因为探头传感器需在管道内部完成检测工作，会存在很多干扰因素，可以考虑在两线圈之间加入金属外壳等措施来去除外界干扰。

2.2.3 信号放大环节设计

图4 信号放大电路

检测线圈接收到的检测信号十分微弱，需加入信号放大环节。信号放大环节以AD 620芯片为核心进行搭建（如图4所示），采用两级放大方式实现对微弱信号的放大[5]。第一级放大倍数选择10倍，同时采用差分输入方式来去除共模干扰；第二级作为主运放其放大倍数选择30倍，达到理想放大的目的。具体放大倍数的实现是通过调整两个滑动变阻器R 1、R 2的值来完成的。

2.3 软件系统设计

在LabVIEW平台上完成软件程序的编写，系统总体采用状态机结构编写，具体包含软件滤波、数据采集、数据存储及显示等功能（如图5所示），同时设计了前端显示界面，方便用户使用。

系统设计很好地利用了虚拟仪器平台可以将控制信息集中于软件模块中的优势，针对不同的需求将不同的功能模块加以组合编辑，构成各种功能仪器，既而减小对硬件的依赖性，同时又不必受限于某些仪器厂商提供的特定功能的限制。

2.3.1 软件滤波

检测信号经前端放大后仍然存在很多干扰，会对后续分析造成一定的影响，因此，在进行数据采集之前需要加入滤波环节来去除干扰。LabVIEW平台自带滤波器VI模块，图形化信号处理包含小波变换、时频分析、图像处理、滤波器设计、声音与振动、系统辨识和RF分析等各种专业工具包，同时兼容.m文件等数学脚本语言与函数接口，可与硬件无缝地结合，使算法得到快速的验证与部署。

图5 软件系统总体框图

程序选用的是巴特沃斯（Butterworth）滤波器，巴特沃斯滤波器拥有平滑的频率响应，在截止频率以外，频率响应单调下调，在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零，过滤带的陡峭程度正比于滤波器阶数，因此通过提高滤波阶数可以明显地改善滤波效果，用户还可以根据实际的滤波要求来选择低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波等不同的滤波方式以达到理想的滤波效果[6]。

根据实际的实验环境，选择低通滤波，滤波器阶数为3阶，截止频率设置为50 Hz。

2.3.2 数据采集及存储

使用研华PCI-1716 L高分辨率数据采集卡，通过USB总线将数据传递到计算机内，完成数据的存储及显示。

因为检测通道只有一路，可以使用数据采集卡的第0通道来采集数据。采集卡将采集到的数据首先保存到板载的FIFO中，但该FIFO的存储大小有限，所以要选择合理的读取点数，及时地将FIFO中存储的数据读取出来，以防止FIFO中的数据被新写入的数据所替换掉，导致丢点等后果（如图6所示）。检测系统采集数据以TDMS文件格式保存，可由Excel打开。

图6 数据采集流程图

2.3.3 报警系统

设计报警系统，对系统运行进行实时监测。若系统运行中遇到问题，则将在报警显示栏中显示错误，方便及时处理。根据脉冲激励在截止一段时间内检测线圈上仍然有电压信号输出的特点，并且电压的时域波形在上升沿和下降沿都会有十分明显的变化，这样可以对输出电压信号设置一基准阈值，判定是否超过阈值来对缺陷做出判断。

3 实验与结果分析

实验管道试件规格为外径86 mm，内径80 mm。在管道周向上有人为制作的两处不同的深度缺陷，深度分别为 1 mm和 1.5 mm（如图7所示）。

图7 试验管道剖面图

系统在检测时会自动地采集相关数据并存储在Excel表格中，同时将采集结果在前面板界面中显示（如图8所示）。系统前面板中包含了数据采集功能的开始、停止按键，数据存储功能按键，采样频率的设置栏，以及报警等相关功能按键。系统检测时设置的采集频率为1000 Hz/s。

图8 系统检测结果图

通过读取存在Excel中的检测数据发现：系统经过无伤处时，数据总体平稳，峰值电压约为0.34 V，过零时间约为15.61 ms；经过缺陷处时，数据发生明显的改变，变化剧烈处分别出现在第1010～1160这150个点数据及第6430～6570这150个点两处。通过Excel图表化处理而形成直观显示图（如图9所示）。

通过对图9（a）中的数据计算而得出检测系统通过此处缺陷时的峰值电压约为0.43 V，过零时间约为15.36 ms；通过对图9（b）中的数据计算而得出检测系统通过此处缺陷时峰值电压约为0.49 V，过零时间约为15.16 ms。

图9 不同缺陷处的数据图

4 结论

检测系统经过缺陷处时峰值电压与过零时间发生明显的变化，且对数据分析计算发现，这两项数据的变化幅度与缺陷深度间存在一定的关系，据此可以推算出管道上某处壁厚的实际减薄程度。

[1]余付平，朱荣新，王韫江，等.脉冲涡流检测技术的研究进展和展望[J].无损检测2008，30（11）：842-846.

[2]ANGANI C S，PARK D G，KIM C G，et al.Pulsed eddy current differential probo to detect the defects in a stainless steel pipe[J].Journal of Applied Physics，2011，109：111-115.

[3]THIRUNAVUKKARASU S，BPC RAO，JAYAKUMAR T，et al.Technique for processing remote field eddy current signals from bend regions of steam generator tubes of prototype fast breeder reactor[J].Annals of Nuclear Energy，2011，38： 817-824.

[4]徐小杰，罗飞路，刘春艳，等.铁磁性管道的远场涡流检测系统的设计与实现[J].计量技术，2006（12）：7-10.

[5]杨理践，刘建，高松巍.基于LABVIEW的远场涡流管道检测系统[J].无损检测，2011，33（8）：38-41.

[6]张晨燕，吴燕，马建涛.基于LABVIEW虚拟滤波器去除噪声VI设计[J].微计算机信息，2007，23（4-1）：299-301.