基于PCI2010数据采集卡的多通道涡流探伤仪的设计

2014-12-03 08:07王贝翟瑞占韩晓华

山东科学 2014年4期

王贝，翟瑞占，韩晓华

(山东省科学院激光研究所，山东济宁272107)

为了提升探伤能力，涡流探伤仪器需要数字化、智能化［1－5］，以实现对每根钢管经过探伤后的结果可查询、追溯，探伤波形可查看，从而避免有缺陷的产品出厂，并可以查明原因，提前采取预防措施，提高效益。同时作为钢管生产企业下游用户质量保证的一个有效的技术手段，可以预防质量事故的产生。

德国的福斯特(FORSTER)在涡流仪器研究方面一直处于领先地位，生产的DEFECTOMETER系列仪器针对性强，性能优越，在全世界得到广泛的应用。我国的宝钢也使用该设备，但是进口设备较昂贵，生产成本会相应增加。目前在国内市场处于主导地位的是厦门爱德森电子有限公司开发的集成度很高的EEC系列数字化涡流检测仪器，但其仪器参数设计多，调试比较繁杂。为了在钢管检测方面易于调试，本文在Windows XP系统平台下，采用PCI2010数据采集卡设计了多通道涡流探伤仪。

1 工作原理

当载有频率为交变电流的检测线圈置于导电试件上时，试件将感应出涡流。此涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场，并部分抵消原磁场，导致检测线圈阻抗的电阻和电感的变化。涡流探伤是涡流效应的应用［6－7］，实质上就是检测线圈阻抗发生的变化并加以处理，从而对试件的物理性能做出评价。利用阻抗平面显示技术，不但能测出缺陷的大小信息，而且还能区分缺陷的位置以及其他干扰信号，给缺陷分析提供了较理想的手段。

涡流检测仪一般由激励振荡电路、探头电路、信号输出电路、放大电路、处理器和显示器组成。激励振荡电路产生交变信号，经过驱动放大输出交变激励信号，加到探头激励线圈上。探头中的检测线圈拾取被测工件上缺陷调制的涡流信号，此信号被放大并经X、Y分解后，再经相敏检波处理，滤波输出后加到A/D转换通道中，数据处理后显示在显示器上。

2 总体设计

基于PCI2010数据采集卡［8］设计的多通道涡流仪，由激励信号板、涡流信号模拟输出信号板、控制板、PCI2010数据采集卡以及研华工业控制计算机组成。总体设计方案见图1。

仪器分别对16个探头得到的涡流信号进行前置放大，然后对每路信号进行X、Y向分解，经相敏检波、滤波放大电路和采集卡采集数据后，由计算机对数据进行处理，获得有用的伤信号，达到或超过报警界限的，送出报警信号。

图1 多通道涡流探伤仪架构Fig.1 Architecture of multi-channel eddy current instrument

3 设计方案

3.1 激励电路

利用PCI2010卡上输出的一路DA模拟量，控制压/频转换器件ICL8038的频率，实现方波、三角波和正弦波的输出。由于ICL8038是输出频率与输入电压成正比的线性压控振荡器电路，能够在一定范围内使压控电压和频率成线性关系，所以在3～120 kHz内可按照实际测量得到的直线方程来编写软件，控制频率的输出，以满足实际涡流检测的需要。图2为涡流激励信号波形。

3.2 信号接收部分

涡流检测线圈按使用方式分成绝对式、它比式和自比式。在本设计中，依据实际情况，采用绝对式涡流检测线圈。线圈拾取试件上的缺陷信号后进行前置放大，然后再进行增益放大，此信号是伤信号对激励同频率载波的调制信号，为获得有用的伤信号，需要去掉这个载波信号。

3.3 相敏检波电路

放大后的涡流信号，经过X、Y分解电路后，通过相敏检波器检波。为了测量噪声中的涡流信号的幅值和相位，可通过两个互关器来实现。

设计了正交分解器，使其同时输出被测信号的实部和虚部分量，基本框图见图3。

若激励信号A0=A sin(ωt)，涡流信号 AS=A sin(ωt－θ)，经过正交分解器后，其输出可看作涡流信号AS在参考信号半个周期内的积分，即

图2 涡流激励信号波形Fig.2 Waveform of eddy current excitation signal

图3 正交分解器框图Fig.3 Block diagram of orthogonal decomposition

其中，LX、LY为两个通道的等效增益，T为周期信号。当LX=LY=L，可计算出涡流信号的相位角和幅值分别为

正交分解器输出的AX、AY分量，经A/D转换器同步采集后，再送处理器处理，最终由公式(1)、(2)求解涡流信号的相角和幅值。

AX、AY分量送入PCI2010数据采集卡，经A/D转换、计算机数据处理以及伤信号相位的旋转，显示在显示屏上，由于试件缺陷信号和噪声信号有相位差，就可以根据设定的报警扇区，决定伤信号是否落在报警区域内，以进行信号处理。

3.4 PCI2010数据采集卡与激励电路、涡流信号电路、计算机的对接

PCI2010数据采集卡是一种基于PCI总线技术的数据采集卡，可插在与之兼容的研华工业计算机的PCI插槽内，是构成涡流检测信号的数据采集系统的中心部件之一。该采集卡有16路DI数字量输入功能和16路DO数字输出量功能，最高采样速率是400 kHz，模拟输入通道为32通道，A/D转换精度为14位，性能足可以满足多通道涡流检测仪对采样速率的要求。还有一路DA模拟量输出功能，转换精度为12位，利用其控制ICL8038的压控端，以控制激励频率的输出频率值。PCI2010卡内部有一个8 K FIFO存储器，可通过满、半满、DMA以及中断方式读取经过涡流检测采集的A/D转换数据，然后与计算机通过PCI进行数据交换［9］。涡流仪器的增益、滤波、激励幅度控制数据通过PCI2010数据采集卡上的16路DO数字量输出通道送到控制板上，经解码后分别送到涡流信号模拟和激励幅度板上，并将这些数据锁存在数据锁存器内，通过它们控制模拟开关的开通，来实现对涡流检测的增益、滤波和激励幅度的控制。