基于SoC的快速金属频率特性测试系统设计*

刘晓东， 宁 晨， 田 丽

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028; 2.朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

金属材料的性能主要分为机械性能、化学性能、物理性能和工艺性能[1～3]。现有的各种检测设备均针对金属材料的这四个性能进行单独检测，而且大部分属于破坏性的检测方式，破坏了材料的结构、特性以及一些其他方面功能，使材料不能够再继续使用，造成浪费；另一方面有些产品为复合结构(如电镀件)，针对各层不同的材质、厚度无法进行检测评价。

本文设计了一种既能无损检测金属材料性能，又可对材料进行材质判断的快速金属频率特性测试系统。

1 金属频率特性检测原理

当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，形成了电流，使金属具有了导电性[4～6]。

当一个通有交变电流的线圈接近金属材料表面时，由于交变磁场的变化，会在金属材料表面及近表面产生电涡流，电涡流的大小与金属材料的电阻率成反比，电涡流在金属内流过必然产生涡流损耗。电涡流的交变性又会产生交变的涡流磁场，引起磁滞损耗。涡流损耗和磁滞损耗以及磁导率的不同共同影响涡流传感器检测线圈的输出交变信号的幅值和相位。

随着频率的变化，涡流传感器的自身特性也会产生一定变化，本系统将其视为线性变化。构成金属晶格的各种金属元素均有其独特的分子结构，在不同的分子频率上振动。因此，不同的金属材料的频率特性亦不同。其中单一元素金属材料(如纯铁，纯铜等)的频率特性最为简单，合金材料或复合材料由于含有多种金属元素成分，其频率特性更为复杂，这种复杂性与其含有的各单一元素金属材料相关，并且以多频率点处显示不同特性表征。系统通过在一段频率范围内进行扫描测量标准样本材料并记录标准金属材料的频率特性，与其他金属材料的扫描测量记录进行比较，以判断材料是否相符或分析合金材料和复合材料的成分构成。

2 系统设计

系统由人机交互模块(显示输出和键盘输入)，系统控制分析模块，信号发生模块，信号检测转换模块四大部分组成[7]，系统整体框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

2.1 系统控制分析模块

如图2所示，系统控制分析模块以C8051F020单片机[8]为核心，分为协调控制环节和计算分析环节2部分。协调控制环节接收键盘输入指令，选择输出频率，控制信号发生模块工作，同时与计算分析环节通信，将产生的频率信息以及测试环境等数据发送给计算分析环节。由于C8051F020内部具有高速A/D转换器(ADC)，所以输出信号与检测信号间的相位差数据直接由该ADC转换为数字量，而两者的幅值通过外部ADC转换为数字量后再送入单片机，由计算分析环节计算两者的幅值比以及各项目均方值，结合已记录的标准金属材料频率特性向量值对被测样本金属材料进行分析判断，最终将判断结果和各测量参数返回协调控制环节并送入显示输出装置。

图2 系统控制分析模块框图

2.2 信号发生模块

采用直接数字频率合成(direct digital synthesis,DDS)技术，可以产生频率可调的扫频信号或在频率范围内驻点输出，提供符合系统性能指标所需的正弦信号。该输出信号分为2路：直接接入信号检测转换模块，用于幅值谱检测、相位谱检测；进入测试网络，通过涡流传感器对金属材料进行检测。信号发生模块框图如图3 所示。

使用AD9851芯片作为信号发生器[9～13]。其外围电路简单，变频响应快，输出波形频谱纯净。可以直接与单片机连接进行通信，数据传送有并行和串行2种工作方式，极大方便了与单片机之间的接口电路以及程序的编写。本文选用并行数据输入方式，同时实现8位数据的传输。

图3 信号发生模块框图

由于DDS芯片AD9851的最高工作频率为180 MHz，而其内部含有6倍频电路，因此,在晶振选择上应选择低于30 MHz，工作电压应保持在4～5 V之间，否则极易烧毁芯片。又因为AD9851内部没有低通滤波器，经过DAC输出的扫频信号不可避免地含有高频噪声，故信号输出端口需加低通滤波抑制高频干扰。

2.3 信号检测转换模块

信号检测转换模块分为幅频检测电路和相频检测电路，用于将涡流传感器得到的检测信号分解为幅值和相位差两路信号。分别对通过涡流传感器前后的正弦信号进行模拟检幅，并对两信号进行相位差整理，将幅度和相位差的模拟量通过A/D转换得到数字量，由系统控制分析模块进行分析处理。

2.3.1 幅频检测电路

峰值检波电路如图4，当输入电压Vin大于电容器C的电压时，二极管D1，D2导通，C充电。当输入电压Vin小于电容器C的电压时，二极管D1，D2截止，输入电压的最大值被保持，以此得到电压的最大值，即正弦信号的幅值。

图4 峰值检波电路

利用该电路，分别检出涡流传感器的检测信号与信号发生模块输出信号的峰值，通过A/D转换送入系统控制分析模块，由计算分析环节计算得到两信号的幅值比，统计各个频率的幅值比，得到幅值谱特性曲线。其工作框图如图5所示。

由于频率变化，涡流传感器的自身阻抗也随之变化，对检测信号和输出信号的峰值均产生影响，分别进行峰值检波，有利于消除该项干扰。

图5 幅值谱检测电路框图

2.3.2 相频检测电路

相频检测电路是将信号发生器的输出信号的相位与涡流传感器得到的检测信号的相位进行比较，以得到被测金属在一定频率范围内的相位谱特性曲线。

如图6所示，相位谱检测电路将输出信号和检测信号2个正弦信号分别整理成方波，并通过比较器。由于相位差异，2个方波信号在某一时间段的电压大小不同，可整理出一个占空比不同的方波，占空比随输出信号和检测信号之间的相位差变化而变化，通过读取该方波占空比，将其转换为电压，即得到某频率点上两正弦信号的相位差。设方波电压为V，占空比为t0，频率为f，该电压值为

Vout=V×t0×f

图6 相位谱检测电路框图

3 性能指标

系统的性能指标为：输出信号具有扫频变化的功能，扫频范围在10 Hz～10 MHz，可在频率范围内自动步进或固定频率输出;可以显示被测金属各频率点的幅频特性和相频特性;能够记录各种不同标准金属材料的频率特性向量值，并可进行查询;当对其他材料进行测量时，可以根据标准材料的频率特性向量值判断与样本材料是否一致。

4 实验结果与讨论

表1为室温下对铝箔板片的频率特性检测及金属材料判断的实验结果，频率数据由系统决定，2种材料的幅值比数据和相位差数据由系统采集计算直接给出结果，根据该结果，得出各项目的均方值，结果表明，不同材料频率特性差距显著。

表1 金属材料频率特性检测

5 结束语

系统以单片机作为检测控制器，具有智能化特点。设备操作简便，处理速度快，安全可靠，应用前景广泛。

温度、传感器、金属材料各项指标等对系统测量结果均具有影响，当温度和传感器确定时，金属材料的各项指标是影响测量结果的关键，可用于无损检测金属材料的材质特性或判断同类金属产品是否合格等应用。

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