电磁无损检测电路系统研究与设计

刘西恩，牛广亮，孙向阳，李星橙，王钰琪

（1.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊，065201；2.电子科技大学，四川成都，611731）

0 引言

在国外，电磁无损检测技术研究较早，已经广泛地应用在油气管道缺陷在线检测、铁轨缺陷等场景中，并且在某些方面已经对我们国家形成了垄断地位[1]。为了确保国家的油气管网和列车的正常运行，同时，在一定程度上打破国外的技术封锁和垄断地位，对电磁无损检测技术的研究势在必行，该技术成为了国内学者研究的热点之一。其中，电子科技大学罗清旺等研究[2]主要针对管道远场涡流检测，通过对检测信号的幅值实现了相位的解缠，可以达到检测缺陷较为明显的效果，但其侧重于幅值的研究，而对于相位反映出的缺陷大小研究不是很深入。本文基于电磁无损检测技术，设计了电磁无损检测电路系统，包括了激励信号发射电路和检测接收电路等两部分，对被测涡流信号的幅值和相位的研究更为具体深入，通过正交矢量型锁定放大器对缺陷电信号的幅值和相位进行提取，对电磁无损检测的研究具有十分重要的意义。

1 涡流检测原理

电磁无损检测技术是建立在电磁感应原理的基础上，用来检测导电材料中的缺陷。电磁无损检测技术基本原理如图1所示。发射电路用来产生标准的正弦波信号作为激励信号，作用在激励线圈①上，使得金属导体上产生涡流信号。由于交变激励电流产生的磁场是交变的，所以被测物体中的涡流也是交变的。这样，检测线圈②和检测线圈③中的磁场是激励磁场和涡流产生的磁场的合成磁场[3]。假定激励信号不变，线圈与被测物体之间的距离也是保持不变，那么涡流与涡流磁场的强度和分布就由被测金属的各项性质决定[4]。因此，合成磁场可反映出被测物体的性质是否发生变化，并将该变化通过磁敏元件转化为缺陷电信号输出到接收电路中，从而达到缺陷检测的目的。

图1 涡流检测原理

2 系统总体设计

电磁无损检测系统总体框图如图2所示，该系统主要由激励信号发射电路和检测接收电路两部分组成。在激励信号发生电路中，通过单片机控制DDS芯片产生标准的正弦波信号，经过低通滤波和信号放大之后的接入检测探头。当检测探头在被测试件上产生涡流信号的时候，检测接收电路对其涡流信号进行放大滤波之后，通过锁定放大器实现对该涡流信号的幅值和相位进行提取，从而与标准无缺陷处的幅值和相位进行对比分析，判断出是否存在缺陷和识别缺陷大小。

■2.1 激励信号发射电路

2.1.1 激励信号源产生

在电磁无损检测中，激励信号输出的精度、稳定性的好坏直接关系到整个系统的检测灵敏度的大小。在初步实验过程中，为了方便起见可以采用信号源直接输出进行测试，但是，由于信号源体积较大，在电磁涡流检测实际应用中就显得不太现实。因此，本次系统采用直接数字频率合成技术（DDS）进行单独产生正弦波信号，该技术相比较于其它信号波形产生技术而言，具有输出信号幅值和和相位稳定性高、频率转换精度高等特点[5]。通过MSP430单片机控制DDS芯片AD9958可以输出频率可调的正弦波信号，该信号可以作为激励源和后续检测处理电路中锁定放大器的参考信号。

图2 电磁无损检测系统结构框图

图3 单片机最小系统

图4 AD9958电路设计

本次涡流检测系统主控芯片是TI公司的16位MSP4305529单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，内核指令都是单周期指令、运行速度快，功能强大。该单片机具有超低功耗，工作电流极小，关断状态下电流只有0.1μA。因此，本次设计选择该单片机作为主控芯片。单片机MSP4305529最小系统如图3所示。

目前，市场上DDS相关集成的芯片种类繁多，设计较为出众的当属ADI公司的AD983X、AD593X、AD985X和AD995X四大系列芯片。不同系列具有一定的差异性，结合本次设计的需要—激励信号源直接输出同步正交信号，并且正交精度必须高的特点，只能选用AD985X和AD995X两个系列芯片进行设计。而AD995X采用3.3V和1.8V供电，具有较低功耗。因此，最终选择具有两通道同步正交输出的AD9958芯片。AD9958部分原理图如图4所示。

2.1.2 低通滤波

在上述DDS信号源设计中，AD9958的输入时钟频率为25MHz，输入时钟倍频有4到20倍的区间可供选择。这样的话，内部倍频之后的时钟最小也有100MHz，在这个频段下，集成运放的高频特性下降，由它搭建的有源滤波器，就显得心有余力而气不足。因此，本次采用无源电感、电容来实现椭圆滤波，使得输出信号最大频率可以与主振频率非常接近，这样就可以滤除主振频率，保证正弦波信号的输出，具体电路原理图如图5所示，七阶无源π型椭圆滤波器的截止频率为125MHz。

图5 七阶椭圆低通滤波器

图6 低通滤波器设计

图7 信号放大电路

图8 仪表放大电路

根据电磁无损仿真实验要求，信号激励频率在500kHz以下的多种频率进行测试，而上述设计的有源椭圆低通滤波并不能有效地滤除125MHz以内的谐波分量。因此，为了保证激励信号在500kHz以内处于平稳通带内，设计了如图6所示的有源低通滤波器。该滤波器采用四阶巴特沃斯Sallen-Key结构进行设计，芯片选择具有低噪声AD8676芯片，设置增益为1，通带范围为500kHz。

2.1.3 信号放大

在前面提到，DDS信号输出的正弦波信号主要作为激励源和幅相检测的参考信号。如果滤波之后的信号直接接入检测探头，不足驱动激励线圈产生较强的涡流信号进

行后续处理。因此，DDS信号作为激励源的话，就需要对滤波之后的信号进行放大。首先，通过LT1128对信号的幅值放大2倍，然后，将前置放大后的信号经过THS3111进行单路功率放大，可以使得激励信号输出驱动电流达到260mA，具体实现电路如图7所示。

■2.2 检测接收电路

2.2.1 仪表放大

检测探头在被测钢板试件上产生涡流信号之后，由于该信号比较微弱，在激励信号频率为50kHz下进行测试时，输出的涡流信号电压峰峰值最小有2mV，最大也才200mV，因此需要经过仪表放大处理。本次使用AD8422芯片进行仪表放大电路设计，该芯片具有多种可调放大倍数，最大增益可以达到991倍。本次设计根据实际测试需要，焊接1.05k电阻，使得放大倍数在20倍左右，具体仪表放大电路如图8所示。

2.2.2 可调增益放大

平衡后的电桥信号经过仪表放大后，放大倍数是固定的，如果想要改变其倍数，需要改变相应的电阻值才可以，相对比较麻烦。为了更加方便对该信号的大小进行调剂，增加了可调增益放电路，如图9所示，采用PGA103进行设计增益具有1、10和100可调范围。这里，通过主控芯片单片机分别控制A1_MCU和A0_MCU的输入的高低电平达到增益可调的目的。

2.2.3 带通滤波器

经过仪表放大、可调增益放大之后的涡流信号可以满足后续设计的要求。但在实际电磁无损检测中，往往会受到其她外界环境噪声的干扰，严重影响到系统检测缺陷的精度和灵敏度。因此，为了提高系统整体的信噪比，就需要根据测试频率的需要设计带通滤波。本次使用的测试频率为50kHz的激励频率，就需要设计通带为50kHz的带通滤波器。采用输出电压轨到轨AD8065芯片进行设计，具体电路如图10所示。

图9 可调增益放大电路

图10 带通滤波器设计

2.2.4 锁定放大器

在电磁无损检测中，最为关键的是提取涡流信号的幅值和相位，这直接关系到检测被测钢板试件是否存在缺陷的灵敏度。本文采用正交矢量型锁定放大器进行幅值和相位的检测，原理图如图11所示。锁定放大器主要由相敏检波器和低通滤波器构成。相敏检波器是锁定放大器的核心模块，可以同时实现鉴幅和鉴相的功能，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差。本文采用模拟乘法器AD835作为相敏检波器，输入信号分为被测信号和参考信号。对于低通滤波器而言，主要是用来抑制宽带宽噪声，本系统设计了截止频率为100Hz，增益为2的滤波器，可以有效提高信噪比。最终，正交矢量型放大器输出的两路信号Ux和Uy，经过A/D芯片AD7980接入单片机进行数据处理。

图11 锁定放大器设计

3 系统测试分析

电磁无损检测电路系统测试现场图如图12所示，主要使用到的测试仪器有示波器和信号源等，图12中偏下所示电路板为本次设计整个电路系统实验板，由右边两个12V电池组提供±12V供电。

图12 系统测试

■3.1 激励信号测试

本次初步测试的的信号频率为5kHz的标准正弦波信号，通过单片机控制AD9958产生5kHz两路正交的正弦波信号，经过低通滤波并滤除直流分量后，同时测试这两路信号的波形，在示波器上显示如图13所示。第一通道输出信号频率（平均值）为4.998kHz，峰峰值（平均值）为302mV；第二通道输出信号频率（平均值）为5.001kHz，峰峰值（平均值）为304mV；两个通道输出波形相位呈90°正交。通过分析示波器上的波形可以得出，激励信号发生电路的设计满足设计要求，可以作为激励信号驱动检测线圈在被测钢板试件上产生涡流信号。

图13 激励信号测试

■3.2 检测接收电路测试

检测处理电路系统的核心在于锁定放大器的设计，本次着重测试分析锁定放大器，放大滤波等测试因篇幅限制不再赘述。本次测试将检测接收电路与激励信号源产生的参考信号完全断开，使用信号源产生正弦波信号分别模拟检测探头输出信号和相敏检波器中的参考信号。将信号源设置输出为频率为5kHz，峰峰值设置为500mV，如图14第一通道所示，并将该信号输入到相敏检波器AD835中的X和Y引脚，输出结果W引脚信号如图14第二通道所示。由图14波形分析可以得出，W输出的信号频率是输入X（Y）的波形频率的两倍，并存在一定的直流分量，符合设计要求。

图14 相敏检波器测试

图15 锁定放大器测试

信号经过相敏检波器AD835后的信号，由图14可以看出有输入信号二倍频分量和直流分量，对于二倍频的高频分量在锁定放大器中提取幅值和相位并没有用，只用到直流分量。因此，需要后续设计的截止频率为100Hz的低通滤波器进行滤波高频分量处理。经过低通滤波后的信号，如图15第二通道所示，分析可得，满足设计要求。本次设计的锁定放大器为正交矢量型，两个电路结构基本相同，只是对应的输入信号的参考信号不同。本次测试选取其中的正弦信号作为参考信号进行测试。

4 结语

本文基于对电磁无损检测的研究，利用直接频率合成技术产生标准正弦波信号作为激励源，有效地提升了输出激励信号幅度和相位的稳定性，为后续检测处理电路打下了良好的基础；在检测接收电路中，幅值和相位的提取至关重要，提出了通过硬件电路正交矢量型锁定放大器实现了对涡流信号的幅值和相位的快速提取，方便后续的数据处理分析。最终，系统测试结果表明，本次设计的电磁无损检测电路系统满足设计要求，为更好的对导体试件缺陷检测打下了坚实的基础，为进一步研究无损检测具有重要意义。