專利名稱：Acfm數(shù)字化檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)儀,尤其涉及一種ACFM數(shù)字化檢測(cè)儀。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來(lái)一種新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一擾動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(Alternating Current Field Measurement,簡(jiǎn)稱ACFM)。該技術(shù)利用導(dǎo)電材料在交變電流作用下，材料中的缺陷裂紋將改變其周圍的感應(yīng)電流的分布，從而改變鐵磁試件表面感應(yīng)磁場(chǎng)的分布。通過(guò)測(cè)量表面感應(yīng)磁場(chǎng)分布的變化，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型的反演，檢測(cè)確定裂紋缺陷的長(zhǎng)度和深度特征。
金屬材料大量作為受力構(gòu)件使用，廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、鐵路、壓力容器等行業(yè)。構(gòu)件在使用過(guò)程中，在應(yīng)力腐蝕、疲勞載荷、內(nèi)部工作介質(zhì)或外部工作環(huán)境的作用下， 易在開(kāi)槽、空洞、疏松、應(yīng)力集中處，和焊縫及其熱影響區(qū)域產(chǎn)生表面裂紋。裂紋缺陷是金屬構(gòu)件的一種主要損傷形式，裂紋尺寸是評(píng)價(jià)構(gòu)件安全可靠性的重要參數(shù)。因此在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)能快速、方便、準(zhǔn)確地檢測(cè)出裂紋等缺陷，并能進(jìn)行精確地定量表征，對(duì)于預(yù)防構(gòu)件的斷裂故障和防止重大惡性事故的發(fā)生具有重要意義。
傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法如磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)，其檢測(cè)靈敏度較高，但它們對(duì)構(gòu)件表面要求較高，需要對(duì)表面進(jìn)行除漆等清理工作，增加了大量的檢修工時(shí)和作業(yè)量；超聲檢測(cè)則因?yàn)闃?gòu)件表面粗糙不平而聲耦合較差，使得準(zhǔn)確定量檢測(cè)比較困難；渦流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了非接觸檢測(cè)，無(wú)需耦合介質(zhì)，但由于影響檢測(cè)信號(hào)因素較多，對(duì)檢測(cè)人員素質(zhì)要求高，易造成漏判或誤判，影響檢測(cè)質(zhì)量。擾動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是一種新的檢測(cè)技術(shù)，該方法檢測(cè)速度快、精度高，定性、定量檢測(cè)一次完成，能實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，無(wú)需清理金屬表面的油漆和涂層，同時(shí)不需要標(biāo)定試塊，具有傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。研制新的擾動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)儀將具有廣闊的應(yīng)用前景。
ACFM技術(shù)是從交流電壓降測(cè)量法(ACPD)發(fā)展而來(lái)的。英國(guó)倫敦大學(xué)無(wú)損檢測(cè)中心為了克服Acro法要求探頭和工件間要求良好接觸等的缺點(diǎn)和不足，提出了通過(guò)交流電磁場(chǎng)的感應(yīng)，測(cè)定表面感應(yīng)磁場(chǎng)的變化(擾動(dòng)磁場(chǎng))來(lái)檢測(cè)工件缺陷的新思路(ACFM方法)。隨后，英國(guó)的技術(shù)軟件公司(TSC公司)開(kāi)發(fā)了相關(guān)儀器，并于20世紀(jì)末開(kāi)始探索性應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的檢測(cè)。由于該儀器價(jià)格昂貴，測(cè)量精度還有待于提高，在我國(guó)還沒(méi)有得到應(yīng)用。目前，在我國(guó)還沒(méi)有研制出公認(rèn)成熟的檢測(cè)儀器。但是由于該項(xiàng)技術(shù)與渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)等相比具有明顯的優(yōu)越性，開(kāi)發(fā)相應(yīng)廉價(jià)高效的ACFM檢測(cè)儀將具有廣闊的應(yīng)用空間和巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種ACFM數(shù)字化檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀器的檢測(cè)方法速度快、 精度高，定性、定量檢測(cè)一次完成，能實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，具有傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。該檢測(cè)儀器的特點(diǎn)代表著檢測(cè)儀器的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前這種儀3器我們國(guó)內(nèi)還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用階段，還沒(méi)有市場(chǎng)化，還沒(méi)有研究單位或高校報(bào)道研制出這種數(shù)字化的檢測(cè)儀。
該檢測(cè)儀從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有公司生產(chǎn)基于擾動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)儀器。 能夠?qū)崿F(xiàn)ACFM檢測(cè)功能的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。目前，在我國(guó)高校研究所對(duì)ACFM檢測(cè)儀的研制有兩種思路，一種是利用集成模擬電路進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，把信號(hào)輸 A PC機(jī)進(jìn)行顯示，除采用DDS信號(hào)源之外，包括鎖相放大電路在內(nèi)的其他電路均采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。還有一種研發(fā)思路為信號(hào)調(diào)理采用模擬電路，然后直接利用數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)采集進(jìn)入PC機(jī)，最后利用LABVIEW虛擬儀器完成信號(hào)的處理和顯示。雖然這兩種思路均可以實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的檢測(cè)，但由于大量模擬電路的運(yùn)用，無(wú)法避免模擬電路存在的弊端，無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器的集成化和數(shù)字化，對(duì)檢測(cè)精度有較大的限制。虛擬儀器的使用又限制了檢測(cè)的靈活性，特別是鎖相放大器。這兩種思路都無(wú)法保證參考信號(hào)的嚴(yán)格正交性， 導(dǎo)致鎖相放大之后的信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)，使檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性下降。
數(shù)字化擾動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)儀。其特點(diǎn)一是檢測(cè)精度高，儀器中只有信號(hào)調(diào)理電路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)外，其余均為數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。信號(hào)源采用DDS合成純凈的正弦激勵(lì)信號(hào)和參考信號(hào)，其中兩路信號(hào)嚴(yán)格正交。運(yùn)算過(guò)程采用浮點(diǎn)型DSP的核心處理器，擺脫模擬型鎖相放大電路的限制，使得相敏檢波的結(jié)果更為精確。其特點(diǎn)二是高集成和雙核心，采用嵌入式儀器設(shè)計(jì)思路，使用ARM控制加DSP運(yùn)算的雙核心模式，利用ARM優(yōu)秀的管理和控制能力，結(jié)合DSP高性能的數(shù)字運(yùn)算能力，進(jìn)一步提高儀器的集成化程度，實(shí)現(xiàn)了缺陷信息的圖像顯示和聲光報(bào)警。無(wú)需借助PC機(jī)，能夠接受鍵盤輸入，而且缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)可進(jìn)行外部存儲(chǔ)，便于缺陷的定量分析。其特點(diǎn)三是使用簡(jiǎn)單方便，檢測(cè)儀器的尺寸小巧，檢測(cè)過(guò)程脫離對(duì)PC機(jī)的依賴，可獨(dú)立完成檢測(cè)信號(hào)的顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于攜帶和各種室外檢測(cè)作業(yè)。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括試件、檢測(cè)線圈、前置放大電路、帶通濾波電路、后置放大電路、AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP核心板、DA轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、激勵(lì)線圈、HPI 總線接口、S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板，其特征是試件連接檢測(cè)線圈，檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)信號(hào)輸入前置放大電路，前置放大電路連接帶通濾波電路，帶通濾波電路連接后置放大電路，后置放大電路連接AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)輸入DSP核心板，DSP 核心板連接DA轉(zhuǎn)換電路，DA轉(zhuǎn)換電路連接功率放大電路，功率放大電路的激勵(lì)信號(hào)輸出到激勵(lì)線圈，所述DSP核心板通過(guò)HPI總線接口連接S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板，所述S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板分別連接前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路。
本發(fā)明的技術(shù)效果是基于DSP的鎖相放大器是數(shù)字型的鎖相放大器，克服了模擬鎖相放大器信噪比低、精度低、線性差等缺點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)(I)具有很大變化范圍的時(shí)間常數(shù)(通過(guò)編程實(shí)現(xiàn))，可以使等效噪聲帶寬做到非常窄，從而可以檢測(cè)更微弱的信號(hào)；(2)可以用存貯器或寄存器來(lái)保存信息，不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而丟失，從而為測(cè)量極低頻信號(hào)提供了可能性；(3)具有很高的線性度，可以把輸入信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，不會(huì)引入其他誤差；(4)具有很好的靈活性，這是數(shù)字技術(shù)固有的特點(diǎn)；(5)算法在數(shù)學(xué)上可以等價(jià)于輸入信號(hào)與采樣控制信號(hào)的卷積，它可以用離散信號(hào)的傅里葉變換來(lái)得到；(6) 相關(guān)運(yùn)算是通過(guò)數(shù)字乘法實(shí)現(xiàn)的，可實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)算。


圖I ACFM數(shù)字化檢測(cè)儀的原理方框圖。
在圖中，I、試件2、檢測(cè)線圈3、前置放大電路4、帶通濾波電路5、后置放大電路 6、AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路7、DSP核心板8、DA轉(zhuǎn)換電路9、功率放大電路10、激勵(lì)線圈11、 HPI總線接口 12、S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括試件I、檢測(cè)線圈2、前置放大電路3、帶通濾波電路4、后置放大電路5、AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6、DSP核心板7、DA轉(zhuǎn)換電路8、功率放大電路9、激勵(lì)線圈10、HPI總線接口 11、S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板12，試件I連接檢測(cè)線圈 2，檢測(cè)線圈2的磁場(chǎng)信號(hào)輸入前置放大電路3，前置放大電路3連接帶通濾波電路4，帶通濾波電路4連接后置放大電路5，后置放大電路5連接AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6，AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6的輸入信號(hào)輸入DSP核心板7，DSP核心板7連接DA轉(zhuǎn)換電路8，DA轉(zhuǎn)換電路 8連接功率放大電路9，功率放大電路9的激勵(lì)信號(hào)輸出到激勵(lì)線圈10，所述DSP核心板7 通過(guò)HPI總線接口 11連接S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板12，所述S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板12分別連接前置放大電路3、帶通濾波電路4和后置放大電路5。
整個(gè)檢測(cè)儀器包括傳感器部分、信號(hào)調(diào)理電路部分、S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板和 TMS320C6474核心板DSP，傳感器包括激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈，激勵(lì)信號(hào)是頻率和幅值可調(diào)的正弦信號(hào)，由DSP直接產(chǎn)生，并由功率放大器加以放大；信號(hào)調(diào)理部分為模擬電路，包括前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路；DSP信號(hào)處理部分采用的是數(shù)字處理技術(shù)，包括AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)化電路、TMS320C6474核心板和DAC7724數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；控制部分 S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板是數(shù)字控制處理部分，核心是ARM核心板。通過(guò)串口連接通信、可編程放大電路實(shí)現(xiàn)與ARM開(kāi)發(fā)板的連接；通過(guò)串口連接通信，可編程帶通濾波器電路實(shí)現(xiàn)與 ARM開(kāi)發(fā)板的連接；通過(guò)HPI接口通信電路，實(shí)現(xiàn)ARM開(kāi)發(fā)板與DSP的連接。通過(guò)軟件編程， 實(shí)現(xiàn)ARM嵌入式開(kāi)發(fā)板的系統(tǒng)移植及外圍電路的驅(qū)動(dòng)；利用Qt4實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面軟件化，實(shí)現(xiàn)交變磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)算法的圖形化界面。
該發(fā)明具有采用了 ARM控制加DSP運(yùn)算的雙核心模式的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的ACFM數(shù)字檢測(cè)儀器電路中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了組成電路系統(tǒng)的各個(gè)電路元件的特征及他們的連接方式。該發(fā)明在ACFM數(shù)字化檢測(cè)儀電路中使用了 TMS320C6747核心板，要求保護(hù)使用TMS320C6747 核心板及其使用功能相近的DSP開(kāi)發(fā)板。
該檢測(cè)儀器的特點(diǎn)是檢測(cè)精度高，只有信號(hào)調(diào)理電路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)外，其余均為數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。該檢測(cè)儀器的激勵(lì)信號(hào)是由DSP產(chǎn)生的頻率和幅值可調(diào)的正弦信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大電路輸送給激勵(lì)線圈。信號(hào)源的正弦激勵(lì)信號(hào)和參考信號(hào)嚴(yán)格正交，運(yùn)算過(guò)程采用浮點(diǎn)型DSP的核心處理器，克服了模擬型鎖相放大電路的限制，使得相敏檢波的結(jié)果更為精確。采用嵌入式儀器設(shè)計(jì)思路，使用ARM控制加DSP運(yùn)算的雙核心模式，利用ARM優(yōu)秀的管理和控制能力，結(jié)合DSP高性能的數(shù)字運(yùn)算能力，使儀器的集成化程度大為提高，儀器實(shí)現(xiàn)了缺陷信息的顯示和聲光報(bào)警。該儀器能夠接受鍵盤輸入， 而且缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)可進(jìn)行外部存儲(chǔ)，便于缺陷的定量分析。
基于DSP的CCS系統(tǒng)采用模塊化編程。系統(tǒng)分為總控模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、參考信號(hào)合成模塊、數(shù)字相敏檢波模塊、通信模塊。各個(gè)模塊之間通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種方式耦合，在總的調(diào)度模塊控制下，調(diào)用各個(gè)功能模塊。
權(quán)利要求
1. 一種ACFM數(shù)字化檢測(cè)儀，它包括試件、檢測(cè)線圈、前置放大電路、帶通濾波電路、后置放大電路、AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP核心板、DA轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、激勵(lì)線圈、HPI 總線接口、S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板，其特征是試件連接檢測(cè)線圈，檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)信號(hào)輸入前置放大電路，前置放大電路連接帶通濾波電路，帶通濾波電路連接后置放大電路，后置放大電路連接AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)輸入DSP核心板，DSP 核心板連接DA轉(zhuǎn)換電路，DA轉(zhuǎn)換電路連接功率放大電路，功率放大電路的激勵(lì)信號(hào)輸出到激勵(lì)線圈，所述DSP核心板通過(guò)HPI總線接口連接S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板，所述S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板分別連接前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路。
全文摘要
一種ACFM數(shù)字化檢測(cè)儀，試件連接檢測(cè)線圈，檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)信號(hào)輸入前置放大電路，前置放大電路連接帶通濾波電路，帶通濾波電路連接后置放大電路，后置放大電路連接AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)輸入DSP核心板，DSP核心板連接DA轉(zhuǎn)換電路，DA轉(zhuǎn)換電路連接功率放大電路，功率放大電路的激勵(lì)信號(hào)輸出到激勵(lì)線圈，所述DSP核心板通過(guò)HPI總線接口連接S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板，所述S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板分別連接前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路。本發(fā)明的技術(shù)效果是基于DSP的鎖相放大器是數(shù)字型的鎖相放大器，克服了模擬鎖相放大器信噪比低、精度低、線性差等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/83GK102539519SQ20121000252
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者任尚坤, 李兵, 阮士家 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)