基于LabVIEW的脉冲涡流检测系统

科研成果与学术交流NDT 无损检测

2009年第31卷第1期

基于LabVIEW 的脉冲涡流检测系统

张世雄1,宋文爱2,陈以方2,程婷婷1

(1.中北大学信息与通信工程学院,太原 030051;2.清华大学,北京 100084)

摘 要:脉冲涡流检测技术采用频谱丰富的脉冲作为激励信号,响应信号中包含多个频率的分量,从而增强了脉冲涡流检测的抗干扰能力,增加了检测的深度。采用虚拟仪器技术,研制了一套基于LabVIEW 的脉冲涡流检测系统。系统由脉冲涡流检测硬件电路、上位计算机、数据采集卡以及相关软件组成。重点介绍了硬件电路中的激励源、前置滤波和传感器模块的设计。通过对标准试样进行检测试验,表明该系统具备良好的检测性能。

关键词:脉冲涡流检测;激励源;前置滤波;传感器;系统设计

中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2009)01

20012203Development of Pulsed Eddy Current Testing System Based on LabVIEW

ZHANG Shi 2Xiong 1,SONG Wen 2Ai 2,CHEN Yi 2Fang 2,CHENG Ting 2Ting 1

(1.School of Infor mation and Communication Engineer ing,North University of China,Taiyuan 030051,China;

2.Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstr act:Pulsed eddy cur rent t esting employs pulses with rich frequency com ponents as t he excit ing signal,and consequently,there exist many fr equency com ponents in corr esponding r esponse.M eanwhile,

the counter 2

interference of pulsed eddy curr ent testing is improved,and the detection depth is enlarged also.a LabVI EW based pulsed eddy current testing system was developed.T he system was composed of hardwar e cir cuit,computer,dat a acquisition car d and r elative software.T he design of the carr ier frequency generator,head filter and sensor was introduced in deta il.Testing experiments wer e done using the system,and the results showed that the system had good t esting capability.

Keywords:Pulsed eddy cur rent testing;Dir ect digital synthesis;H ead filter;Sensor ;Syst em design

计算机技术的飞速发展,极大地促进了检测技

术和检测仪器的革新,虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器是一种计算机仪器系统,它利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,用以控制底层硬件,并利用强大的软件来完成信号的采集、分析、显示和存储。

脉冲涡流检测采用周期性脉冲作为激励。由于脉冲包含很宽的频谱,因而脉冲涡流检测的响应包含多个频率信息[1],可克服传统涡流检测时穿透深度浅的缺点,实现对物体内部的检测。

收稿日期:2008201220

作者简介:张世雄(1982-),男,硕士研究生,专业为检测技术及自动化装置。1 检测原理

采用脉冲信号作为激励源,根据傅里叶变换可知[2],如果5n (x)是标准正交函数系,即:

C n =

Q b

a

f (x)5n

(x)d x (n =

1,2,,)

脉冲信号f (t)能被展开成正交函数系5n (t)的广义傅里叶级数,即:

f (t)=

E ]

n=1C

n

5n (t)

式中傅里叶系数C n =

Q ]

f (t)5n

(t)d t 。

传统涡流法是观察检测线圈的阻抗变化,以判断是否存在缺陷;脉冲涡流法则是检测感应电压的

瞬态变化。这时当脉冲信号输入激励线圈时,激励

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线圈产生的磁场会在被测试件中产生涡流,从而使检测线圈感应出瞬态电压(图1)。

图1 脉冲涡流检测的暂态波形

涡流检测中缺陷深度越深,相位滞后越明显。因此,表面和近表面缺陷对该瞬态信号的前半段影响较大,而对后半段影响较小;深层缺陷则恰好相反。脉冲涡流检测中常采用信号峰值和峰值对应时刻这两个特征参数来量化缺陷。其中,信号峰值与缺陷大小有关,缺陷越大,峰值越高;同时,该峰值也取决于缺陷所在深度。峰值对应时刻取决于磁场的穿透路径,即缺陷所在的位置。但磁场穿透路径和峰值对应时刻之间并非线性关系,缺陷所在位置越深,相应的暂态信号的峰值对应的时刻越靠后。传统涡流检测装置需配置不同的传感器和不同频率的激励信号,以检测试样中不同深度的缺陷。而脉冲涡流检测方法无需根据检测深度更换传感器和改变激励信号的频率,一次激励便可检测出试样中不同深度的缺陷。

2 检测系统总体设计

脉冲涡流检测系统由硬件和软件组成。硬件包括计算机、涡流检测电路、数据采集卡以及传感器。其中涡流检测电路包含了激励源、可调增益放大、包络检波和滤波等模块。检测系统的总体框图如图2。

图2 脉冲涡流检测系统框图

计算机是整个检测系统的核心。传感器输出信号经过涡流检测电路的处理后,通过数据采集卡进入计算机,最终在计算机屏幕上显示出来。2.1 激励源

激励源主要由NE555芯片、电位器、开关二极管和电容组成。图3中脉冲的占空比和频率均设计

图3 脉冲发生电路图

为连续可调,电位器RP1调节脉冲的低电平时间(即脉冲周期),电位器RP2调节脉冲的高电平时间

(即脉宽),脉冲频率设置为1~10kH z,占空比为2%~15%可调。脉冲信号的自身功率不足以触发传感器的谐振,需要脉冲驱动电路来完成能量供给,其主要由PNP 型的9012和NPN 型的9013三极管和大容量的电解电容组成,其中三极管的开关状态由脉冲发生电路控制。当控制脉冲为高电平时,9013导通,同时9012也导通,通过开关二极管向激励线圈注入电流;当控制脉冲为低电平时,9013关断,进而9012也关断,同时由于开关二极管的存在,使得激励线圈中的能量与外界隔绝,产生自激振荡。2.2 传感器设计

研制的换能器必须能抑制噪声,提高检测灵敏度。此外,结构简单,体积小,降低激励信号功率等也是换能器设计中需要注意的问题。笔者采用U 型磁芯换能器,其原理结构如图4所示。

图4 U 型磁芯换能器

检测线圈的内径为1mm,高为4mm,共绕制500匝。矩形激励线圈的尺寸为50mm @45mm @45mm,共绕制400匝。磁芯材料选为铁氧体,以增大线圈的电感,提高线圈的品质因数,增强换能器的

检测灵敏度,降低对激励信号的功率要求。U 型磁芯探头的两个线圈共用一个磁路,用强度相同的激

励磁场,可以有效地抑制噪声,效果优于两线圈差动的换能器。当激励信号的频率上升时,相对于同一缺陷,装置的检测灵敏度会降低。由于所用的脉冲信号中,直流和基频信号仍含有信号总能量较大的一部分,因此,频率的选择将决定各次谐波在频域范围内的分布。当激励信号的占空比在一个较大范围内改变时,检测线圈的输出信号的峰值基本没有变

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化,只存在一些微小的波动。2.3 前端滤波电路设计

对探头输出信号作分析处理时,探头输出的信号中包含了高频噪声,这些噪声将产生大量的毛刺,影响波形的观测,因此,需要对信号进行滤波。脉冲涡流检测的相应频谱很宽,但主要取频谱的中频和低频部分进行分析,故采用电压反馈运算放大器AD9631构成的二阶有源低通滤波器[3]。2.4 上位机系统

采用ADLINK 公司的数据采集卡PCI9812实现信号的采集。它是一款四通道数据采集卡,最高采样频率为20MH z,电压输入范围为-5~+5V,电压分辨率为12位。上位机软件系统采用NI 公司的LabVIEW 编写,包括检测参数设置、数据采集控制、检测结果的显示以及检测数据的存储/读出等模块。检测数据可以随时保存在数据文件中,也可以随时读出。

3 试验验证

(1)调节电位器的阻尼,激励源可稳定地输出频率为1kH z 、占空比为5%的脉冲。将U 型磁芯换能器放置在试样表面进行检测,换能器扫描速度为0.1m/s 。当换能器经过缺陷上方时,系统发出报警信号,整个过程中未出现漏检,来发生误报警。

图5 无提离时的缺陷检测波形

图5为无提离时在有缺陷处采集到的信号波形。

(2)采用相同的U 型换能器,测试在提离高度为1.5mm 时系统的检测性能。当移动换能器时,无误报警,表明系统可有效抑制提离噪声,图6为此

时的检测波形。

图6 提离高度为1.5mm 时的缺陷检测波形

由图5和6比较可知,在探头提离1.5mm 时所采集到的信号峰值约为在探头无提离时所采集到的信号峰值的一半,但曲线变化基本吻合。

4 结论

设计了一套完整的脉冲涡流检测系统,试验取得了良好的效果。但由于电磁信号检测系统本身比较复杂,还有很多不确定因素存在,需要在具体的应用中进一步研究。参考文献:

[1] Bruno Lebr un,

Yves Jayet,

Jean 2Claude Baboux.

Pulsed eddy cur rent signal analysis:application to the experimental detect ion and character izat ion of deep f laws in highly conductive materials[J].NDT &E In 2ter national,1997,30(3):163-170.

[2] 任吉林.电磁检测[M].北京:机械工业出版社,2000.[3] Ser gio Fr anco,著.基于运算放大器和模拟集成电路的

电路设计[M].刘树堂,译.西安:西安交通大学出版社,2004:114-121.

(上接第9页)参考文献:

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