基于线阵涡流传感器的高速多通道涡流信号采集系统

文章编号:1671-5497(2002)04-0062-04收稿日期:2002205210作者简介:高印寒(1951-),男,吉林敦化人,吉林大学教授。

基于线阵涡流传感器的高速多通道涡流信号采集系统高印寒,吴定超,马增治(吉林大学测试科学实验中心,吉林长春　130025)摘　要:介绍了基于线阵涡流传感器的二维数据采集系统,采用了多路模拟选择开关、X 2R 正交分解器和数字信号处理器,有效地提高了信号采集处理速度,并给出了系统原理图和相关器件框图。

关键词:线阵涡流传感器;X 2R 正交分解器;数字信号处理器;信号采集系统中图分类号:TM9381 文献标识码:A为了提高检测速度、缩短信号处理时间及有利于信号的实时处理,确定涡流检测探头的型号与精度十分重要。

通过加大探头的移动速度或将单检测线圈改为多检测线圈可以缩短涡流信号实时成像处理的时间,但机械扫描速度较低,所以本文采用线阵探头且使用电子开关,实现在一次扫描过程中各探头同时进行信号采集。

通过电子开关选通控制,可以加快信号采集速度。

1　采集电路的设计来自线阵涡流传感器的多路信号首先经过多路模拟开关,模拟开关在数字信号处理器DSP 的控制下对多路信号进行逻辑切换。

本文选用的A/D7502多路模拟开关同时选通两路,因此前置放大器必须能满足两路同时输入。

将放大的信号送到X 2R 正交分解器,进行相敏检波和低通滤波处理后,再经过A/D 转换后送入数字信号处理器进行预处理,完成信号的实部和虚部的幅值和相角的预处理并确定它们与扫描座标的对应关系。

采集电路原理如图1所示。

图1　信号采集系统原理图Fig.1　Principle diagram of signal collection system第32卷　第4期吉林大学学报(工学版)　Vol.32　No.42002年10月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition )　Oct.2002111　传感器的选型传统的涡流检测技术有两个缺点:①分辨率的限制。

高分辨率是在缩小涡流场半径条件下获得的,因此,高分辨率与探头的有效扫描宽度之间存在矛盾。

②大面积扫描和深层检测的限制。

对于高分辨率的大面积涡流检测,线阵涡流探头比传统的机械式扫描探头更具优势。

近一二年间加拿大R/D 公司等已成功地将这一技术应用到许多工业领域。

因此,采用线阵涡流传感器有利于提高信号检测速度和进行实时处理。

112　线阵涡流传感器的工作原理线阵涡流探头是将很多小探头线圈按特定的结构类型密布在敞开(或封闭)的平面或曲面上,构成阵列。

工作时,采用电子学的方法按照设定的逻辑程序对阵列单元分时切换,将各单元获取的涡流响应信号接入仪器的信号处理系统中,完成一个阵列的巡回检测。

线阵涡流探头的一次检测过程相当于传统的单个涡流探头对部件受检面(平面或曲面)往返步进扫描的检测过程。

涡流信号的响应时间极短,它只需激励信号的几个周期,高频时主要由信号处理系统的响应时间决定。

因此,线阵涡流传感器的单元切换速度快,使探头整体允许的(手动式或机械式驱动)扫描速度也可以很快。

这一点是传统的探头机械扫描(不论是旋转扫描或二维平面扫描)系统所无法比拟的。

与传统的涡流检测系统相比,线阵涡流传感器系统主要是增加了逻辑切换部件。

这部分电路模块可内置于探头中,也可装在仪器里。

模拟切换可以是简单的线圈单元切换,也可以包含对某些类型线圈进行组合以克服检测“盲区”。

它的主要特点为:①能够对被检工件的展开面或封闭面进行大面积的高速扫描检测。

②对被测表面(含近表面)的检测可达到与传统单探头同样的分辨率。

③能用于扫描检测任何固定形状构成的检测面,如板材、条、棒材等。

④能变换线圈的结构类型以形成特殊的阵列能力。

可以采用多频和混频的方法调节渗透深度,抑制干扰,提高信噪比。

⑤采用C 扫描显示方式时,图像直观、清晰,检测结果一目了然,同时也可方便地选取信号的阻抗平面和时基扫描显示。

113　多路模拟转换开关的选型由于采用多检测线圈的涡流传感器,所以需要有多路和多参数的采集和控制,如果每一路都单独采用各自的输入回路,即每一路都采用放大、采样/保持、A/D 等环节,不仅成本比单路成倍增加,而且会导致系统体积庞大。

又由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致,给系统的校准带来很大困难。

因此,除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D 外,通常采用公共的采样/保持及A/D 转换电路,而要实现这种设计,往往采用多路模拟开关。

表1　AD7502选通真值表Table 1　True value on gating of AD7502A 1A 0E N ON 0011&50112&61013&71114&8X X 0None 多路开关主要用于信号切换,如在某一时刻接通某一路,让该路信号输入而让其它路断开,从而达到信号切换的目的。

多路开关的选择通常要考虑通道数量、泄漏电流、切换速度、开关电阻等情况。

本系统从通用的角度出发,采用可更换探头的形式,探头中的线圈数可根据具体情况来选择,一般情况下,选择8,16,32,64,128。

不同的探头线圈数不一样,所以采用的转换开关数也不一样。

这里以线圈数选择8为例,采用2个差动4通道多路模拟开关AD7502。

可以同时选通两路,同一时间内处理两路信号可以节省一部分切换时间。

因为线圈数不同,所需的转换开关数也不同,所以这里设置可更换探头和即插即用电路,以适应不同的检测要求。

AD7502选通真值表如表1所示。

114　X 2R 正交分解器为了达到对被测体的二维信号检测,提供更丰富的有关被测体的信息,可靠提取二维信息是涡流检测技术的关键之一,X 2R 正交分解器是实现提取二维信息的电子电路。

由于涡流检测线圈的阻抗变化中携带了有关被测试件的信息,它所引起的信号复制和相位变化共同反应了被测对象的大小及深浅。

线圈的阻抗是一个复阻抗,它是一个矢量,包括互相垂直的电抗和电阻两个分量,可表示为:・36・第4期高印寒等:一种基于线阵涡流传感器的高速多通道涡流信号采集系统Z =R +j ωL (1)基于矢量分解原理的X 2R 正交分解器的两个输出分别对应R 和ωL 分量。

实质上可看作是由2个锁相放大器(L IA )构成的正交矢量型L IA ,其基本原理框图如图2所示。

图2　X 2R 正交分解器原理框图Fig.2　Block diagram of X 2R orthogonal resolver图2中振荡器的输出信号为:U 0=B sin ωt (2)它一方面作为激励信号去激励涡流探头,使其产生涡流信号并经前置放大器后得到:U s =A sin (ωt -φ)(3)作为测量信号分别输入到2个相敏检波电路中。

另一方面U 0作为参考信号经方波转换电路后变换成幅度为±1V ,占空比为1∶1的方波,并通过90°移相,获得2个正交的方波信号作为相敏检波电路的参考信号输入。

其中相敏检波电路由乘法器实现,它完成涡流信号与参考信号的相乘操作。

低通滤波器相当于一个积分过程,其输出为:U R =1T ∫T/20U s d t =A πcos φG R (4)U x =1T ∫(T/2)～(π/2)0～(π/2)U s d t =A πsin φG x (5)式中G x 、G R 分别为2个通道的等效增益;T 为信号周期。

当G x =G R 时,相角φ为:φ=arctan (U x /U R )(6) 涡流检测系统中,X 2R 正交分解器的2个输出U R 、U x 可直接送到示波器的水平偏转板和垂直偏转板进行阻抗平面图的定性显示,也可送入A/D 采集板。

通过对2路信号同时采样,由后续电路完成对涡流信号阻抗的定量分析。

115　A/D 转换模块A/D 转换模块主要由采集保持器HTC 20300、高速逐次逼近A/D 转换器HAS 21202组成,其中HTC 20300的孔径时间小于20ps ,获取时间为20ns 。

HAS 21202的转换时间最多不超过2186μs ,转换速率可达350kHz ,二者常配合使用。

A/D 转换接口与主机常用的接口方式有查询法和中断法。

前者占用软件处理时间,后者占用硬件资源。

在构成高速数据采集系统时,A/D 转换接口的启动、查询所产生的附加处理时间将降低整个系统的采集速度。

同时,本系统所采用的转换芯片HAS 21202对启动脉冲宽度有不得小于100ns 的限制。

因最低位转换完成时间取决于启动脉冲下降沿,太宽的脉冲宽度将影响工作速度,所以,其推荐启动脉冲宽度为150ns 。

此时对应最短转换时间为2.86μs 。

当利用主信号处理器以读写方式直接启动HAS 21202时,因DSP 的读写周期有效,能使电平宽度为2个时钟周期,即100ns ,所以需外加脉冲匹配电路,但会导致系统调试复杂。

为此,采用了与主机时钟脉冲同步的A/D 口自启动方式。

达到两个目的:一是不需设置专门的由主机软件编程所决定的启动接口电路,当主机对各通道端口进行读操作的同时,也自动启动了通道的A/D 转换器,从而在软件处理中省去转换口的启动过程。

此外,由于转换过程的起・46・吉林大学学报(工学版)第32卷始时刻由读写有效电平决定,所以与主机频率同步,因此可有目的地设计各端口采集信号处理程序,使之与A/D 转换器的一次转换时间相匹配。

只要设计合理,可不必监测各端口转换器是否完成,而直接采取定时读取的方法,使一次取样过程的时间大为缩短。

二是利用DSP 的双相时钟信号特点组成简单的脉冲筛选电路,形成150ns 脉宽的A/D 转换器启动脉冲,适应HAS 21202的要求。

从而构成简单、成本较低、性能优异的高速多通道采集系统。

2　系统软件设计采用Visual C ++编写主控软件,在Windows N T 操作系统上运行,主要完成通讯口等的初始化和关闭,DSP 板的自检、复位和程序的加载、对多路转换开关的逻辑转换和A/D 转换器的控制等,实现逻辑开关按要求顺序开启。

基于N T 平台的ADSP21060主控软件的流程如下:综上所述可知:采用可更换的线阵涡流探头使得本系统成为通用的涡流信号采集系统。

采用高速数字信号处理器以及面向对象的编程语言有效地提高了扫描速度、数据处理速度和可靠性。

另外X 2R 正交分解器对二维信号的有效提取,为涡流信号实时处理和成像提供了极大的方便。

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