交流電磁場檢測試驗(yàn)臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

交流電磁場檢測試驗(yàn)臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

0交流磁場檢測試驗(yàn)臺目20世紀(jì)80年代，由北京大學(xué)機(jī)械工程部損傷檢測中心開發(fā)的交流林場檢測技術(shù)首次提出。基本原則是：在均勻的位移磁體上激勵作品表面的平行電流，并且平行電流在缺陷中擾動，導(dǎo)致磁體變形。該技術(shù)為非接觸式測量,無須清理被檢測表面的油漆和涂層,檢測速度快、操作簡單,現(xiàn)場使用方便,可節(jié)約檢測時間,降低檢測成本,特別適用于海上平臺、水下結(jié)構(gòu)等構(gòu)件的在役定期檢查,檢測效率高,應(yīng)用前景良好。交流電磁場檢測試驗(yàn)臺用于驗(yàn)證交流電磁場檢測技術(shù)的原理,優(yōu)化海上平臺交流電磁場檢測系統(tǒng)設(shè)計和探討缺陷定量評估。筆者通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)了交流電磁場檢測試驗(yàn)臺掃描運(yùn)動和數(shù)據(jù)采集的同步控制,為交流電磁場檢測試驗(yàn)提供了便利。1磁敏傳感器和數(shù)據(jù)采集器交流電磁場檢測試驗(yàn)臺由函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、檢測探頭、數(shù)據(jù)采集器、典型缺陷試樣、電動平移臺、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器、PLC及計算機(jī)等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。函數(shù)發(fā)生器和功率放大器為激勵裝置提供正弦交變信號,產(chǎn)生交流電磁場;磁敏傳感器用于檢測交變磁場作用下缺陷試樣處的畸變磁場;數(shù)據(jù)采集器用于將磁敏傳感器測量的磁場信號采集到計算機(jī)中;典型缺陷試樣包含4種尺寸規(guī)格的半橢圓形缺陷。電動平移臺由步進(jìn)電動機(jī)、滑塊、導(dǎo)軌、絲杠和限位開關(guān)等組成。在PLC和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器控制下,步進(jìn)電動機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn),推動滑塊和安裝在滑塊上的檢測探頭沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動。將典型缺陷試樣平行于導(dǎo)軌放置在檢測探頭的正下方,即可實(shí)現(xiàn)檢測探頭對缺陷的檢測掃描運(yùn)動。為便于使用和方便數(shù)據(jù)處理,需對檢測掃描運(yùn)動和數(shù)據(jù)采集同步控制。LabVIEW除具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集處理功能外,還具備通信功能,可通過與PLC的串行通信實(shí)現(xiàn)檢測掃描運(yùn)動的控制,采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式,將二者有機(jī)結(jié)合起來,使運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集同步完成。2運(yùn)動控制2.1獨(dú)立控制程序步進(jìn)電動機(jī)通過接收脈沖實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動位移與脈沖數(shù)量成正比,轉(zhuǎn)動速率與脈沖頻率成正比,轉(zhuǎn)動方向由脈沖相序決定。松下FP-X0L14R型PLC具備高速脈沖通道CH0,對應(yīng)Y0為脈沖信號輸出,Y1為方向信號輸出,最大輸出頻率為20kHz。使用梯形控制方式,通過F171指令指定初始速度、目標(biāo)速度、加減速時間及目標(biāo)值并執(zhí)行后,即可實(shí)現(xiàn)梯形控制輸出脈沖。PLC控制程序如圖2所示。0～103行為步進(jìn)電動機(jī)控制程序?？刂拼aH10000001表示脈沖輸出模式為增量型,PLS+SIGN(正傳ON/反轉(zhuǎn)OFF);步進(jìn)電動機(jī)初始速度對應(yīng)的頻率為100Hz,目標(biāo)速度對應(yīng)的頻率為6400Hz,加、減速時間均為100ms,輸出脈沖數(shù)為1.25×105個。目標(biāo)值的正、負(fù)分別代表電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn),分別對應(yīng)檢測探頭的前進(jìn)和后退。X6、R0是正轉(zhuǎn)啟動觸點(diǎn),X3、R1是反轉(zhuǎn)啟動觸點(diǎn),R0、R1用于計算機(jī)鏈接控制。104～118行程序?qū)⒖刂拼aH120、H100寫入特殊數(shù)據(jù)寄存器DT90052,強(qiáng)制停止脈沖輸出,使步進(jìn)電動機(jī)停轉(zhuǎn)。X2、X4為限位開關(guān),常閉觸點(diǎn)。119～145行程序通過定時器實(shí)現(xiàn)R0、R1以及R2接通0.1s后自動復(fù)位,以簡化計算機(jī)鏈接控制。2.2指令和發(fā)送權(quán)松下FP-X0L14R型PLC通過編程口(RS232C)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)鏈接通信功能。連接在PLC上的計算機(jī)擁有信息傳送權(quán)。計算機(jī)向PLC發(fā)出指令后,PLC按照指令做出響應(yīng)。計算機(jī)和PLC之間的數(shù)據(jù)交換遵循MEWTOCOL-COM通信協(xié)議。對于由計算機(jī)發(fā)出的指令,PLC會自動地做出響應(yīng)回復(fù),在PLC側(cè)不需要有關(guān)通信程序。通信以會話的形式進(jìn)行,指令和響應(yīng)以ASCII代碼發(fā)送。最初的發(fā)送權(quán)在計算機(jī)側(cè),發(fā)送權(quán)在每次信息發(fā)送時在計算機(jī)和PLC之間交換。這里只使用了指令信息,其格式如圖3所示,部分常用指令代碼見表1。始端代碼:在指令信息的首位處寫入%作為指令開始的標(biāo)識;PLC地址:寫入指令接收方PLC的地址(站號),默認(rèn)地址為“01”,可通過系統(tǒng)寄存器設(shè)置;文本:指令代碼,參見表1;BCC校驗(yàn)碼:采用橫向奇偶進(jìn)行錯誤檢測,用“**”代替BCC時,可以省略BCC;終端代碼:在指令信息末位寫入CR作為指令結(jié)束的標(biāo)識。2.3運(yùn)動控制指令根據(jù)2.1節(jié),控制R0、R1和R2等3個內(nèi)部繼電器的閉合動作即可實(shí)現(xiàn)檢測掃描的運(yùn)動控制。根據(jù)PLC通信協(xié)議,控制R0、R1和R2閉合動作的指令分別為%01#WCSR00001**\r、%01#WCSR00011**\r和%01#WCSR00021**\r,向PLC發(fā)送這些指令即可實(shí)現(xiàn)檢測掃描的運(yùn)動控制。在LabVIEW中,與PLC的串行通信通過串口通信函數(shù)實(shí)現(xiàn),部分函數(shù)描述如表2所示。使用VISA配置串口、VISA寫入及VISA關(guān)閉3個函數(shù)。使用VISA配置串口函數(shù)設(shè)置如下:資源名稱為COM6,波特率為9600,校驗(yàn)方式為奇校驗(yàn),數(shù)據(jù)位為8位,停止位為1位;使用VISA寫入函數(shù)控制檢測探頭前進(jìn)、后退和停止的指令分別為%01#WCSR00001**\r、%01#WCSR00011**\r和%01#WCSR00021**\r;使用VISA關(guān)閉函數(shù)結(jié)束串口通信,關(guān)閉設(shè)備對話句柄,釋放串口資源。使用事件結(jié)構(gòu)響應(yīng)Detection、Return和Stop等3個按鈕事件,在3個事件中分別執(zhí)行發(fā)送%01#WCSR00001**\r、%01#WCSR00011**\r和%01#WCSR00021**\r指令。點(diǎn)擊檢測、返回和停止3個按鈕,可分別實(shí)現(xiàn)檢測探頭的前進(jìn)、后退和停止。3detector系統(tǒng)DAQ助手ExpressVI是一個配置測量任務(wù)、通道和標(biāo)定的圖形化接口,可產(chǎn)生基于某一任務(wù)的NI-DAQmx程序。DAQ助手ExpressVI可自動識別連接至計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集器硬件,通過設(shè)置向?qū)гO(shè)置信號類型、物理通道、信號輸入范圍、接線端配置、采集模式和采樣率等。此外,通過幅值和電平測量ExpressVI及波形圖表實(shí)現(xiàn)信號的幅值測量及其圖像顯示;通過TDMSVI和函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲記錄。采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式實(shí)現(xiàn)檢測掃描運(yùn)動和數(shù)據(jù)采集的同步控制。生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計模式(事件)是多線程編程中最基本的設(shè)計模式,是事件處理器和隊(duì)列消息處理器相結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計模式。將事件結(jié)構(gòu)放入生產(chǎn)者循環(huán),通過隊(duì)列將Detection事件傳遞給消費(fèi)者,在消費(fèi)者循環(huán)中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、分析處理和數(shù)據(jù)記錄。在2.3節(jié)中,Detection事件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了檢測探頭沿前進(jìn)方向的掃描運(yùn)動,所以生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式通過Detection事件實(shí)現(xiàn)檢測掃描運(yùn)動和數(shù)據(jù)采集的同步控制。LabVIEW程序前面板如圖4所示。程序執(zhí)行效果:點(diǎn)擊檢測按鈕,啟動電動平移臺拖動檢測探頭掃描缺陷試樣,同時將磁敏傳感器信號記錄到預(yù)先指定的文件路徑,將原始數(shù)據(jù)和峰峰值曲線顯示在波形圖中。圖4峰峰值波形圖中的曲線反映了缺陷處磁場強(qiáng)度的變化。點(diǎn)擊返回按鈕可使檢測探頭回到原點(diǎn),為下一次檢測做好準(zhǔn)備。4缺陷定量評估交流電磁場檢測試驗(yàn)臺用于驗(yàn)證交流電磁場檢測技術(shù)的原理,優(yōu)化