基于相位特性的acfm系統(tǒng)電磁兼容性分析

基于相位特性的acfm系統(tǒng)電磁兼容性分析

交流磁體檢測(cè)（acfm）是一種新興的損傷檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)的原理為:在工件表面感應(yīng)出均勻交變電流,檢測(cè)工件表面磁場(chǎng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)缺陷的評(píng)定。ACFM探測(cè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓作為檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大電路、相敏檢波電路、濾波器、幅度鑒別器和A/D轉(zhuǎn)換器變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)通過(guò)軟件處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋缺陷的定量、可視化檢測(cè)。其中,ACFM探頭激勵(lì)線圈的激勵(lì)源由振蕩器提供,相敏檢波電路的參考電壓由振蕩器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)移相器移相得到。ACFM檢測(cè)儀電路總框圖如圖1。檢測(cè)探頭是ACFM智能裂紋檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,在完成信號(hào)拾取的同時(shí),由于本身含有磁性元件,產(chǎn)生的電磁干擾向信號(hào)處理電路散發(fā)非功能性電磁干擾能量,干擾嚴(yán)重時(shí),使系統(tǒng)設(shè)備的性能降級(jí)甚至完全喪失功能。此外,后續(xù)硬件各個(gè)電路模塊在工作過(guò)程中作為干擾源和磁敏元件同時(shí)存在,電磁干擾問(wèn)題突出,電磁兼容性成為ACFM檢測(cè)系統(tǒng)安全可靠性的重要問(wèn)題。本文采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法,通過(guò)電磁干擾源產(chǎn)生的機(jī)理以及抑制措施,電磁干擾傳播特性,敏感設(shè)備的敏感度等三方面的研究,對(duì)ACFM電磁兼容性進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。ast,ACFM系統(tǒng)電磁兼容性預(yù)測(cè)方程可用如下模型表示。式中,ΔA為干擾裕量(也稱安全系數(shù));Y(t,f,θ)為發(fā)射源傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備上的功率;S(t,f,θ)為磁敏設(shè)備敏感度閾值。如果ΔA<0,表示電磁兼容,ΔA>0,則表示電磁不兼容。若電磁不兼容時(shí),Y(t,f,θ)對(duì)磁敏設(shè)備造成損傷或失效;若電磁兼容時(shí),Y(t,f,θ)不對(duì)設(shè)備造成失效或損傷,此時(shí)磁敏設(shè)備能夠有效抑制、抵抗干擾。acfm低頻可靠性預(yù)測(cè)1acfm系統(tǒng)模型分析ACFM電路模塊上的負(fù)載多種多樣,既有阻性,感性和容性負(fù)載,還有高頻振蕩信號(hào)源,它們不僅對(duì)外是潛在的干擾發(fā)射源,同時(shí)也是磁敏設(shè)備;另外,由于ACFM是通過(guò)檢測(cè)含缺陷構(gòu)件表面的電磁場(chǎng)畸變來(lái)判別裂紋的,整個(gè)系統(tǒng)處在人工激勵(lì)磁場(chǎng)和自然磁場(chǎng)相互耦合而成的復(fù)雜電磁環(huán)境中,由此產(chǎn)生的電磁耦合干擾也會(huì)影響ACFM電子模塊的正常運(yùn)行。ACFM電磁場(chǎng)數(shù)值模型的描述是預(yù)測(cè)分析的技術(shù)關(guān)鍵,其中預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的技術(shù)難點(diǎn)在于電磁場(chǎng)的分布計(jì)算和確定邊界條件。有限元模型及數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3。ACFM探測(cè)線圈除了檢測(cè)到能判定缺陷的特征檢測(cè)構(gòu)件表面電磁場(chǎng)的畸變,同時(shí)能感應(yīng)到更強(qiáng)的由激勵(lì)線圈產(chǎn)生的激勵(lì)場(chǎng)。通過(guò)分析ACFM理論模型和有限元數(shù)值模型,可得由構(gòu)件缺陷引起的畸變場(chǎng)相對(duì)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的激勵(lì)電磁場(chǎng)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí),其中,激勵(lì)線圈感應(yīng)的激勵(lì)磁場(chǎng)頻率為6000Hz的諧性場(chǎng)。所檢測(cè)的缺陷檢測(cè)信號(hào)基本被淹沒(méi)在激勵(lì)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)中。自然環(huán)境磁場(chǎng)可由磁檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。如果在電磁環(huán)境中有多個(gè)電磁干擾源,敏感設(shè)備位置上綜合的電磁環(huán)境干擾場(chǎng)強(qiáng)符合線性疊加原理。在實(shí)驗(yàn)室條件下,0～20kHz自然環(huán)境噪聲頻譜圖如圖4。由圖4可知,ACFM自然環(huán)境磁場(chǎng)干擾的頻率在0～20kHz,基本服從均勻分布。ACFM系統(tǒng)主要干擾源按幅值劃分如下:磁勵(lì)線圈產(chǎn)生的激勵(lì)場(chǎng)對(duì)探測(cè)線圈影響最大,其次為含缺陷構(gòu)件的感應(yīng)場(chǎng),最后是高頻耦合場(chǎng)和環(huán)境噪聲磁場(chǎng)。缺陷構(gòu)件由肌膚效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)是需提取的有用信號(hào)。2屏蔽效能分析對(duì)ACFM系統(tǒng)的電磁耦合途徑進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),干擾源與ACFM檢測(cè)系統(tǒng)磁敏感模塊之間的耦合方式為輻射耦合、電容耦合、電感耦合、電阻耦合以及相互間的交錯(cuò)作用。電磁耦合途徑可用下式表示。ACFM電磁耦合途徑在工程應(yīng)用上可以用屏蔽效能來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)定。屏蔽效能可定義為:在電磁場(chǎng)中同一地點(diǎn)無(wú)屏蔽時(shí)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度與加屏蔽體后的電磁場(chǎng)強(qiáng)度之比或其分貝數(shù)。ACFM檢測(cè)系統(tǒng)中探測(cè)線圈處在ACFM激勵(lì)線圈的強(qiáng)感應(yīng)干擾下,需在激勵(lì)線圈與探測(cè)線圈之間加屏蔽層,降低激勵(lì)場(chǎng)對(duì)探測(cè)線圈的干擾。帶有屏蔽層的ACFM有限元模型如圖5,屏蔽效能沿Y方向變化圖如圖6。由圖6可知,采用鐵磁性材料作屏蔽層對(duì)垂直入射的電磁場(chǎng)屏蔽效果良好,可減弱探測(cè)線圈受激勵(lì)場(chǎng)的干擾,計(jì)算時(shí)取屏蔽效能為20dB。3acfm組成磁敏設(shè)備接收電磁信號(hào)的頻率選擇模型可描述為:式中,Δf表示磁敏設(shè)備的全頻帶;G(Δf)表示磁敏設(shè)備相對(duì)于Δf的接收能力;Δf0表示工作頻帶;G(Δf0)表示設(shè)備對(duì)G(Δf0)的接收能力;Gi表示設(shè)備對(duì)工作頻帶外信號(hào)的接收能力。ACFM檢測(cè)系統(tǒng)中的干擾源主要為高頻干擾,另外還存在一定的低頻干擾,如探頭的提離抖動(dòng)。在設(shè)計(jì)后續(xù)信號(hào)處理模塊時(shí),采用2階壓控電壓源有源帶通濾波單元來(lái)濾除高頻噪聲。ACFM信號(hào)處理模塊的幅頻特性如圖7。取工作頻率ωn=6000Hz,可以保證ACFM信號(hào)處理模塊能有效抑制高頻干擾噪聲。(2)ACFM系統(tǒng)相位特性分析針對(duì)ACFM噪聲源的特點(diǎn),對(duì)于在ACFM數(shù)據(jù)處理模塊中落在敏感設(shè)備工作頻帶內(nèi)的噪聲頻率,利用噪聲干擾與有用信號(hào)之間存在相位差,ACFM數(shù)據(jù)處理模塊采用相敏檢波方法來(lái)抑制該類噪聲。相敏檢波消除干擾噪聲的原理是:如果控制信號(hào)和輸入信號(hào)相位差在0～90°之間,輸出從零逐漸增強(qiáng)到最大。故選擇控制信號(hào)和有用信號(hào)相差90°進(jìn)行檢波,就能在輸出信號(hào)中消除干擾信號(hào)而保留有用信號(hào)(因?yàn)橛杏眯盘?hào)和干擾信號(hào)之間存在相位差)。ACFM信號(hào)處理模塊的抑制噪聲相敏檢波電路采用性能穩(wěn)定的集成電路搭建而成,經(jīng)仿真和試驗(yàn)測(cè)試,其性能能夠滿足ACFM檢測(cè)的需要。輸入信號(hào)為5mV,6kHz的正弦波,參考信號(hào)為1.2mV,6kHz的正弦波。ACFM信號(hào)處理模塊的相位差與幅度抑制特性如圖8。由圖8可知,選擇合適的初始相位參考信號(hào),可以有效地抑制工作頻帶內(nèi)與有用信號(hào)不同相位的噪聲干擾。(3)ACFM檢測(cè)系統(tǒng)敏感度分析若系統(tǒng)中存在多個(gè)敏感設(shè)備,整個(gè)系統(tǒng)的敏感度可由敏感度最高的磁敏設(shè)備來(lái)評(píng)估。通過(guò)對(duì)探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施加屏蔽,ACFM探測(cè)線圈對(duì)電磁干擾噪聲的敏感性可忽略不計(jì)。故評(píng)估ACFM檢測(cè)系統(tǒng)的敏感度通過(guò)評(píng)價(jià)ACFM信號(hào)處理電路模塊的敏感度來(lái)完成。ACFM信號(hào)處理電路模塊的敏感度由熱噪聲電壓Nv和電路的頻帶寬度B決定,表示為:式中,SV為以電壓表示的模擬電路敏感度;NV為熱噪聲電壓,一般取NV=2GV(GV為靈敏度);B為電路的頻帶寬度;K為與干擾有關(guān)的比例系數(shù)。針對(duì)ACFM信號(hào)處理模塊具有頻率選擇和相位選擇的特點(diǎn),式(5)修正為:式中,θ為參考信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差;T為相敏檢波的抑制比,定義相位差為θ與90°的電路輸出幅度之比。式(6)用dB形式表示為:一般地,取K=1,f(B)=B,NV=2GV,式(7)可變?yōu)?由ACFM信號(hào)處理電路模塊的頻率特性和相位特性的計(jì)算可知:B=8kHz,取θ=0°時(shí)相敏檢波電路抑制噪聲能力最強(qiáng),此時(shí)抑制比可達(dá)0.5,設(shè)備的靈敏度為-100dB。通過(guò)計(jì)算可得:ACFM信號(hào)處理電路模塊的敏感度為166.04dB,屬于中敏感設(shè)備。由于ACFM信號(hào)處理電路模塊是ACFM檢測(cè)系統(tǒng)中具有最高敏感度的設(shè)備,故ACFM檢測(cè)系統(tǒng)屬于中敏感設(shè)備,應(yīng)該加屏蔽保護(hù)層。4acfm電容性預(yù)測(cè)基于ACFM干擾源、傳輸函數(shù)、磁敏設(shè)備敏感度的分析,采用有限元分析軟件ANSYS建立ACFM電磁場(chǎng)數(shù)值模型來(lái)求解干擾源、干擾途徑的麥克斯韋電磁方程,結(jié)合電磁兼容性預(yù)測(cè)方程,實(shí)現(xiàn)ACFM檢測(cè)系統(tǒng)的電磁兼容性預(yù)測(cè)。通過(guò)上述ACFM電磁場(chǎng)數(shù)值模型和屏蔽層屏蔽效能的分析求出電磁干擾設(shè)備上的電磁干擾量,與ACFM磁敏設(shè)備的敏感度閾值相比較,完成ACFM電磁兼容性預(yù)測(cè)(如式(9))。式中,ΔA為干擾裕量;U(t,f,θ)為干擾源;SE(t,f,θ)為屏蔽效能;S(t,f,θ)為磁敏設(shè)備敏感度閾值。通過(guò)實(shí)際測(cè)量,激勵(lì)線圈在磁敏設(shè)備上的干擾感應(yīng)可達(dá)300mV,轉(zhuǎn)化dB形式取20lgU(t,f,θ)=49dB。另外,20lgSE(t,f,θ)=20dB;20lgS(t,f,θ)=166.04dB,可得:綜合式(9)和式(10)可得ΔA<0,則所設(shè)計(jì)的ACFM檢測(cè)系統(tǒng)滿足電磁兼容性要求。acfm激勵(lì)電磁的凈化效能在建立干擾源、傳輸函數(shù)、敏感度門限值模型的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模型分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法,基于干擾源、傳輸函數(shù)、敏感度的分析,完成對(duì)ACFM檢測(cè)系統(tǒng)的電磁兼容性預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下:(1)ACFM主要干擾源是ACFM激勵(lì)電磁場(chǎng),是頻率與ACFM工作頻率一致的諧性場(chǎng);另外由邊界不連續(xù)、材料不均勻等產(chǎn)生的高頻耦合電磁場(chǎng)也不能忽視,除此之外還需考慮自然環(huán)境電磁噪聲。(2)采用屏蔽效能可以綜合評(píng)估電磁干擾源與電磁敏感模塊之間的耦合作用,在探測(cè)線圈與激勵(lì)線圈之間加