單頻電磁渦流儀電路設(shè)計(jì)

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)論文單頻電磁渦流儀電路設(shè)計(jì)單頻電磁渦流儀電路設(shè)計(jì)摘要高度發(fā)展的社會(huì)，市場(chǎng)上對(duì)無(wú)損檢測(cè)的要求是越來(lái)越高，無(wú)損檢測(cè)的研究也是越來(lái)越深入。本文研究的單頻電磁渦流儀是希望能夠深入了解渦流檢測(cè)而開展的。本文設(shè)計(jì)基于阻抗分析法的電橋式渦流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材質(zhì)表面以及近表面的缺陷檢測(cè)，在進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試以及改變探頭類型及其參數(shù)實(shí)現(xiàn)多平面多類型的檢測(cè)。本文對(duì)渦流檢測(cè)儀器硬件設(shè)計(jì)中進(jìn)行傳感器探頭設(shè)計(jì)以及整體電路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)中包括電源模塊，激勵(lì)信號(hào)處理模塊，多路復(fù)用電路模塊，自動(dòng)平衡模塊，采集信號(hào)放大模塊，其中信號(hào)處理采用MFLI鎖相放大器，控制部分采用NImyRIO控制卡。對(duì)于渦流檢測(cè)儀器軟件設(shè)計(jì)中，利用LabVIEW對(duì)MFLI鎖相放大器以及NImyRIO控制卡進(jìn)行編程控制，對(duì)于采集到的信號(hào)進(jìn)行平衡與分析，最后將采集到的信號(hào)處理為阻抗圖，以阻抗圖作為檢測(cè)結(jié)果的顯示。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)激勵(lì)以及數(shù)據(jù)采集利用MFLI鎖相放大器在中低頻率穩(wěn)定的輸出以及輸入分析功能。利用鎖相放大器結(jié)合穩(wěn)定的電路設(shè)計(jì)，在LabVIEW軟件上進(jìn)行編程設(shè)計(jì)一套渦流檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)試頻率參數(shù)以及自動(dòng)信號(hào)采集、分析、處理與顯示。關(guān)鍵詞：渦流檢測(cè)；陣列渦流；電橋平衡：阻抗分析；數(shù)據(jù)采集；Single-frequencyelectromagneticeddycurrentcircuitdesignAbstractInahighlydevelopedsociety,therequirementsfornon-destructivetestinginthemarketaregettinghigherandhigher,andtheresearchonnon-destructivetestingisbecomingmoreandmorein-depth.Thesingle-frequencyelectromagneticeddycurrentinstrumentstudiedinthispaperishopedtobeabletounderstandeddycurrenttestingindepth.Inthispaper,abridge-typeeddycurrenttestbasedonimpedanceanalysismethodisdesignedtodetectdefectsonthesurfaceandnearsurfaceoftheconductivematerial,andfurtherdebuggingandchangingtheprobetypeanditsparameterstorealizemulti-planeandmulti-typedetection.Inthispaper,thedesignofthesensorprobeandtheoverallcircuitdesignarecarriedoutinthehardwaredesignoftheeddycurrenttestinginstrument.Thecircuitdesignincludesthepowersupplymodule,theexcitationsignalprocessingmodule,themultiplexingcircuitmodule,theautomaticbalancingmodule,andtheacquisitionsignalamplificationmodule.ThesignalprocessingusesMFLIForthelock-inamplifier,thecontrolpartadoptsNImyRIOcontrolcard.Forthedesignoftheeddycurrenttestinginstrumentsoftware,LabVIEWisusedtoprogramandcontroltheMFLIlock-inamplifierandtheNImyRIOcontrolcard,andthecollectedsignalsarebalancedandanalyzed.Finally,thecollectedsignalsareprocessedintoimpedancegraphs,andtheimpedancegraphsareusedasdetectionThedisplayofresults.ThesignalexcitationanddataacquisitioninthisdesignusetheMFLIlock-inamplifier'sstableoutputandinputanalysisfunctionsatlowandmediumfrequencies.Usingalock-inamplifiercombinedwithastablecircuitdesign,asetofeddycurrenttestingsystemisprogrammedonLabVIEWsoftware.Thesystemimplementstunablefrequencyparametersandautomaticsignalacquisition,analysis,processinganddisplay.Keywords:Eddycurrentdetection;arrayeddycurrent;bridgebalance:impedanceanalysis;dataacquisition;目錄1引言 11.1無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述 11.2渦流檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀 21.3課題研究?jī)?nèi)容 22.渦流檢測(cè)基本原理分析以及系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 22.1渦流檢測(cè)的基本原理 22.2阻抗平面分析法及線圈阻抗分析 32.2.1阻抗平面分析法 42.2.2線圈阻抗分析 42.3渦流檢測(cè)儀器的結(jié)構(gòu) 42.4系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 43渦流檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì) 53.1渦流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 53.1.1電源模塊 53.1.2探頭及其采集模塊 63.1.3信號(hào)放大模塊 73.2渦流檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì) 83.3渦流檢測(cè)采集電路設(shè)計(jì) 93.3.1鎖相放大器功能介紹 93.3.2鎖相放大器使用方法介紹 104渦流檢測(cè)軟件設(shè)計(jì) 104.1激勵(lì)信號(hào)采集對(duì)比 104.2采集信號(hào)處理 104.3基于Labview的軟件編程 104.3.1控制卡部分編程 104.3.2采集信號(hào)的平衡. 114.3.3采集信號(hào)的分析 124.3.4檢測(cè)結(jié)果的顯示 125渦流檢測(cè)裝置的組裝與檢測(cè)分析 135.1檢測(cè)裝置的組裝 135.2渦流檢測(cè)結(jié)果分析 146結(jié)論 15參考文獻(xiàn) 16致謝 17引言無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)形成了五大常規(guī)檢測(cè)，分別為超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)。本文研究的就是渦流檢測(cè)的儀器開發(fā)，本文研究目的是設(shè)計(jì)可進(jìn)行多種探頭組合以及可調(diào)控的參數(shù)下的渦流檢測(cè)儀器，在渦流檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)中進(jìn)行深一步學(xué)習(xí)。1.1無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述無(wú)損檢測(cè)是指在對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不影響被檢測(cè)物體的使用性能以及不破壞組織內(nèi)部分布。無(wú)損檢測(cè)能夠檢測(cè)出被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部是否存在有缺陷或組織上是否有差異。無(wú)損檢測(cè)在工業(yè)、航天航空、生物工程以及醫(yī)療診斷上都是不可或缺的，也在這些方面獲得也極大的重視和發(fā)展。超聲檢測(cè)利用超聲波的反射特性，超聲波在傳播過(guò)程中遇到界面會(huì)發(fā)生反射，使用壓電晶片可以將反射回波激發(fā)成電信號(hào)，對(duì)這一電信號(hào)進(jìn)行分析可以知道到被檢測(cè)物體的缺陷或某些物理特性。超聲檢測(cè)在工業(yè)上應(yīng)用范圍廣泛，而且在發(fā)展中形成了新的檢測(cè)技術(shù)，例如相控陣超聲檢測(cè)，TOFT檢測(cè)技術(shù)等。射線檢測(cè)利用射線經(jīng)過(guò)被檢測(cè)對(duì)象各部分后的強(qiáng)度衰減的不同對(duì)其進(jìn)行分析以及評(píng)定。當(dāng)射線經(jīng)過(guò)被檢測(cè)對(duì)象后投射到膠片上時(shí)，會(huì)在膠片上產(chǎn)生不同程度的曝光。經(jīng)過(guò)顯影后，可以在膠片上觀測(cè)到被檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部情況，分析膠片可以得到被檢測(cè)工件的材質(zhì)變化、厚度變化及缺陷情況。射線檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果顯示在膠片上，具備長(zhǎng)期保存可查的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上使用范圍較為廣泛。缺點(diǎn)之一是其對(duì)人體的危害較大。所以為了提高安全性，市場(chǎng)也在尋找可以替代射線檢測(cè)的檢測(cè)新技術(shù)。磁粉檢測(cè)是利用磁化現(xiàn)象，被檢測(cè)對(duì)象被磁場(chǎng)磁化后，表面或近表面在出現(xiàn)缺陷或者不連續(xù)性且與磁化方向存在角度就會(huì)出現(xiàn)漏磁場(chǎng)。利用磁粉或者磁懸液噴灑在被檢測(cè)對(duì)象上就可以顯示出不連續(xù)性的痕跡。磁粉檢測(cè)是為了檢測(cè)表面以及近表面肉眼不可直接觀察的缺陷，靈敏度隨著缺陷的深度的提高而下降，且局限于鐵磁性材料的工件檢測(cè)。是工業(yè)上表面檢測(cè)的較為廣泛的檢測(cè)方法。滲透檢測(cè)利用液體的毛細(xì)管作用，也就是在施加熒光滲透液或著色滲透液時(shí)，在狹窄縫隙處會(huì)進(jìn)行滲透留在缺陷位置。去除表面多余的滲透液后施加顯示劑會(huì)顯示出缺陷痕跡，這是放大后的缺陷形狀。滲透檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)方式簡(jiǎn)單明了，成本也相對(duì)較低。缺點(diǎn)是只能在表面開口處檢測(cè)，滲透液對(duì)某些材質(zhì)可能具有腐蝕性等。渦流檢測(cè)是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也就是當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生漩渦狀流動(dòng)的電流，稱為電渦流。在產(chǎn)生這一電渦流的同時(shí)，磁場(chǎng)必然消耗自身的部分磁場(chǎng)能量，當(dāng)磁場(chǎng)的變化是由通電線圈產(chǎn)生的時(shí)候，這一部分消耗將使線圈阻抗發(fā)生變化，采集這一變化就可以分析到被檢測(cè)對(duì)象表面以及近表面的缺陷。渦流檢測(cè)具備的優(yōu)點(diǎn)很多，它不需要耦合劑、檢測(cè)速度快以及靈敏度高等。缺點(diǎn)是檢測(cè)對(duì)象只限于導(dǎo)電材質(zhì)以及檢測(cè)深度有限等。相對(duì)于磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)，渦流檢測(cè)不需要使用磁懸液或者滲透液，這可以減少環(huán)境的污染，且渦流檢測(cè)的靈敏度更高。渦流檢測(cè)由于依據(jù)電信號(hào)進(jìn)行分析，相對(duì)于其他更容易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)化檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。1.2渦流檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)渦流檢測(cè)的研究也是越來(lái)越深入。2004年，在法國(guó)的兩家公司聯(lián)手開發(fā)了一套無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(CODECI)，它是結(jié)合陣列排布線圈與電荷藕合器件圖像傳感器的完整系統(tǒng)[1]。2016年，在研究設(shè)計(jì)掃頻渦流儀方面，廈門的愛德森電子有限公司取得了重大進(jìn)展，基于渦流阻抗平面的掃頻檢測(cè)最高頻率已達(dá)到30MHz，極大地提高了儀器的檢測(cè)能力，在對(duì)檢測(cè)精度提出更高要求的航空、航天、核工程領(lǐng)域中，能夠有效地解決精度這一難題[2]。1.3課題研究?jī)?nèi)容本文中單頻電磁渦流儀電路設(shè)計(jì)是基于渦流檢測(cè)技術(shù)、陣列渦流技術(shù)、以及MFLI鎖相放大器實(shí)現(xiàn)在多種簡(jiǎn)單平面的渦流檢測(cè)。MFLI鎖相放大器在中低頻率穩(wěn)定的輸出以及輸入分析功能與圖形化編程軟件LabVIEW結(jié)合后，可以形成穩(wěn)定的渦流檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)。此渦流檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)為檢測(cè)不同深度的缺陷，具備著可調(diào)節(jié)頻率（500KHz-5MHz）的參數(shù)設(shè)置，在顯示上以單組探頭獨(dú)立顯示從而得到缺陷的具體定位。設(shè)想在探頭組數(shù)與固定設(shè)備達(dá)到最大結(jié)合率時(shí)可以得到較高效率的陣列渦流檢測(cè)儀器。設(shè)計(jì)出合理的探頭的參數(shù)，達(dá)到檢測(cè)需要的高效傳感器作用，在這一部分上實(shí)現(xiàn)精度的追求。本設(shè)計(jì)中，初步以實(shí)現(xiàn)六組探頭的水平面的渦流檢測(cè)，在這一基礎(chǔ)上將探頭改變?yōu)楦嘟M以及改變?yōu)槿嵝蕴筋^實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的渦流檢測(cè)。本文主要將硬件部分設(shè)計(jì)進(jìn)行分析以及研究，進(jìn)行低成本的實(shí)驗(yàn)以及改良。2渦流檢測(cè)基本原理分析以及系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1渦流檢測(cè)的基本原理渦流檢測(cè)主要依靠的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在變化的磁場(chǎng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生漩渦狀流動(dòng)的電流，稱為電渦流。在產(chǎn)生這一電渦流的同時(shí)，磁場(chǎng)必然消耗自身的部分磁場(chǎng)能量，當(dāng)磁場(chǎng)的變化是由通電線圈產(chǎn)生的時(shí)候，這一部分消耗將使線圈阻抗發(fā)生變化，這就是渦流檢測(cè)所依據(jù)的定理，如圖2.1所示。圖2.1渦流檢測(cè)原理示意圖當(dāng)通交流電的線圈在被檢測(cè)工件上移動(dòng)的時(shí)候，理論上在參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，工件上產(chǎn)生的渦流所引起線圈阻抗的變化應(yīng)該是一定的。如果在工件上發(fā)現(xiàn)阻抗再次發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明工件的內(nèi)部材質(zhì)或者是形態(tài)上發(fā)生了變化，由此改變了工件的電導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率。由此可以判斷工件自身的變化，這就是渦流檢測(cè)的過(guò)程，如圖2.2所示。圖2.2渦流檢測(cè)的信號(hào)變化圖渦流檢測(cè)的局限在于表面以及近表面的檢測(cè)，這是因?yàn)橼吥w效應(yīng)。趨膚效應(yīng)是指金屬試件中感生出的渦流會(huì)集中分布在金屬表面的一種現(xiàn)象。造成趨膚效應(yīng)的主要原因是金屬中心與表面的電感大小有區(qū)別，而電流會(huì)選擇從電感小的地方流過(guò)，特別是隨著渦流頻率的增大，金屬中心的電感會(huì)愈發(fā)增大，因此渦流也會(huì)愈發(fā)集中在金屬表面[3]。2.2阻抗平面分析法及線圈阻抗分析2.2.1阻抗平面分析法本次設(shè)計(jì)主要使用阻抗平面分析法。渦流檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)線圈部分的阻抗由自身阻抗以及產(chǎn)生渦流后反饋過(guò)來(lái)的阻抗形成，當(dāng)我們分析線圈阻抗變化時(shí)，實(shí)際上是分析渦流反饋那一部分阻抗。例如，當(dāng)渦流檢測(cè)時(shí)使用正弦電源激勵(lì)，探頭在工件表面移動(dòng)，隨著工件材料特性的變化，探頭的阻抗也發(fā)生變化，此時(shí)阻抗變化代表著材料特性的變化。此時(shí)渦流感應(yīng)影響到線圈阻抗的相位以及大小的變化。因此為了了解渦流檢測(cè)中被檢對(duì)象的某些性質(zhì)與檢測(cè)線圈的電氣參數(shù)間的聯(lián)系就需要對(duì)檢測(cè)線圈進(jìn)行阻抗分析。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，阻抗分析法將線圈的阻抗數(shù)據(jù)采集出來(lái)，在檢測(cè)過(guò)程中觀察線圈阻抗的變化情況。但是線圈的阻抗變化牽扯的因素太多太雜，所以在阻抗分析法中需要控制其他變量的影響，用抵消或者固定等方法進(jìn)行控制。2.2.2線圈阻抗分析在交流電路中，串聯(lián)電路上的電壓由自身阻抗與總阻抗的關(guān)系決定，在串聯(lián)電路上的電壓變化與阻抗的變化相似，根據(jù)這一規(guī)律，我們可以在渦流感應(yīng)引起阻抗變化時(shí)，這一步變化的阻抗與總阻抗也是密切關(guān)系著的。線圈阻抗由三個(gè)部分組合而成。第一部分是由線圈本身的電阻以及電感，還有各匝線圈之間的電容組合而成，第二部分是由不同線圈之間相互影響產(chǎn)生的阻抗變化，第三部分是在渦流檢測(cè)過(guò)程中工件表面渦流效應(yīng)對(duì)線圈阻抗產(chǎn)生變化。在這一基礎(chǔ)上分析，可以知道聯(lián)立這三部分可以得到線圈的阻抗變化公式，在這一基礎(chǔ)上對(duì)影響線圈阻抗變化各個(gè)因素進(jìn)行對(duì)比，可以分離出各個(gè)因素對(duì)線圈阻抗影響效果。2.3渦流檢測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)渦流傳感器（探頭）是依照檢測(cè)對(duì)象以及用途設(shè)計(jì)的，其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也因此大不相同，種類繁多。但是不管是哪一種渦流傳感器的結(jié)構(gòu)都是以激勵(lì)繞組、檢測(cè)繞組及其支架和外殼組成，根據(jù)需求，有一些還有磁芯、磁飽和器等。渦流傳感器的主要作用其一是在被檢測(cè)工件上建立一個(gè)或者多個(gè)交變的磁場(chǎng)，使得工件能夠產(chǎn)生渦流感應(yīng)。其二是在工件產(chǎn)生渦流感應(yīng)的情況下，采集到工件渦流感應(yīng)的信息，也就是采集工件材質(zhì)，質(zhì)量信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)給予儀器分析評(píng)價(jià)。在這兩個(gè)作用下，以及傳感器精確作用下，可以采集組成一個(gè)大數(shù)據(jù)庫(kù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)下便進(jìn)行多種判斷。例如，對(duì)工件表面涂層厚度的檢測(cè)，以及表面以及近表面的探傷或者是對(duì)某些標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別。渦流傳感器的主要類型為內(nèi)穿過(guò)式、外穿過(guò)式和點(diǎn)式探頭。本次設(shè)計(jì)基于表面以及近表面簡(jiǎn)單多平面的檢測(cè)，選擇使用點(diǎn)式陣列渦流傳感器，在條件穩(wěn)定以及理想的情況下，對(duì)渦流傳感器的信息變化分析便是對(duì)工件的具體情況的分析。2.4系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基于渦流檢測(cè)的原理以及對(duì)電路設(shè)計(jì)的理解，本次設(shè)計(jì)以檢測(cè)金屬導(dǎo)體表面以及近表面的缺陷為目的，在保證缺陷的檢出的同時(shí)進(jìn)行多方面提升，在探頭部分以及軟件上進(jìn)行研究。本文設(shè)計(jì)的陣列渦流儀器，利用以兩個(gè)電感線圈為一組，組內(nèi)電感線圈之間的渦流感應(yīng)差異組成差分電路來(lái)進(jìn)行探測(cè)，使用差分電路是為了保證缺陷的檢出，差分電路在電橋平衡下可以排除線圈自身其他因素的干擾。當(dāng)兩個(gè)電感線圈間的差異發(fā)生波動(dòng)時(shí)，即說(shuō)明此時(shí)的渦流存在變化，提取這一差異信號(hào)作為被測(cè)對(duì)象分析方向。在這一基礎(chǔ)上，添加組數(shù)可以提高檢測(cè)效率。如果同時(shí)讓電感組啟動(dòng)檢測(cè)，電感組之間會(huì)帶有一定的相互影響，所以要加上一個(gè)多路復(fù)用芯片，使電感組以一定可控可觀測(cè)的周期進(jìn)行輪流啟動(dòng)。利用軟件編程使電感組的檢測(cè)以可控可觀測(cè)的時(shí)間差進(jìn)行調(diào)試，可以得到對(duì)應(yīng)組數(shù)信息，這一信息是電感的微妙變化，需要進(jìn)行信號(hào)放大后才能得以利用，所以在后面再加上一個(gè)放大芯片，這樣經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)可以更加明顯，出來(lái)既是檢測(cè)結(jié)果，最后顯示為阻抗分析圖。3渦流檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)為了集成整體電路，對(duì)電源以及檢測(cè)和采集部分都進(jìn)行了設(shè)計(jì)。檢測(cè)電路部分分為電源模塊、探頭及其采集模塊、信號(hào)放大模塊。此外還有渦流檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì)和渦流檢測(cè)采集電路設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)上為了高包容性，沒(méi)有對(duì)檢測(cè)電路做出針對(duì)性的設(shè)計(jì)，而是為了之后可以更換多種類型探頭留下了可控空間。3.1渦流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本部分是電源模塊、探頭及其采集模塊、信號(hào)放大模塊的設(shè)計(jì)，這一部分是固定在檢測(cè)過(guò)程中，一般不需要對(duì)其進(jìn)行變動(dòng)。3.1.1電源模塊本文設(shè)計(jì)中，各類芯片需要供電電壓不同，且為了電壓的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為一個(gè)電源模塊，利用各類穩(wěn)壓器串聯(lián)為可提供不同的電源的電源模塊。分為高點(diǎn)位部分（+12V、+5V）與低點(diǎn)位（-12V、-5V）。具體設(shè)計(jì)方案為24V的電源適配器輸入24V的直流電，經(jīng)兩個(gè)DC-DC模塊分別得到±12V和±5V的供電，其中±12V的電源主要用來(lái)為多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A）進(jìn)行供電，+12V用來(lái)為差動(dòng)放大器AD620芯片供電，如圖3.1所示。電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響很大，紋波大的電源將會(huì)給整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)引進(jìn)噪聲，影響檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性，必須加以重視[3]。圖3.1電源模塊電路圖3.1.2探頭及其采集模塊渦流傳感器探頭以及采集模塊的設(shè)計(jì)是利用差分電路將單組探頭進(jìn)行組合檢測(cè)。每一組探頭由兩個(gè)線圈組成，當(dāng)使用差分電路時(shí)，此時(shí)的兩個(gè)線圈是激勵(lì)線圈也是檢測(cè)線圈，采集的信號(hào)是兩個(gè)線圈之間的電信號(hào)變化，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)加在線圈上時(shí)，兩個(gè)參數(shù)相同的線圈會(huì)產(chǎn)生相同的反應(yīng)。同時(shí)兩個(gè)線圈對(duì)正常工件以及相互影響下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，檢測(cè)過(guò)程就是在找尋打破這個(gè)平衡的工件位置，如圖3.2所示。本次設(shè)計(jì)是利用多組探頭，而這些探頭是依組進(jìn)行檢測(cè)，而且這個(gè)組數(shù)是可調(diào)可控的，如圖3.3所示。探頭為硬件的核心，本設(shè)計(jì)主要依靠探頭的穩(wěn)定變化進(jìn)行，設(shè)計(jì)中采用的探頭以固定的電感進(jìn)行匹配以及進(jìn)行檢測(cè)，但激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)電感時(shí)，電感會(huì)在被檢測(cè)對(duì)象上產(chǎn)生渦流。而被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織以及表面不連續(xù)性會(huì)影響電感對(duì)其的渦流形態(tài)。本次設(shè)計(jì)嘗試以六個(gè)電感組固定后進(jìn)行檢測(cè)，用于檢測(cè)水平面類型的渦流檢測(cè)，如圖3.4所示。激勵(lì)部分和采集部分利用鎖相放大器自身的功能進(jìn)行檢測(cè)，如圖3.5所示。圖3.2單探頭電路圖圖3.3多組探頭電路圖圖3.4多組探頭實(shí)物圖圖3.5MFLI鎖相放大器3.1.3信號(hào)放大模塊當(dāng)探頭組的信號(hào)出現(xiàn)明顯異常時(shí)，這個(gè)電信號(hào)代表著就是工件的特性或者缺陷。而這個(gè)信號(hào)往往是非常小的，無(wú)法直接處理分析。所以，在采取反饋的阻抗信號(hào)時(shí)，需要在后面加上一個(gè)信號(hào)放大器，這樣才可以得到更加明顯的阻抗信息。AD620芯片是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1至10000。引腳圖，如圖3.6所示。信號(hào)放大模塊利用差動(dòng)放大器AD620芯片進(jìn)行信號(hào)放大，其中放大倍數(shù)為20倍。在AD620的芯片上，采用了2K歐的控制電阻，以及使用±15V的電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可以知道本信號(hào)放大模塊的放大倍數(shù)為20倍，本設(shè)計(jì)中，除了運(yùn)用差動(dòng)放大器對(duì)兩個(gè)電感（傳感器）的渦流信號(hào)差異進(jìn)行放大外，設(shè)想于更加穩(wěn)定的信號(hào)放大，在輸出端設(shè)立電容以及二極管進(jìn)行穩(wěn)定電路設(shè)計(jì)，如圖3.7所示。圖3.6AD620芯片引腳圖圖3.7AD620芯片電路圖3.2渦流檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，使用的是多組探頭依次進(jìn)行工作，這就需要一個(gè)控制端來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)。本設(shè)計(jì)中是使用多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A）的控制引腳上連接（NImyrio）控制器進(jìn)行控制，如圖3.8所示。多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A）是8位的集成芯片，只需要在控制引腳端輸入對(duì)應(yīng)的高低電水平信息，就可以在控制對(duì)應(yīng)的輸入輸出端的聯(lián)通。渦流檢測(cè)的控制電路，主要是基于陣列渦流探頭需要進(jìn)行周期性變換檢測(cè)而設(shè)立的。在這一部分中，本設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A），控制對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電感傳感器為一組的電感組進(jìn)行檢測(cè)。其中多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A）的控制引腳與控制器（NImyrio）進(jìn)行連接配合。而每探頭組分別與兩個(gè)芯片相同對(duì)應(yīng)端口進(jìn)行連接，此時(shí)只需要給予芯片對(duì)應(yīng)高電位信息就可以實(shí)現(xiàn)探頭組的檢測(cè)。此時(shí)電路的正常使用還需要通過(guò)軟件編程才能達(dá)到檢測(cè)效果。圖3.8多路復(fù)用電路芯片引腳圖3.3渦流檢測(cè)采集電路設(shè)計(jì)渦流檢測(cè)過(guò)程中，提取出來(lái)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后可以進(jìn)行分析處理，而本設(shè)計(jì)在這一部分使用了MFLI鎖相放大器代替了信號(hào)的發(fā)生以及信號(hào)的提取轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)使用鎖相放大器的信號(hào)采集以及信號(hào)對(duì)比功能，將經(jīng)過(guò)信號(hào)放大模塊的輸出信號(hào)通過(guò)鎖相放大器，并與激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行匹配頻率后進(jìn)行篩選正確信號(hào)，從而使的采集信號(hào)更為準(zhǔn)確。3.3.1鎖相放大器功能介紹本設(shè)計(jì)使用的是瑞士蘇黎世儀器公司(ZurichInstruments)開發(fā)的MFLI鎖相放大器,它除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析外，還具備著穩(wěn)定的中低頻的信號(hào)輸出。輸出信號(hào)波形、頻率以及大小都是可調(diào)的，本設(shè)計(jì)中的激勵(lì)信號(hào)使用的就是MFLI鎖相放大器的穩(wěn)定信號(hào)輸出。由此本設(shè)計(jì)中的單頻電磁渦流檢測(cè)儀使用MFLI鎖相放大器后可以做到使用不同頻率來(lái)檢測(cè)不同深度缺陷。這一功能是讓設(shè)計(jì)能夠順利進(jìn)行的重點(diǎn)，也是讓設(shè)計(jì)實(shí)施范圍更加開闊的點(diǎn)睛之筆。MFLI鎖相放大器的信號(hào)采集功能非常強(qiáng)大，除了能對(duì)輸入信號(hào)分析得到信號(hào)的完整信息外，還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行降低干擾的處理。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程上，干擾信號(hào)的產(chǎn)生是不可避免的，而這些干擾信號(hào)極大的影響了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。所以說(shuō)MFLI鎖相放大器的這一功能為本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠具備穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.3.2鎖相放大器使用方法介紹MFLI鎖相放大器在本設(shè)計(jì)中作為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器以及信號(hào)采集器。作為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器時(shí)，將MFLI鎖相放大器輸出端口連接到線圈激勵(lì)輸入端，利用鎖相放大器自帶的操作系統(tǒng)就可以自由改變激勵(lì)信號(hào)的波形、頻率以及大小。作為信號(hào)采集器時(shí)，將放大信號(hào)以及原始激勵(lì)信號(hào)連接到MFLI鎖相放大器的輸入端和對(duì)比信號(hào)端，MFLI鎖相放大器會(huì)對(duì)輸入信號(hào)與對(duì)比信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，將不在理論范圍內(nèi)的頻率變化剔除，剩下的信號(hào)就是本設(shè)計(jì)中研究的阻抗變化信號(hào)了。MFLI鎖相放大器在本設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)開始的激勵(lì)信號(hào)器，也是匯總電路變化的信號(hào)采集器。4渦流檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)4.1激勵(lì)信號(hào)采集對(duì)比信號(hào)采集得到電感組內(nèi)兩電感傳感器之間的感應(yīng)的渦流差異，這一信號(hào)由于是同一激勵(lì)信號(hào)，得到后的頻率不會(huì)發(fā)生改變，我們可以經(jīng)過(guò)電路后采集到信號(hào)的大小以及相位。這一切都是通過(guò)鎖相放大器后得到的直接數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)與激勵(lì)信號(hào)采集進(jìn)行對(duì)比，可以過(guò)濾一些偏差過(guò)大的虛假信號(hào)。4.2采集信號(hào)處理采集到的信號(hào)通過(guò)鎖相放大器后變?yōu)橹苯拥哪M數(shù)據(jù)（X分量，Y分量，σ角度）。而這些信號(hào)在初始狀態(tài)下并不為0，所以對(duì)于這一信號(hào)的處理需要提前在無(wú)缺陷處進(jìn)行置零處理。將被測(cè)對(duì)象的無(wú)異常部分下采集到的信號(hào)置為零點(diǎn)。4.3基于Labview的軟件編程4.3.1控制卡部分編程多路復(fù)用芯片的控制引腳需要輸入正確的電水平信號(hào)，而這一部分的輸入由控制卡（NImyrio）產(chǎn)生。在軟件編程上，我們只需要對(duì)控制卡（NImyrio）寫入三個(gè)端口的電水平控制以及一個(gè)低點(diǎn)位的端口?？刂瓶ǎ∟Imyrio）是控制電感組的交替作用，這一部分編程需要提前在信號(hào)采集前控制且采集時(shí)不可以變動(dòng)，那么在編程上直接將這一部分置于最前端且將采集信號(hào)的部分寫于控制部分下的子函數(shù)，以達(dá)到信號(hào)未采集前能得到穩(wěn)定的控制，如圖4.1所示。這一部分只需要控制卡（NImyrio）的四個(gè)引腳。本設(shè)計(jì)是利用LabVIEW寫入一個(gè)布爾，布爾打開時(shí)即為輸入高點(diǎn)位，關(guān)閉便是輸入低點(diǎn)位，如圖4.2所示。圖4.1控制卡（NImyrio）圖4.2控制卡部分編程圖4.3.2采集信號(hào)的平衡采集信號(hào)的初始狀態(tài)以及電路都無(wú)法達(dá)到理論狀態(tài)，在這一步需要另外設(shè)置零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，平衡信號(hào)編程需要與檢測(cè)過(guò)程中在穩(wěn)定檢測(cè)上無(wú)異常階段進(jìn)行采集無(wú)異常的信號(hào)作為初始狀態(tài)，并以這一信號(hào)為零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。這一部分編程需要與采集信號(hào)配合，編程基于采集信號(hào)后進(jìn)行加工。編程后需要將探頭放在無(wú)異常的工件位置，然后使其渦流感應(yīng)發(fā)生后對(duì)線圈產(chǎn)生影響，此時(shí)線圈的電信號(hào)就是平衡位置的信號(hào)。然后我們?cè)跍u流檢測(cè)平臺(tái)上的顯示板點(diǎn)擊平衡，此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)編程過(guò)程將記錄此時(shí)信號(hào)為零點(diǎn)。這便是平衡信號(hào)的編程思路，如圖4.3所示。圖4.3平衡部分示意圖4.3.3采集信號(hào)的分析采集信號(hào)與零點(diǎn)對(duì)比后，就是被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中在采集信號(hào)與零點(diǎn)對(duì)比后，可以得到不同數(shù)據(jù)（X分量，Y分量，σ角度）。這一部分編程寫于采集信號(hào)后，并用變量進(jìn)行儲(chǔ)存，如圖4.4所示。圖4.4采集信號(hào)編程部分4.3.4檢測(cè)結(jié)果的顯示檢測(cè)結(jié)果顯示用阻抗圖進(jìn)行分析，這一部分不直接顯示模擬數(shù)字量是防止數(shù)字量難以進(jìn)行觀察以及難以對(duì)比。顯示部分直接將對(duì)比后的信號(hào)數(shù)據(jù)（X分量，Y分量，σ角度）在阻抗分析圖上進(jìn)行顯示，其中顯示部分編程需要對(duì)比信號(hào)采集后所儲(chǔ)存的變量，但又不能慢于控制端對(duì)于新采集信號(hào)的控制。總體上需要以顯示結(jié)果后在進(jìn)行周期變換，如圖4.5、圖4.6所示。圖4.5測(cè)試編程系統(tǒng)平面圖4.5完整編程系統(tǒng)平面5渦流檢測(cè)裝置的組裝與檢測(cè)分析5.1檢測(cè)裝置的組裝本設(shè)計(jì)中，電路部分直接將芯片以及電感傳感器集合一塊電路板上。而電源模塊、控制器模塊以及鎖相放大器部分都是單獨(dú)的一部分。集成電板是將芯片以及電感傳感器焊接到電路板時(shí)，電源模塊直接依據(jù)電路原理圖焊接到另一塊電路板上，布置焊接軌跡是遵循基本電路的原則。焊接后的集成電板需要連接的供電線以及信號(hào)輸入輸出部分引線，這一部分引線牽引至電路板一邊。這一部分的引線分別接入電源模塊、控制器模塊以及鎖相放大器的輸入端。這一部分的組裝由于使用集成電路，并沒(méi)有過(guò)多的部分需要連接，如圖5.1所示。圖5.1單頻電磁渦流裝置實(shí)物圖5.2渦流檢測(cè)結(jié)果分析本次設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)部分由淺入深，在組裝好的第一步檢驗(yàn)是檢驗(yàn)渦流探頭的傳感器作用，分別對(duì)每個(gè)探頭進(jìn)行不同測(cè)試，直接將磁場(chǎng)放置于探頭放置處等。第二步檢驗(yàn)，測(cè)試在工件的不連續(xù)性上是否可以檢測(cè)出阻抗的變化，以及每組探頭的顯示是否正常，如圖5.2所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠穩(wěn)定的出現(xiàn)缺陷位置的阻抗變化后，在MFLI鎖相放大器上改變輸出的激勵(lì)信號(hào)的頻率以及大小，在不同深度缺陷位置進(jìn)行多次調(diào)試。在這一過(guò)程上，不斷的實(shí)驗(yàn)收集不同頻率對(duì)應(yīng)的最佳深度顯示情況。制作出最佳的檢測(cè)方案。綜合來(lái)說(shuō)，本次單頻電磁渦流檢測(cè)儀電路設(shè)計(jì)在渦流檢測(cè)試塊上進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果十分明顯，說(shuō)明單頻電磁渦流檢測(cè)儀電路設(shè)計(jì)是具備檢測(cè)功能的。圖5.2單頻電磁渦流檢測(cè)系統(tǒng)平面6結(jié)論本設(shè)計(jì)單頻電磁渦流儀電路設(shè)計(jì)使用了電阻、電容、線圈、AD620芯片、多路復(fù)用電路芯片（DG508ACJZVO801A25A）、控制卡（NImyrio）以及MFLI鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)了在簡(jiǎn)單平面上進(jìn)行的渦流檢測(cè)。在學(xué)習(xí)渦流檢測(cè)技術(shù)以及實(shí)施電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了渦流檢測(cè)依靠的電磁感應(yīng)并非那么難以觸及的。將不可直接探索的信息轉(zhuǎn)化為可以分析的電信號(hào)或者是變成模擬信號(hào)時(shí)，可能發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)代表的不只是信號(hào)本身，也可能是某些材質(zhì)特性的反饋。善于分析這些可觀測(cè)的信息，可以知道不可直接觀測(cè)的某些特性。本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由于疫情沒(méi)能實(shí)施大范圍的擴(kuò)展，但是在水平面的渦流檢測(cè)實(shí)行了一小部分，足以說(shuō)明本次單頻電磁渦流儀電路設(shè)計(jì)是可行的。在多路復(fù)用電路芯