專利名稱：Acfm數字化檢測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測儀,尤其涉及一種ACFM數字化檢測儀。
背景技術：
近年來，在渦流檢測和漏磁檢測的基礎上，發展起來一種新的無損檢測技術一擾動磁場檢測技術(Alternating Current Field Measurement,簡稱ACFM)。該技術利用導電材料在交變電流作用下，材料中的缺陷裂紋將改變其周圍的感應電流的分布，從而改變鐵磁試件表面感應磁場的分布。通過測量表面感應磁場分布的變化，并根據數學模型的反演，檢測確定裂紋缺陷的長度和深度特征。
金屬材料大量作為受力構件使用，廣泛應用于航空航天、電力、鐵路、壓力容器等行業。構件在使用過程中，在應力腐蝕、疲勞載荷、內部工作介質或外部工作環境的作用下， 易在開槽、空洞、疏松、應力集中處，和焊縫及其熱影響區域產生表面裂紋。裂紋缺陷是金屬構件的一種主要損傷形式，裂紋尺寸是評價構件安全可靠性的重要參數。因此在對構件進行無損檢測時能快速、方便、準確地檢測出裂紋等缺陷，并能進行精確地定量表征，對于預防構件的斷裂故障和防止重大惡性事故的發生具有重要意義。
傳統的無損檢測方法如磁粉檢測和滲透檢測，其檢測靈敏度較高，但它們對構件表面要求較高，需要對表面進行除漆等清理工作，增加了大量的檢修工時和作業量；超聲檢測則因為構件表面粗糙不平而聲耦合較差，使得準確定量檢測比較困難；渦流檢測實現了非接觸檢測，無需耦合介質，但由于影響檢測信號因素較多，對檢測人員素質要求高，易造成漏判或誤判，影響檢測質量。擾動磁場檢測技術是一種新的檢測技術，該方法檢測速度快、精度高，定性、定量檢測一次完成，能實現非接觸檢測，無需清理金屬表面的油漆和涂層，同時不需要標定試塊，具有傳統無損檢測方法無法比擬的優點。研制新的擾動磁場檢測儀將具有廣闊的應用前景。
ACFM技術是從交流電壓降測量法(ACPD)發展而來的。英國倫敦大學無損檢測中心為了克服Acro法要求探頭和工件間要求良好接觸等的缺點和不足，提出了通過交流電磁場的感應，測定表面感應磁場的變化(擾動磁場)來檢測工件缺陷的新思路(ACFM方法)。隨后，英國的技術軟件公司(TSC公司)開發了相關儀器，并于20世紀末開始探索性應用于海洋石油平臺的檢測。由于該儀器價格昂貴，測量精度還有待于提高，在我國還沒有得到應用。目前，在我國還沒有研制出公認成熟的檢測儀器。但是由于該項技術與渦流檢測、超聲檢測等相比具有明顯的優越性，開發相應廉價高效的ACFM檢測儀將具有廣闊的應用空間和巨大的經濟效應。發明內容
本發明的目的在于提供一種ACFM數字化檢測儀，該檢測儀器的檢測方法速度快、 精度高，定性、定量檢測一次完成，能實現非接觸檢測，具有傳統無損檢測方法無法比擬的優點。該檢測儀器的特點代表著檢測儀器的發展方向，具有廣闊的應用前景。目前這種儀3器我們國內還沒有進入實用階段，還沒有市場化，還沒有研究單位或高校報道研制出這種數字化的檢測儀。
該檢測儀從目前來看，國內還沒有公司生產基于擾動磁場檢測技術的檢測儀器。 能夠實現ACFM檢測功能的研究還處于實驗室階段。目前，在我國高校研究所對ACFM檢測儀的研制有兩種思路，一種是利用集成模擬電路進行信號處理，通過數據采集卡，把信號輸 A PC機進行顯示，除采用DDS信號源之外，包括鎖相放大電路在內的其他電路均采用模擬電路來實現。還有一種研發思路為信號調理采用模擬電路，然后直接利用數據采集卡將信號采集進入PC機，最后利用LABVIEW虛擬儀器完成信號的處理和顯示。雖然這兩種思路均可以實現缺陷信號的檢測，但由于大量模擬電路的運用，無法避免模擬電路存在的弊端，無法很好地實現檢測儀器的集成化和數字化，對檢測精度有較大的限制。虛擬儀器的使用又限制了檢測的靈活性，特別是鎖相放大器。這兩種思路都無法保證參考信號的嚴格正交性， 導致鎖相放大之后的信號產生波動，使檢測的精度和準確性下降。
數字化擾動磁場檢測儀。其特點一是檢測精度高，儀器中只有信號調理電路采用模擬電路實現外，其余均為數字電路進行數字信號處理。信號源采用DDS合成純凈的正弦激勵信號和參考信號，其中兩路信號嚴格正交。運算過程采用浮點型DSP的核心處理器，擺脫模擬型鎖相放大電路的限制，使得相敏檢波的結果更為精確。其特點二是高集成和雙核心，采用嵌入式儀器設計思路，使用ARM控制加DSP運算的雙核心模式，利用ARM優秀的管理和控制能力，結合DSP高性能的數字運算能力，進一步提高儀器的集成化程度，實現了缺陷信息的圖像顯示和聲光報警。無需借助PC機，能夠接受鍵盤輸入，而且缺陷信號數據可進行外部存儲，便于缺陷的定量分析。其特點三是使用簡單方便，檢測儀器的尺寸小巧，檢測過程脫離對PC機的依賴，可獨立完成檢測信號的顯示和數據存儲，便于攜帶和各種室外檢測作業。
本發明是這樣實現的，它包括試件、檢測線圈、前置放大電路、帶通濾波電路、后置放大電路、AD7656模數轉換電路、DSP核心板、DA轉換電路、功率放大電路、激勵線圈、HPI 總線接口、S3C2440嵌入式開發板，其特征是試件連接檢測線圈，檢測線圈的磁場信號輸入前置放大電路，前置放大電路連接帶通濾波電路，帶通濾波電路連接后置放大電路，后置放大電路連接AD7656模數轉換電路，AD7656模數轉換電路的輸入信號輸入DSP核心板，DSP 核心板連接DA轉換電路，DA轉換電路連接功率放大電路，功率放大電路的激勵信號輸出到激勵線圈，所述DSP核心板通過HPI總線接口連接S3C2440嵌入式開發板，所述S3C2440嵌入式開發板分別連接前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路。
本發明的技術效果是基于DSP的鎖相放大器是數字型的鎖相放大器，克服了模擬鎖相放大器信噪比低、精度低、線性差等缺點，具有以下特點(I)具有很大變化范圍的時間常數(通過編程實現)，可以使等效噪聲帶寬做到非常窄，從而可以檢測更微弱的信號；(2)可以用存貯器或寄存器來保存信息，不會因時間長而丟失，從而為測量極低頻信號提供了可能性；(3)具有很高的線性度，可以把輸入信號經A/D轉變為數字信號，不會引入其他誤差；(4)具有很好的靈活性，這是數字技術固有的特點；(5)算法在數學上可以等價于輸入信號與采樣控制信號的卷積，它可以用離散信號的傅里葉變換來得到；(6) 相關運算是通過數字乘法實現的，可實現高精度的運算。
圖I ACFM數字化檢測儀的原理方框圖。
在圖中，I、試件2、檢測線圈3、前置放大電路4、帶通濾波電路5、后置放大電路 6、AD7656模數轉換電路7、DSP核心板8、DA轉換電路9、功率放大電路10、激勵線圈11、 HPI總線接口 12、S3C2440嵌入式開發板。
具體實施方式
如圖I所示，本發明是這樣實現的，它包括試件I、檢測線圈2、前置放大電路3、帶通濾波電路4、后置放大電路5、AD7656模數轉換電路6、DSP核心板7、DA轉換電路8、功率放大電路9、激勵線圈10、HPI總線接口 11、S3C2440嵌入式開發板12，試件I連接檢測線圈 2，檢測線圈2的磁場信號輸入前置放大電路3，前置放大電路3連接帶通濾波電路4，帶通濾波電路4連接后置放大電路5，后置放大電路5連接AD7656模數轉換電路6，AD7656模數轉換電路6的輸入信號輸入DSP核心板7，DSP核心板7連接DA轉換電路8，DA轉換電路 8連接功率放大電路9，功率放大電路9的激勵信號輸出到激勵線圈10，所述DSP核心板7 通過HPI總線接口 11連接S3C2440嵌入式開發板12，所述S3C2440嵌入式開發板12分別連接前置放大電路3、帶通濾波電路4和后置放大電路5。
整個檢測儀器包括傳感器部分、信號調理電路部分、S3C2440嵌入式開發板和 TMS320C6474核心板DSP，傳感器包括激勵線圈和檢測線圈，激勵信號是頻率和幅值可調的正弦信號，由DSP直接產生，并由功率放大器加以放大；信號調理部分為模擬電路，包括前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路；DSP信號處理部分采用的是數字處理技術，包括AD7656模數轉化電路、TMS320C6474核心板和DAC7724數模轉換電路；控制部分 S3C2440嵌入式開發板是數字控制處理部分，核心是ARM核心板。通過串口連接通信、可編程放大電路實現與ARM開發板的連接；通過串口連接通信，可編程帶通濾波器電路實現與 ARM開發板的連接；通過HPI接口通信電路，實現ARM開發板與DSP的連接。通過軟件編程， 實現ARM嵌入式開發板的系統移植及外圍電路的驅動；利用Qt4實現系統界面軟件化，實現交變磁場檢測信號算法的圖形化界面。
該發明具有采用了 ARM控制加DSP運算的雙核心模式的特點，在設計的ACFM數字檢測儀器電路中，重點強調了組成電路系統的各個電路元件的特征及他們的連接方式。該發明在ACFM數字化檢測儀電路中使用了 TMS320C6747核心板，要求保護使用TMS320C6747 核心板及其使用功能相近的DSP開發板。
該檢測儀器的特點是檢測精度高，只有信號調理電路采用模擬電路實現外，其余均為數字電路進行數字信號處理。該檢測儀器的激勵信號是由DSP產生的頻率和幅值可調的正弦信號，經數模轉換和功率放大電路輸送給激勵線圈。信號源的正弦激勵信號和參考信號嚴格正交，運算過程采用浮點型DSP的核心處理器，克服了模擬型鎖相放大電路的限制，使得相敏檢波的結果更為精確。采用嵌入式儀器設計思路，使用ARM控制加DSP運算的雙核心模式，利用ARM優秀的管理和控制能力，結合DSP高性能的數字運算能力，使儀器的集成化程度大為提高，儀器實現了缺陷信息的顯示和聲光報警。該儀器能夠接受鍵盤輸入， 而且缺陷信號數據可進行外部存儲，便于缺陷的定量分析。
基于DSP的CCS系統采用模塊化編程。系統分為總控模塊、初始化模塊、數據采集模塊、參考信號合成模塊、數字相敏檢波模塊、通信模塊。各個模塊之間通過事件驅動和數據驅動兩種方式耦合，在總的調度模塊控制下，調用各個功能模塊。
權利要求
1. 一種ACFM數字化檢測儀，它包括試件、檢測線圈、前置放大電路、帶通濾波電路、后置放大電路、AD7656模數轉換電路、DSP核心板、DA轉換電路、功率放大電路、激勵線圈、HPI 總線接口、S3C2440嵌入式開發板，其特征是試件連接檢測線圈，檢測線圈的磁場信號輸入前置放大電路，前置放大電路連接帶通濾波電路，帶通濾波電路連接后置放大電路，后置放大電路連接AD7656模數轉換電路，AD7656模數轉換電路的輸入信號輸入DSP核心板，DSP 核心板連接DA轉換電路，DA轉換電路連接功率放大電路，功率放大電路的激勵信號輸出到激勵線圈，所述DSP核心板通過HPI總線接口連接S3C2440嵌入式開發板，所述S3C2440嵌入式開發板分別連接前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路。
全文摘要
一種ACFM數字化檢測儀，試件連接檢測線圈，檢測線圈的磁場信號輸入前置放大電路，前置放大電路連接帶通濾波電路，帶通濾波電路連接后置放大電路，后置放大電路連接AD7656模數轉換電路，AD7656模數轉換電路的輸入信號輸入DSP核心板，DSP核心板連接DA轉換電路，DA轉換電路連接功率放大電路，功率放大電路的激勵信號輸出到激勵線圈，所述DSP核心板通過HPI總線接口連接S3C2440嵌入式開發板，所述S3C2440嵌入式開發板分別連接前置放大電路、帶通濾波電路和后置放大電路。本發明的技術效果是基于DSP的鎖相放大器是數字型的鎖相放大器，克服了模擬鎖相放大器信噪比低、精度低、線性差等缺點。
文檔編號G01N27/83GK102539519SQ20121000252
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者任尚坤, 李兵, 阮士家 申請人:南昌航空大學