專利名稱：一種智能數(shù)字渦流探傷儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種渦流檢測裝置，特別是涉及一種基于FPGA芯片的全自動化智能數(shù)字渦流探傷儀。
背景技術(shù)：
渦流檢測就是采用電磁感應(yīng)原理，用正弦波電流激勵探頭線圈，當(dāng)探頭接近金屬表面時，線圈周圍的交變磁場在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。對于平板金屬，感應(yīng)電流的流向是以線圈同心的圓形，形似漩渦，稱為渦流。同時渦流也產(chǎn)生相同頻率的磁場，其方向與線圈方向相反。渦流通道的損耗電阻，以及渦流產(chǎn)生的反磁通，又反射到探頭線圈，改變了線圈的電流大小及相位，即改變了線圈的阻抗。因此，探頭在金屬表面移動，遇到缺陷或材質(zhì)、尺寸等變化時，使得渦流磁場對線圈的反作用不同，引起線圈阻抗變化，通過渦流檢測儀器測量出這種變化量就能鑒別金屬表面有無缺陷或其他物理性質(zhì)變化。渦流檢測技術(shù)屬于無損檢測技術(shù)，適用于金屬表面和亞表面的全方位的檢測，無需打磨，無需化學(xué)試劑，無需清除表面防腐層和污銹?？赏瑫r進行裂紋、暗縫、氣孔、夾雜、材質(zhì)分選，滲碳深度和熱處理狀態(tài)評價，以及硬度測量等。已被廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，特別是制造業(yè)、冶金、航天航空、 石油化工、鐵路和地鐵、軍工武器等領(lǐng)域更是如此。現(xiàn)有渦流檢測儀器一般分二種形式一種是模擬式渦流檢測儀，另一種是數(shù)字式渦流檢測儀。模擬式渦流檢測儀一般采用單頻或雙頻檢測，檢測靈敏度高、操作比較簡單， 重現(xiàn)性好；但是工作頻率比較單一，檢測材料范圍很窄，體積相對很大，不適合便攜式檢測， 抗干擾能力也不強。數(shù)字式渦流檢測儀一般采用連續(xù)可調(diào)的頻率，檢測材料范圍很寬，體積小、輕便，抗干擾能力強；但是由于放大電路和高低通濾波電路要兼顧不同頻率的檢測，為了提高儀器的信噪比，電路靈敏度不能太高，所以對材料上細(xì)小的缺陷很難檢測出來。傳統(tǒng)的渦流檢測儀器在檢測領(lǐng)域想要擴展和延伸就需要在電路方面進行改進。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種智能數(shù)字渦流探傷儀，是一種基于FPGA芯片和ARM芯片的智能數(shù)字渦流探傷儀，具有抗干擾能力強，檢測頻率寬 (50Hz到IOMHz連續(xù)可調(diào))，操作方便，高精度、高靈敏度、高信噪比的特點，適用于不同形式的檢測需求，實用方便，功能多樣。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種智能數(shù)字渦流探傷儀，包括一基于FPGA的信號發(fā)生模塊，用來產(chǎn)生渦流無損檢測用的激勵信號；—基于FPGA的信號處理模塊，用來對信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號進行放大處理輸出并加載至檢測對象，以及用來對從檢測對象所拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；一信號采集模塊，包括以探頭為載體的傳感器，用來采集檢測對象反饋回來的信號；一基于ARM的數(shù)據(jù)通信接口單元；一主控制模塊，用來產(chǎn)生控制信號；主控制模塊、信號發(fā)生模塊、信號處理模塊、信號采集模塊分別與數(shù)據(jù)通信接口單元相連接；主控制模塊向信號發(fā)生模塊和信號處理模塊輸出控制信號以分別調(diào)整信號發(fā)生模塊的激勵信號的參數(shù)和信號處理模塊的處理參數(shù)；信號發(fā)生模塊產(chǎn)生激勵信號并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，信號處理模塊對激勵信號進行放大處理后加載至檢測對象；信號采集模塊拾取檢測對象的反饋信號；信號處理模塊對信號采集模塊拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；主控制模塊對檢測結(jié)果進行顯示和報警處理。所述的信號發(fā)生模塊包括DDS信號發(fā)生控制器、DDS信號發(fā)生器、無源低通濾波器、數(shù)控信號幅度增益單元和單位增益差分放大器；DDS信號發(fā)生控制器的輸出接至DDS信號發(fā)生器的輸入，DDS信號發(fā)生控制器控制DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號；DDS信號發(fā)生器的輸出接至單位增益差分放大器的輸入，單位增益差分放大器用于將DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路單極性差分正弦信號轉(zhuǎn)換成一路雙極性正弦信號；單位增益差分放大器的輸出接至無源低通濾波器的輸入；無源低通濾波器的輸出接至數(shù)控信號幅度增益單元的輸入；DDS 信號發(fā)生控制器的輸出接至數(shù)控信號幅度增益單元。所述的信號處理模塊包括前置信號處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和X-R正交分解器； 前置信號處理單元對傳感器信號進行信號分離、濾波、消除干擾及數(shù)控幅度調(diào)節(jié)；前置信號處理單元的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對前置信號處理單元的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出接X-R正交分解器的輸入，X-R正交分解器對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出信號進行處理，分別提取出阻抗和電阻兩個分量并完成調(diào)理后輸出。所述的X-R正交分解器包括四象限模擬乘法器、低通濾波器和增益放大器，四象限模擬乘法器的輸出接低通濾波器的輸入，低通濾波器的輸出接增益放大器的輸入。所述的探頭為筆式結(jié)構(gòu)、馬鞍式結(jié)構(gòu)、外穿過式結(jié)構(gòu)、內(nèi)穿過式結(jié)構(gòu)或放置式結(jié)構(gòu)。本實用新型的一種智能數(shù)字渦流探傷儀，是采用基于FPGA芯片的直接數(shù)字頻率合成器(DDQ的設(shè)計方法，對信號進行精確地調(diào)頻和調(diào)幅，并加載至傳感器；采用正交式傳感器來克服試件因表面粗糙等原因產(chǎn)生的提離信號，從而減小對微小缺陷信號的影響；利用麥克斯韋電磁方程原理來拾取渦流信號；利用大規(guī)模集成運放對微小信號程控放大，具有運算能力強和實時性好的特點，并降低了儀器的成本；利用FPGA實現(xiàn)對信號變換域分析、帶通帶阻濾波及信號合成處理，提高檢測的精度和可靠性；基于FPGA的USB高速模式與 ARM的數(shù)據(jù)傳輸，利用ARM實現(xiàn)信號的實時二位圖像處理機人機界面。采用這些設(shè)計方法， 不僅使數(shù)據(jù)的運算處理速度和精度大大提高，也使探傷儀的體積大大減小。本實用新型作為便攜式渦流探傷儀，由鋰電池供電，適合高空、在役、現(xiàn)場等特殊場合及環(huán)境下工作；儀器可接筆式、馬鞍式、外穿過式、內(nèi)穿過式、放置式探頭，測量各種形狀的材料。本實用新型的有益效果是，采用了一基于FPGA的信號發(fā)生模塊、一基于FPGA的信號處理模塊、一信號采集模塊、一基于ARM的數(shù)據(jù)通信接口單元和一主控制模塊來構(gòu)成能數(shù)字渦流探傷儀，且主控制模塊、信號發(fā)生模塊、信號處理模塊、信號采集模塊分別與數(shù)據(jù)通信接口單元相連接；主控制模塊向信號發(fā)生模塊和信號處理模塊輸出控制信號以分別調(diào)整信號發(fā)生模塊的激勵信號的參數(shù)和信號處理模塊的處理參數(shù)；信號處理模塊對信號發(fā)生模塊的激勵信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大處理而后加載至檢測對象；信號采集模塊拾取檢測對象的反饋信號；信號處理模塊對信號采集模塊拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；主控制模塊對檢測結(jié)果進行顯示和報警處理。采用該結(jié)構(gòu)后，本實用新型具有抗干擾能力強，檢測頻率寬(50Hz到IOMHz連續(xù)可調(diào))，操作方便，高精度、高靈敏度、高信噪比的特點，能適用于不同形式的檢測需求，實用方便，功能多樣。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細(xì)說明；但本實用新型的一種智能數(shù)字渦流探傷儀不局限于實施例。

圖1是本實用新型的框架結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的信號發(fā)生模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本實用新型的信號處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型的原理框圖。
具體實施方式
實施例，參見圖1所示，本實用新型的一種智能數(shù)字渦流探傷儀，包括一基于FPGA的信號發(fā)生模塊1，用來產(chǎn)生渦流無損檢測用的激勵信號；一基于FPGA的信號處理模塊2，用來對信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大處理輸出并加載至檢測對象，以及用來對從檢測對象所拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；—信號采集模塊3，包括以探頭為載體的傳感器，用來采集檢測對象反饋回來的信號；一基于ARM的數(shù)據(jù)通信接口單元4 ；一主控制模塊5，用來產(chǎn)生控制信號；主控制模塊5、信號發(fā)生模塊1、信號處理模塊2、信號采集模塊3分別與數(shù)據(jù)通信接口單元4相連接；主控制模塊5向信號發(fā)生模塊1和信號處理模塊2輸出控制信號以分別調(diào)整信號發(fā)生模塊1的激勵信號的參數(shù)和信號處理模塊2的處理參數(shù)；信號發(fā)生模塊1 產(chǎn)生激勵信號并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，信號處理模塊2對激勵信號進行放大處理后加載至檢測對象；信號采集模塊3拾取檢測對象的反饋信號；信號處理模塊2對信號采集模塊3拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；主控制模塊5對檢測結(jié)果進行顯示和報警處理。主控制模塊5通過數(shù)據(jù)接口單元4與外部控制系統(tǒng)連接。整個系統(tǒng)可以完成渦流無損檢測的全部流程，包含激勵中的信號、信號處理中的參考信號等各項參數(shù)的智能全數(shù)字化處理及針對不同渦流傳感器信號的智能全自動處理等。參見圖2所示，所述的信號發(fā)生模塊1包括DDS信號發(fā)生控制器11、DDS信號發(fā)生器12、無源低通濾波器13、數(shù)控信號幅度增益單元14和單位增益差分放大器15 ；DDS信號發(fā)生控制器11的輸出接至DDS信號發(fā)生器12的輸入，DDS信號發(fā)生控制器11控制DDS信號發(fā)生器12產(chǎn)生正弦信號；DDS信號發(fā)生器12的輸出接至單位增益差分放大器15的輸入，單位增益差分放大器15用于將DDS信號發(fā)生器12產(chǎn)生的兩路單極性差分正弦信號轉(zhuǎn)換成一路雙極性正弦信號；單位增益差分放大器15的輸出接至無源低通濾波器13的輸入； 無源低通濾波器13的輸出接至數(shù)控信號幅度增益單元14的輸入；DDS信號發(fā)生控制器11 的輸出接至數(shù)控信號幅度增益單元14。數(shù)控信號幅度增益單元用于將單位增益差分放大器輸出的信號在滿量程范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)控幅度調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生數(shù)控可調(diào)節(jié)參數(shù)的正弦信號。參見圖3所示，所述的信號處理模塊2包括前置信號處理單元21、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 22和X-R正交分解器23 ；前置信號處理單元21對傳感器信號進行信號分離、濾波、消除干擾及數(shù)控幅度調(diào)節(jié)；前置信號處理單元21的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換單元22的輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 22對前置信號處理單元21的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元22的輸出接X-R 正交分解器23的輸入，X-R正交分解器23對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元22的輸出信號進行處理，分別提取出阻抗和電阻兩個分量并完成調(diào)理后輸出。所述的X-R正交分解器23包括四象限模擬乘法器、低通濾波器和增益放大器，四象限模擬乘法器的輸出接低通濾波器的輸入，低通濾波器的輸出接增益放大器的輸入。X-R正交分解器23用于將輸入的傳感器信號分別提取出阻抗和電阻兩個分量并完成調(diào)理后輸出。四象限模擬乘法器用于完成傳感器信號與正交參考信號的調(diào)制，即傅里葉變換，低通濾波器用于提取四象限模擬乘法器輸出的調(diào)制信號中的直流成分，增益放大器用于將低通濾波器輸出的阻抗和電阻直流分量放大到預(yù)定范圍。參見圖4所示，計算機系統(tǒng)(屬于主控制模塊)通過數(shù)字模塊中基于FPGA芯片的直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生激勵源信號，激勵信號經(jīng)過DA模塊(屬于信號處理模塊)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后放大(屬于信號處理模塊)并加載至傳感器。系統(tǒng)采用FPGA精確控制激勵源信號的調(diào)頻和調(diào)幅，增大了激勵信號加載至傳感器時的幅值并提高精度，使信號頻率更接近檢測材料的諧振點，有利于提高對檢測工件的磁化能力。通過ARM的人機界面接口用戶可以隨意修改激勵源信號大小及相位。計算機通過傳感器得到渦流信號，由于傳感器包括激勵線圈與接收線圈，因此接收器上夾雜著激勵信號、諧振信號和缺陷信號，需要對信號進行提取、抑制和濾波。利用FPGA對信號進行分段拾取，在經(jīng)過專用儀用放大器對信號進行積分，程控放大器實現(xiàn)對信號的實時增益控制、運算放大器對信號進行多階濾波，并用差動放大器消除信號的差模干擾。用戶通過人機界面調(diào)整參數(shù)，對信號進行實時更新，使用方便、 快捷、簡單。信號處理后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，送至DSP進行速傅里葉變換，隨后依次經(jīng)過多階高速可調(diào)帶通濾波、抽取、壓縮和編碼等處理，采用FPGA對信號進行暫存，通過FIFO及RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，利用USB打包處理；ARM的USB接口實現(xiàn)對FPGA的控制和信號的接收，ARM界面進行顯示。儀器基于FPGA的高速USB與ARM的數(shù)據(jù)傳輸，利用ARM實現(xiàn)信號的實時二位圖像處理機人機界面接口。用戶通過ARM上的人機接口界面進行軟件系統(tǒng)操作。通過設(shè)置探頭匹配大小及探頭驅(qū)動大小控制探頭激勵信號的幅值；通過設(shè)置頻率大小及相位旋轉(zhuǎn)控制激勵信號的頻率與相位，激勵信號的幅值設(shè)置軟件系統(tǒng)占主要部分；通過設(shè)置高、低通頻率，控制對DSP 信號處理的帶通濾波的帶寬、壓縮率等參數(shù)；自動平衡的控制為數(shù)字控制，相對模擬平衡更加精確；除了增益大小的控制，對FPGA實現(xiàn)存儲大小、傳輸速度、信號增益比等也可進行控制。軟件系統(tǒng)最終以實時阻抗圖和時基圖顯示到顯示屏幕上，更加形象客觀的把缺陷信號呈現(xiàn)給客戶。除了參數(shù)控制之外，客戶可根據(jù)需求配置多個報警框分區(qū)報警；檢測前，標(biāo)定缺陷大小，檢測時軟件系統(tǒng)自動評定缺陷大小、裂紋深度，實時顯示幅值、相位。軟件系統(tǒng)除了檢測控制之外，可以對存儲的檢測數(shù)據(jù)進行回放分析，可對某個缺陷信號進行放大，相位調(diào)整等詳細(xì)分析。本實用新型的一種智能數(shù)字渦流探傷儀，是采用基于FPGA芯片的直接數(shù)字頻率合成器(DDQ的設(shè)計方法，對信號進行精確地調(diào)頻和調(diào)幅，并加載至傳感器；采用正交式傳感器來克服試件因表面粗糙等原因產(chǎn)生的提離信號，從而減小對微小缺陷信號的影響；利用麥克斯韋電磁方程原理來拾取渦流信號；利用大規(guī)模集成運放對微小信號程控放大，具有運算能力強和實時性好的特點，并降低了儀器的成本；利用FPGA實現(xiàn)對信號變換域分析、帶通帶阻濾波及信號合成處理，提高檢測的精度和可靠性；基于FPGA的USB高速模式與 ARM的數(shù)據(jù)傳輸，利用ARM實現(xiàn)信號的實時二位圖像處理機人機界面。采用這些設(shè)計方法， 不僅使數(shù)據(jù)的運算處理速度和精度大大提高，也使探傷儀的體積大大減小。上述實施例僅用來進一步說明本實用新型的一種智能數(shù)字渦流探傷儀，但本實用新型并不局限于實施例，凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本實用新型技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種智能數(shù)字渦流探傷儀，其特征在于包括一基于FPGA的信號發(fā)生模塊，用來產(chǎn)生渦流無損檢測用的激勵信號；一基于FPGA的信號處理模塊，用來對信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號進行放大處理輸出并加載至檢測對象，以及用來對從檢測對象所拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；一信號采集模塊，包括以探頭為載體的傳感器，用來采集檢測對象反饋回來的信號；一基于ARM的數(shù)據(jù)通信接口單元；一主控制模塊，用來產(chǎn)生控制信號；主控制模塊、信號發(fā)生模塊、信號處理模塊、信號采集模塊分別與數(shù)據(jù)通信接口單元相連接；主控制模塊向信號發(fā)生模塊和信號處理模塊輸出控制信號以分別調(diào)整信號發(fā)生模塊的激勵信號的參數(shù)和信號處理模塊的處理參數(shù)；信號發(fā)生模塊產(chǎn)生激勵信號并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，信號處理模塊對激勵信號進行放大處理后加載至檢測對象；信號采集模塊拾取檢測對象的反饋信號；信號處理模塊對信號采集模塊拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；主控制模塊對檢測結(jié)果進行顯示和報警處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字渦流探傷儀，其特征在于所述的信號發(fā)生模塊包括DDS信號發(fā)生控制器、DDS信號發(fā)生器、無源低通濾波器、數(shù)控信號幅度增益單元和單位增益差分放大器；DDS信號發(fā)生控制器的輸出接至DDS信號發(fā)生器的輸入，DDS信號發(fā)生控制器控制DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號；DDS信號發(fā)生器的輸出接至單位增益差分放大器的輸入，單位增益差分放大器用于將DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路單極性差分正弦信號轉(zhuǎn)換成一路雙極性正弦信號；單位增益差分放大器的輸出接至無源低通濾波器的輸入；無源低通濾波器的輸出接至數(shù)控信號幅度增益單元的輸入；DDS信號發(fā)生控制器的輸出接至數(shù)控信號幅度增益單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字渦流探傷儀，其特征在于所述的信號處理模塊包括前置信號處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和X-R正交分解器；前置信號處理單元對傳感器信號進行信號分離、濾波、消除干擾及數(shù)控幅度調(diào)節(jié)；前置信號處理單元的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對前置信號處理單元的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出接X-R正交分解器的輸入，X-R正交分解器對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出信號進行處理，分別提取出阻抗和電阻兩個分量并完成調(diào)理后輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能數(shù)字渦流探傷儀，其特征在于所述的X-R正交分解器包括四象限模擬乘法器、低通濾波器和增益放大器，四象限模擬乘法器的輸出接低通濾波器的輸入，低通濾波器的輸出接增益放大器的輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字渦流探傷儀，其特征在于所述的探頭為筆式結(jié)構(gòu)、 馬鞍式結(jié)構(gòu)、外穿過式結(jié)構(gòu)、內(nèi)穿過式結(jié)構(gòu)或放置式結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型公開了一種智能數(shù)字渦流探傷儀，包括一基于FPGA的信號發(fā)生模塊、一基于FPGA的信號處理模塊、一信號采集模塊、一基于ARM的數(shù)據(jù)通信接口單元和一主控制模塊；主控制模塊向信號發(fā)生模塊和信號處理模塊輸出控制信號以分別調(diào)整參數(shù)；信號發(fā)生模塊產(chǎn)生激勵信號并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，信號處理模塊對激勵信號進行放大處理后加載至檢測對象；信號采集模塊拾取檢測對象的反饋信號；信號處理模塊對信號采集模塊拾取的信號進行信號分離、濾波、消除干擾和分析處理；主控制模塊對檢測結(jié)果進行顯示和報警處理。采用該結(jié)構(gòu)后，本實用新型具有抗干擾能力強，檢測頻率寬(50Hz到10MHz連續(xù)可調(diào))，操作方便，高精度、高靈敏度、高信噪比的特點，能適用于不同形式的檢測需求，實用方便，功能多樣。
文檔編號G01N27/90GK202002911SQ20112009587
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者李達興, 高金渡 申請人:廈門安銳捷電子科技有限公司