基于STM32的涡流检测系统

基于STM32的涡流检测系统
张荣华;刘建旭
【摘要】Consider of the needs for detection of surface defects on ferromagnetic material in today′s industrial safety production, based on the principle of eddy current testing and new anisotropic magnetoresistance HMC1043 with three-axis induced spatial magnetic field information , a new simplified non-destructive testing system was designed. In this system STM32F103 processor was used to reset
HMC1043 and collect Data and display the pro-cessed data. Also, the data was sent to the PC to analyze through the serial port. A COMSOL software which based on the finite element analysis was used to simulate principle. The testing effect of this system has been proved by experiments. It shows that, nondestructive testing system can do the fast and effective judgment on the surface of the ferromagnetic materials with micro defects under the surface between 2 to 3 millimeter.%针对当今工业安全生产中对非铁磁性试件表面缺陷检测的需求,根据涡流检测原理,基于新型异向磁阻三轴磁场传感器
HMC1043感应空间磁场信息,同时运用STM32F103处理器对HMC1043进行置位与数据的采集处理和显示,并将数据利用串口发送给上位机进行分析,从而设计了一种新型简易的无损检测系统.运用基于有限元分析法的COMSOL软件进行原理仿真,并对系统的检测效果进行实验验证.实验结果表明:该无损检测系统能够对非铁磁材料表面及其表面下2~3 mm微小缺陷进行快速有效的判断.
【期刊名称】《天津工业大学学报》
【年(卷),期】2017(036)002
【总页数】5页(P64-68)
【关键词】涡流检测系统;AMR传感器;STM32处理器;COMSOL软件
【作者】张荣华;刘建旭
【作者单位】天津工业大学电气工程与自动化学院,天津 300387;天津工业大学电气工程与自动化学院,天津 300387
【正文语种】中文
【中图分类】TH702
目前，无损检测技术主要有X射线、红外线成像技术、超声波技术等.其中，X射线设备体积大，有辐射；红外热成像设备结构复杂，体积大，且检测人员需要有丰富的经验；超声波技术在设备上以及检测的灵敏度上都有很大的提高，但是超声波检测需要与试件接触，且每次检测试件不同位置需要涂抹耦合剂，不能够进行实时检测.
涡流检测（ECT）是一种众所周知的低成本检测技术，经常用来对导电材料进行无损检测[1-3].涡流检测的工作原理基于电磁技术，当被测样品处在变化的磁场周围时，其内部会产生相应的涡流，若被测样品表面有缺陷，其涡流产生的磁场也会变化，此时经过磁传感器就能对其变化做出相应的输出，进而获得非铁磁性材料的磁导率、缺陷位置、厚度、大小等信息.因此，通过对磁场变化量的正确测量就能对材料表面的缺陷进行精确的定位[4-5].在许多工业应用中，对磁场变化的测量必须具有良好的精度，才能够对被测材料的完整性、可靠性以及安全性进行综合评估. 本文设计了一种基于STM32的简易涡流检测系统.选择Honeywell公司生产的
HMC1043磁传感器对试件表面进行缺陷检测，数据经过放大处理后，再经
STM32F103对数据进行采集以及滤波处理，再传给上位机进行波形显示[6-7].此
系统具有操作简单、成本低廉、灵敏度高、可实时检测的优点.
图1所示为涡流检测原理示意图.给线圈通一大小不断改变的电流，在其周围就会
有变化的磁场，变化的磁场在导体内部产生涡流，涡流的变化能够产生变化的磁场，通过线圈两端的电压变化能够测出导体的部分特性.
基于上述原理，该涡流检测系统主要包括电源部分、励磁信号产生部分、采集板部分、STM32数据处理部分以及结果显示部分，系统框图如图2所示.
系统首先由信号发生器供给正弦信号给激励线圈[8]；中间通过一个恒流源将信号
发生器产生的电压激励变换为电流激励，以此来产生励磁磁场；探头沿着灵敏轴扫描试件并采集数据，经过放大处理后由STM32读取数据，然后进行分析，提取出幅值信息；最后描述缺陷信息，以此来反应非铁磁材料有无缺陷.
2.1 HMC1043传感器
为满足实验精度，本文选用HMC1043磁场传感器.HMC1043是一种采用霍尼韦尔各向异性磁阻（AMR）技术的微型三轴磁场传感器，测量范围为±6 gauss，其一般应用在需要检测微弱磁场变化的装置中.通过设定由STM32给出的S/R脉冲
信号频率，来确定实验的检测磁场频率.由HMC1043传感器的电桥电压输出口输
出的差动电压就可以记录下S/R脉冲信号一个周期中各个轴方向下的磁场强度.
图3为HMC1043基本惠斯通电路单元，其中电路差动电压输出端为OUT-、OUT+，VB为供电电压，VSS为公共接地端.在试验中若要检测空间三轴的磁场强度，就需分别测量OUT-X与OUT+X、OUT-Y与OUT+Y、OUT-Z与OUT+Z
之间的电压差.给传感器电压为3 V时，差动电压变化的灵敏度为3 mV/gauss.检
测的差动电压是高频信号，电压范围也只有0～18 mV，因此需要在每个轴的输出端接入放大电路.
2.2 励磁线圈
在涡流检测中，敏感线圈的设计起到至关重要的作用，其形状、尺寸、位置对磁阻传感器的灵敏度以及测量的范围影响很大[9-11].本文采用PCB板设计的两个双单
向线圈垂直正交放置.给两个线圈分别通入经过电流源处理后的相位差为90°的正
弦电流，如图4所示.由电磁感应定律得出中心点便是产生螺旋涡流的中心，把HMC1043传感器放在此位置以提高其检测的灵敏度.
励磁信号发生器选用的是美国国家仪器PXI机箱配备的PXI-5412板卡.PXI-5412
是一款100 Ms/s的任意波形发生器，其失真小于20 ps，使用PXI-5412板卡产生相位移差90°的正弦激励信号分别经恒流源后给2个励磁线圈.
2.3 采集电路板
采集板主要包括电源部分、HMC1043重置电路部分以及信号放大部分.
2.3.1 HMC1043重置电路
因为HMC1043是基于惠斯通电桥装置型的磁阻传感器，因此在工作状态时需要
给一定频率的置位和复位（S/R）信号.其中，检测磁场输出的信号频率需要和提供的S/R信号频率一样.HMC1043的外围电路如图5和图6所示.
图6中，当给P1接入幅值为3 V的方波SR信号时（由STM32产生），在方波
的下降沿会触发U6的N沟道MOSFET和U7的P沟道MOSEFET，对RS+和
RS-引脚产生一个正向脉冲置位信号来改变磁畴方向，使其平行于易磁化轴的正向，这样电桥输出的电压就是正电压.实际操作过程中产生的置位脉冲信号如图7所示.同理，若为方波信号的上升沿，那么电桥两端电压就是负电压.所以一个方波周期
中就可以检测到HMC1043周围三轴磁场分别在正负轴方向上的磁场强度，共6
个量.
2.3.2 信号放大电路
放大电路模块采用AD620对差动电压进行放大，考虑到HMC1043的检测范围为
±6 gauss，对应的输出电压的范围为±18 mV，就要把输出电压范围放大100倍为±1.8 V，输出结果才能比较明显，其中一路放大原理图如图8所示.
由HMC1043产生的差动电压引入到AD620芯片的-/+IN引脚中，由AD620放大后从OUTPUT引脚输出.AD620增益G与可调电阻RG的关系如下：
由式（1）和式（2）得出：若放大倍数为100，需接入一个499 Ω的电阻，设计电路中接入一个阻值400 Ω的电阻，再串联一个500 Ω电位器.电位器起到微调增益阻值的作用，进而弥补了电阻本身不准确所造成的3个轴放大倍数不统一的缺陷.
软件的主要功能是产生一定频率的方波，当捕获到方波上升沿时开启AD转换，对采集结果进行滤波并显示.在程序设计的过程中采用了模块化的设计方法，如图9所示，包括系统初始化模块、中断模块、数据采集模块、软件滤波模块和结果显示模块.
经多次试验分析，在探测过程中，涡流检测系统的噪声主要是高频部分，包括采集板的抖动等.所以本系统选择了简单整系数低通滤波器来滤除部分高频信号[12-14].其系统函数与频率响应函数如下：
综合式（3）和式（4）得出：
考虑到实际需要，取m=2，p=3带入式（5）求出转移函数为：
转移到时域方程为：
根据式（7），依靠加法运算，在STM32F103处理器中实现低通滤波.
4.1 仿真分析
基于涡流检测原理，利用COMSOL Multiphysics建立模型进行仿真.COMSOL Multiphysics是一种基于有限元分析法仿真实际物理现象的软件，可以灵活的利用它进行所需模型的建立，将实际的物理环境通过计算机重现在虚拟环境中并进行仿真.本实验建立的仿真模型如图10所示，选用样品尺寸为长×宽×高= 300
mm×200 mm×15 mm，选用图10所示的方形线圈，通一峰值0.3 mA的正弦
电流，分别对有缺陷和无缺陷2种情况进行仿真，其中缺陷的尺寸为150 mm× 5 mm×10 mm，结果如图11所示.
由图11可以看出，有缺陷的试件，其涡流在试件的中间缺陷位置也有明显的变化，进而引起试件周围磁场的变化，和理论分析相符合.
4.2 实验验证
采用STM32设计的涡流检测系统对表面有缺陷的铝板进行检测，缺陷的长×宽×
高为50 mm×3 mm× 3 mm.采集板探头对铝板进行自左向右匀速扫描，其中励
磁频率设定为500 Hz，采样频率由STM32设定为2 000 Hz，实验中主要检测的是Z轴方向上的磁场强度，采集板相对铝板提离高度设定为6 mm，对应传感器
检测到的磁场强度为3×10-4T时所输出的电压大概为9 mV，放大倍数由电位器
设定为100倍，由于HMC1043传感器的磁场强度检测范围为±6 gauss，由放大倍数得到输出的电压范围为±1.8 V.样板测试结果如图12所示.
由图12可以看出，在没有缺陷的部分，系统输出电压的幅值基本保持恒定；当检测到有缺陷的时候，输出电压有明显的突变，进而可以判断缺陷的存在，从而验证了系统的可行性.同时，该系统能够实时的把检测结果数据上传给上位机，具有实
时性的特点.
本设计基于涡流检测原理和新型异向磁阻（AMR）三轴磁场传感器HMC1043（测量范围在±6 gauss），用STM32对HMC1043数据进行采集与处理.结果表明：基于STM32的涡流检测系统能够精确地对导电材料表面微小缺陷进行无损检测，由于HMC1043是一种小型的三轴表面安装的传感器序列系统，适用于低磁
场磁性的检测，并且尺寸小，灵敏度极高，可靠性强，同时设计的系统具有成品体积小、成本低、灵敏度高、输出电压信号容易采集和分析、可实现实时检测的特点，所以基于STM32的涡流检测系统具有明显的优势.本实验发现试件与磁探头之间
的距离大小对检测结果的影响比较显著，今后还需针对最佳检测距离作进一步研究.
【相关文献】
[1]夏纪真.中国大陆无损检测技术的现状与发展[C]//2011全球华人无损检测高峰论坛.厦门：无损检测资讯网，2011：737-743. XIA J Z.The actuality and development of NDT in Chinese mainland[C]//2011 Global Chinese NDT Forum.Xiamen：NDT News，2011：737-743（in Chinese）.
[2]周正干，孙广开，马保全，等.先进复合材料超声无损检测新技术的应用[J].科技导报，2014，32（9）：15-20. ZHOU Z G，SUN G K，MA B Q，et al.Application of new developed techniques for ultrasonic nondestructive testing for advanced composite
materials[J].Technology Review，2014，32（9）：15-20（in Chinese）.
[3]陈佩华.平板导体缺陷复合式涡流检测技术研究[D].杭州：浙江大学，2014. CHEN P H.Study on multi-mode eddy current technology for defect inspection of planar conductive structures[D].Hangzhou：Zhejiang University，2014（in Chinese）.
[4]谢完成，戴瑜兴.一种新的基于霍尔传感器的电流测量方法[J].电子测量与仪器学报，2012，26（8）：705-710. XIE W C，DAI Y X.New current measurement method based on Hall sensors[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument，2012，26（8）：705-710（in Chinese）.
[5]GARCIA MARTIN J，GOMEZ GIL J，VAZQUEZSANC-HEZ E.Non-destructive techniques based one eddy current testing[J].Sensors，2011，11（3）：2525-2565.
[6]HOSSEINI S，LAKIS A A.Application of time-frequency analysis for automatic hidden corrosion detection in a multilayer aluminum structure using pulsed eddy
current[J].NDT&E International，2012，47：70-79．
[7]YANG G，ZENG Z，DENG Y，et al.3D EC-GMR sensor system for detection of subsurface defects at steel fastener[J].NDT &E International，2012，50：20-28.
[8]BERNIERI A，BETTA G，FERRIGNO L，et al.Multifrequency excitation and support vector machine regressor for ECT defect characterization[J].Instrumentation and Measurement，IEEE Transactioson，2014，63（5）：1272-1280.
[9]ANGANI C S，PARK D G，KIM C G，et al.The pulsed eddy current differential probe to detect athickness variation in an insulated stainless steel[J].Nondestruct Eva，2010，29（4）：248-252.
[10]HE Y，TIAN G Y，PAN M，et al.Non-destructive testing of low-energy impact in CFRP laminates and interior defects in honeycomb sandwich using scanning pulsed eddy current[J]. Composites Part B：Engineering，2014，59：196-203.
[11]THEODOULIDIS T，WANG H，TIAN G Y.Extension of model for eddy current
inspection of cracks to pulsed excitation[J]. NDT&E International，2102，47：144-149. [12]吕绪敬.宽阻带微带低通滤波器的设计与研究[D].成都：电子科技大学，2013：1-2. LYU X J.Design and research of wide stopband microstrip low-pass filter[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2013：1-2（in Chinese）.
[13]龚作豪，沈君凤.巴特沃斯低通滤波器的仿真设计[J].信息通信，2014，29（7）：40-41. GONG Z H，SHEN J F.The simulation design of butterworth low pass
filter[J].Information&Communications，2014，29（7）：40-41（in Chinese）.
[14]赵晓群，张洁.巴特沃斯低通滤波器的实现方法研究[J].大连民族学院学报，2013，15（1）：72-75. ZHAO X Q，ZHANG J.Research on implemental methods of butterworth low-pass filter[J].Journal of Dalian Nationalities University，2013，15（1）：72-75（in Chinese）.
[15]GHONI R，DOLLAH M，SULAIMAN A，et al.Defect characterizationbasedoneddycurrent technique：Technical review[J]. Advances in Mechanical Engineering，2014（6）：1-11．
[16]HE Y，TIAN G，ZHANG H，et al.Steel corrosion characterization using pulsed eddy current systems[J].IEEE Sensors J，2012，12（6）：2113-2120.。