基于DDS技术的脉冲涡流检测系统

基于DDS技术的脉冲涡流检测系统宋琦华;毛义梅;雷华明【摘要】The pulsed eddy current detecting technology is a new branch of the eddy current nondestructive testing and can detect the de-fects in the metal conductor equipments quickly and easily. Based on the characteristics of the pulsed signal generator, a pulsed eddy current detecting system with parameters adjustable pulsed signal generator, using direct frequency synthesis technology, was designed. The PEC testing system is combined of hardware circuit, PC, data acquisition card and relevant software components. With AD9850, a square wave of 1kHz is generated as excitation of defect detection experiment from which eigenvalues are calculated and identification of three quantitative PEC defects were discussed.%脉冲涡流检测技术作为当前无损检测技术中的一种新技术,能够快速方便地检测金属构件中的缺陷；文中根据脉冲涡流检测信号源的特点,采用Direct Digital Frequency Synthesis(直接数字频率合成,简称DDS)技术,设计了一种参数可调式脉冲波形信号源的脉冲涡流检测系统；系统由脉冲涡流检测硬件电路、上位机、数据采集卡和相关软件组成；最后使用AD9850芯片产生1kHz、50％占空比的方波激励对标准缺陷试件进行实验,并提取特征值对试件的三种定量缺陷区分进行了研究.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2011(019)008【总页数】4页(P1817-1820)【关键词】脉冲涡流检测;DDS;缺陷分类【作者】宋琦华;毛义梅;雷华明【作者单位】上海交通大学仪器科学与工程系,上海 200240;上海交通大学仪器科学与工程系,上海 200240;上海交通大学仪器科学与工程系,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TG115.280 引言脉冲涡流检测技术是检测导电材料表面或近表面缺陷的一种无损检测方法，它以电磁感应为基础。

激励在被测金属试件中产生瞬态感应涡电流，与快速衰减的磁脉冲一并在材料中传播，形成一个衰减的感应场，通过测量元件，输出一系列的电压－时间信号。

传统的涡流检测采用感应线圈探头及单一正弦波或多个离散频率连续谐波作为激励［1］，脉冲激励及响应由一列宽带频谱构成，具有可同时检测不同深度处的缺陷并使得信号可以直接在时域中进行分析且成本低廉等优点，被认为是未来最有发展潜力的无损检测技术之一［2］。

针对脉冲涡流检测系统中要求信号源频率范围从0.1～600kHz连续可调，频率精度为±2.0%，频率分辨力为1Hz的问题，本文采取了直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS），很好地解决了脉冲涡流检测中需要频率可连续调节、频率稳定性好的高性能激励源的问题；此外采用DDS方案还具有体积小、价格低、易于实现全数字化的设计等突出特点。

1 脉冲涡流检测系统的构成脉冲涡流检测系统由三部分组成：激励信号发生单元、磁场测量单元和信号采集单元［3］。

具体检测系统方框图如图1所示。

图1 脉冲涡流检测系统方框图通常，由于信号源输出功率很小，带负载能力很弱，必须使用合适的功率放大器来增强信号的驱动能力，本文中使用现有的功率放大器。

系统探头部分采用塑料圆形骨架作为传感器激励线圈的缠绕骨架，选用线径为0.30mm，允许最大安全电流为5A的漆包线在磁芯骨架上紧密绕制而成，共绕制了500匝，磁传感器固定在圆形骨架的底部圆心位置［4］。

根据法拉第电磁感应定律，检测线圈上的瞬态感应电压Vf为：式中，Vp为“点”检测线圈感应电压；B为感应磁场强度；A为感应磁场矢量；S为感应线圈截面积。

如果被测试件中有缺陷存在，就会使感应磁场强度B发生变化，最终使得检测单元上的瞬态感应电压发生变化，从而实现对缺陷的检测［5］。

本系统中采用12位的凌华PCI9812数据采集卡进行数据采集，采样频率最高为20MHz，A／D分辨率为12bit。

在上位机PC上，使用Visual C＋＋设计了Windows界面化的GUI数据采集软件。

2 DDS的技术实现在脉冲涡流检测中，对于不同的被测试件，涡流的标准渗透深度δ可表示为：其中，f为脉冲频率；μ和σ分别为材料磁导率和电导率。

在实际检测中，涡流检测的有效深度必须大于工件壁厚，在工程上通常取标准透入深度的3倍作为涡流的有效透入深度。

具体检测中需要根据探伤环境和其他因素来选择合适的频率范围。

本文选用AD公司的AD9850芯片为核心设计激励信号源。

AD9850芯片的最高时钟频率为125MHz，主要由可编程DDS系统、高性能模数转换器和高速比较器三部分组成，能够实现全数字编程控制的频率合成。

DDS的基本原理是利用采样原理，通过查表法产生波形。

DDS的基本结构如图2所示。

相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值，随后通过查表变换，地址值被转化为信号波形的数字幅度序列，再由数／模变换器（D／A）将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压，最后经由低通滤波器将D／A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形DDS系统输出频率公式为：式中：fOUT为输出频率；CLKIN 为系统的参考时钟频率；ΔPhase为频率控制字；N为相位累加器的的字长，写入频率控制字与输出频率成正比。

由奈奎斯特采样定理，所产生的信号频率不能超过时钟频率的50%，在实际应用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33%，以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。

AD9850芯片中共有40位控制字，其中有32位频率控制字，5位相位控制字，2位选择工作方式，1位电源休眠控制。

当参考频率为125MHz，输出信号频率为1kHz时，需向DDS写入的频率控制字：另外由式（4）可知，输出频率分辨率为：由于基准时钟的频率固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分辨率越高。

AD9850芯片使用5位数据控制相位，其控制精度为360°／25＝11.25°。

相移与相位控制字对应关系见表1。

图2 DDS工作原理表1 相移与相位控制字对应关系相移（单位度）相移（单位度）相位控制字相位控制字0 00000 45 90 01000 22.25 000101 00100 11.25 00001 80 10000信号源选用ATMEL公司低功耗单片机AT89S51作为核心控制器，与DDS芯片AD9850之间采用了并行通信方式。

软件编程主要是完成AD9850的初始化，根据输入信息和时序图，通过对应的I／O口写入控制字。

在并行加载方式下，每次加载8位，AT89S51连续5次将40位数据写入AD9850。

当为 WCLK上升沿时写入（x＝0，1，2，3，4），FQ＿UP为上升沿时再将40位数据写入频率、相位数据寄存器，同时地址指针指向第一个寄存器W0。

写入时序图见图3。

最后，AD9850芯片本身还带有一个高速比较器，需要将上述产生的正弦波通过芯片内部高速比较器输出，得到检测中使用的方波信号。

图3 AD9850控制字并行输入时序3 系统电路设计脉冲涡流检测系统的其他组成部分，有传感器驱动装置、接收信号的放大滤波电路以及数据的采集或处理部分。

AD9850输出的信号幅度很低，含有高次谐波成分，必须经过滤波、放大和驱动电路后才能加载到检测探头上。

根据不同的逼近原则和衰减特性，选择不同响应的滤波器，相比于巴特沃思滤波器（最平坦响应滤波器）和切比雪夫滤波器，椭圆滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带也比较陡峭。

本文采取椭圆低通滤波器，电路拓扑图如图4所示。

根据设计需要的滤波器指标并参考椭圆函数滤波器阶数曲线，本文使用的椭圆滤波器阶数为七阶。

最后查找椭圆函数滤波器LC元件值表，得出归一化的元件值。

根据磁场测量采取方式不同主要有采用感应线圈的电磁感应法和使用磁感应器的检测传感器法，考虑到测量磁场测量范围，与霍尔传感器无滞后效应，本系统采用霍尔传感器作为检测传感器［6］。

传感器电路见图5。

由于检测传感器感应的瞬态感应电压信号非常微弱，为了便于采集与信号处理，在采集之前首先对感应电压信号进行放大和滤波，采集的数据实时存储到PC上。

图4 椭圆滤波器的电路拓扑图图5 传感器电路4 实验数据处理与分析在本次实验中首先采用DDS技术输出检测频率1000Hz的正弦激励信号，得到的正弦信号如图6所示。

AD9850本身带有一个高速比较比较器，将上述正弦波通过高速比较器即可得到一定占空比的脉冲方波激励，利用产生的频率1000Hz，占空比50%的激励方波分别对三种不同的金属试件进行缺陷检测。

被测金属试件为两个带有损伤的铝材。

试件1是用来模拟金属厚度的变化，即大面积腐蚀引起的壁厚减薄。

10个连在一起的边长为40mm的小长方形区域的厚度从1mm变化到10mm，步长为1mm。

如图7所示。

图6 DDS产生的正弦信号试件2是用来模拟表面和下表面损伤（探头分别位于试件的上下表面时，可模拟表面损伤和下表面损伤）。

4个表面损伤和4个下表面损伤，深度分别为2mm，4mm，6mm，8mm。

图8显示了试件和损伤的尺寸。

传统的损伤信号处理方法常常使用差值信号进行分析，典型的脉冲涡流响应信号如图9所示，图中我们可以直观地看出三个检测特征量：电压峰值、峰值时间和过零时间［7］。

在每次检测前都必须先获得参考信号，即将磁传感器放置于被检试件的无缺陷处，所得响应信号作为参考信号。

被检试件的响应信号与参考信号相减，就得到了数据分析使用的差值信号。

图8 试件2：表面损伤和下表面损伤分别对壁厚减薄、表面损伤和下表面损伤进行检测，采集时间4.5s，得到A、B、C三组数据，每组4500个数据，其中以厚度为10mm的一组检测信号作为参考信号。