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1、基于单片机的脉冲涡流数据采集系统的设计程鲲鹏唐炜李飞周世恩(江苏科技大学机械与动力工程学院，镇江2 1 2 0 0 3)摘要在分析脉冲涡流检测原理的基础上，介绍了一种基于高速单片机W 7 7 E 5 8 的涡流数据采集系统的结构组成及设计要点，它以C P L D 为核心控制单元，通过其对A D C 转换过程、P G A 级连增益变化及与单片机的数据传输方式的控制，实现对金属表面裂纹参数的精确测量，为下一步的数据在线分析打下了基础。关键词脉冲涡流；数据采集；C P L D；单片机0 引言在金属材料使用中存在大量的断裂现象，特别是材料与构件的脆性断裂，往往会造成灾难性的事故。为了避免金属构件在加工
2、和使用过程中发生断裂，除了要加强材料本身的强度以外，更重要的是要及时发现隐患，在裂纹未构成威胁之前就检测出来。表面裂纹检测是航天航空、石油化工等行业需要重点加以解决的检测问题之一。传统的检测方法包括磁粉检测、漏磁检测和涡流检测，但都由于其自身的局限性，无法对金属表面裂纹做到准确的检测或无法适应检测的要求。而单频或多频涡流检测技术虽然能够用来检测金属表面裂纹，但由于趋肤效应的影响，往往无法兼顾到裂纹深度的变化性，限制了涡流检测技术的发展。脉冲涡流检测是一种新近发展起来的技术，由于其具有宽频特性，能够适应金属表面和深层裂纹的检测。同时由于激励的脉冲特性，使涡流在金属中存在一个易于观察的峰值，可进行
3、传统技术所没有的瞬态分析。本文设计了一种以C P L D 为主控器件，M A X l 9 5 为A D 转换器件，W 7 7 E 5 8 控制系统运行和与上位P c 机进行通信数据的涡流数据采集系统，并分析了系统的工作原理。1 原理分析常规的检测方法中，低频信号只能检测到深度裂纹，高频信号只能检测到表面裂纹。而脉冲涡流检测是以一个周期性的宽带脉冲作为激励信号的。通常为具有一定占空比的方波BJ。脉冲涡流作用原理图如图1 所示。激励线圈中的脉冲电流感应出一个快速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在导体试件中感应出瞬时涡流，而此涡流向导体试件内部传播，又感应出一个快速衰减的与原磁场方向相反的涡流磁场。随着涡
4、流磁场的衰减，检测线圈会感应出随时间变化的电压一。图l 脉冲涡流作用原理框图根据法拉第电磁感应定律，检测线圈上的瞬态感应电压 为：吩=盯咋(。，b，t)d 口d b f f d 口d b(1)K=副B d S(2)式中，K 是检测线圈在某一点处的瞬时感应电压；曰为磁场强度，口、b 分别为线圈的有效长度和宽度。当有缺陷存在时，就会使B 发生改变，从而使检测3 0 线圈上的瞬态感应电压发生相应的变化。由于脉冲信号具有宽频特性，能够覆盖各种频率，因此包含有重要的缺陷有关信息引。2系统设计基于单片机W 7 7 E 5 8 的脉冲涡流数据采集系统的基本结构如图2 所示，主要是用来检测工件的表面裂纹并最终
5、显示出裂纹相关参数。脉冲源给涡流万方数据图2 系统结构总框图传感器的激励线圈施加脉冲激励信号，当传感器探头在工件上方来回移动时，检测线圈会根据工件表面产生的涡流现象得到相应的电压信号。如表面存在裂纹，涡流峰值将发生突变，相应的电压信号也会发生改变。将此电压信号经过缓冲、前置放大、带通滤波等前置调理后，再经过级联P G A 放大、A D 转换，获得串行数据。在以上过程中，C P L D 完成P G A增益值的选择和A D 转换的逻辑控制信号。采集到的数据经W 7 7 E 5 8 进行温度补偿后，最后由串口送到P C 进行在线数据处理。该系统具有良好的人机交互界面，通过菜单操作，完成从裂纹信息信号
6、获取、数据实时显示、与上位P C 机通信及参数设置等操作的流程。2 1 脉冲激励源产生电路表面裂纹的检测精度很大程度上取决于激励信号的频率，高频率容易忽略裂纹纵向的检测，而低频率又不太容易检测得到表面裂纹。故本系统设计了一种参数可调的脉冲激励信号产生电路，如图3 所示。通过键盘参数的设置，单片机A T 8 9 C 5 1 会产生一串数字量，然后通过D A 转换，输出电压。经过平滑滤波放大后，可获得幅值、频率及占空比等参数可调的脉冲信号。图3 激励源产生电路2 2 滤波模块采用美国M A X I M 公司的通用型有源滤波器M A X 2 7 5。它内含两个独立的二阶有源滤波电路，可进行低通和带通
7、滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，中心频率可达3 0 0 k H z。为了提高对噪声的滤波性能，更好的提取出裂纹信息。本设计中采用四阶带通滤波。该电路连接如图4 所示。R lR 4堕卜N CV+2 0戈上L P o AL P O B1 9眄基_ R 54G N DB P O B1 8广1 一B P O AG N D1 7T。土一G 卜DL PB1 66I。PAB PBl571 4l8B PAI 卜I B，亡=卜、r、1 3R 39r C AF C B1 2、o业G N DV 1 r图4M A X 2 7 5 连接图该带通滤波器的传递函数为G(D=。矗1 0(3)S+S I nVJ+“式中，日
8、唧为复极点对中心角频率。处的增益，并有F o=。2 订；F o 为复极点对的中心频率；Q 为复极点对的品质因数。2 3 数据转换模块采用M A X I M 公司的逐次逼近型串行A D 芯片M A X l 9 5 和A l t e r a 公司的E P M 7 1 2 8 完成模数转换及逻辑控制等功能。M A X l 9 5 具有1 6 位转换精度，9 4 1 x s 转换时间，三态串行输出。它有两种转换传输方式：异步转换和同步转换传输。前者是在一次转换结束后以S C L K 时钟频率输出，后者是在转换期间以C L K 始终频率输出。显然，同步转换传输由于能实现不问断的连续转换，可以实现最大的转
9、换传输速度。故本系统采用同步转换输出方式。数据转换模块接口电路如图5 所示。C P L D 的I O 引脚与M A X l 9 5 的启动信号-3 l万方数据+5 Vl图5M A X l 9 5 接口电路图C O N V 和结束信号E O C 相连，控制M A X l 9 5 的转换过程。由于是同步转换传输，所以S C L K 接地。转换后的数据由D O U T 口输出至C P L D 中进行相应的处理。2 4C P L D 功能设计本系统中，C P L D 用来完成级联P G A(A D 5 2 1)的增益设定、A D 转换逻辑控制及数据的串并格式转换等。该功能设计基于M A X+P L U
10、 S 平台进行，主要采用图形输人方式结合V H D L 文本输入方式进行设计。图6 为其中的串A 并出数据转换模块，D i n 为数据输入端，c l k 为时钟信号，c l r 为清零信号。其仿真图如图7 所示。图6 串并出数据转换2 5 单片机通信模块2 5 1W 7 7 E 5 8 简介W 7 7 E 5 8 是华邦公司推出的一种高速、高集成、增强型M C S 一5 1 系列高性能的单片机。其内核经3 2：一H 1：，I：l In 几几I 几I 旦酊口=坍I几几几I 兀几：兀I 几：I 几：几：rH 啊口州i IHH而厂11 I!I!I l_ I!崔M11mi；L：I：!P L 部分时序仿
11、真图过重计，最大工作频率可达40MHz。它具有内置3BF l a hE P R M，以及2 个增强型全双工串行口等片内资源，非常适合要求高速、双串口、外围简低功耗系统的应用场合。2 2 与P C 串行通信7 7 E 5 8 在获取采集到的包含裂纹丰富信息据后，通过TILRS一232电平转换后，与上位机进行串口通信。其中，单片机串口0 在模式行通信，定时器2作为串口0的波特率发生器特率为9600。在数据发送过程中，TI=0，在接程中，R I=0，R E N=1。3 软计要点体软件流程如图8 所示。主要包括系统初、数据采集、增益调整、串并转换，键盘识2009No2旺吨鼬m 挑叫啦万方数据别、L C
12、 D 显示与P C 通信等。在此，仅介绍部分A D转换及与P C 通信的代码设计。图8 系统整体软件流程图3 1A D 转换部分代码A D C：M O VR 0。舵0 HS E T BP 3 1C L RP 3 1C A L L 兀M ES E T BP 3 4S E T BP 3 0C L RP 3 0S E T BA 8 HI N T O：C L RP 3 4M O V R 0 P lI N CR 0S E T BP 3 0C L RP 3 OS E r BP 3 4C L RP 3 5M O V R 0 P lS E T BP 3 5I N CR 0R E r l l3 2 与P C 通
13、信部分代码O R G0 0 1 0 HJ M PM A I NO R G0 0 2 3 HJ M PC O M I N T0 R G 0 0 3 0 HM A I N：M O VS P。#3 0 H；准备发低脉冲；复位M A X l 9 5；延时1 4 0 0 0 C L K；发低电平；发低电平；启动A D 转换；开中断；7 4 L S 3 7 3 使能；取低8 位数据；再启动A D 转换；7 4 L S 3 7 3 使能；取高8 位数据；串行中断人口地址；串行中断服务程序；设置堆栈L C A L LR E S TL C A L LC O M MJ M P$C O M M：M O VT M O
14、 D，#2 0 HM O VT L I，#0 F D HM O VT H l，#O F D HS E T BE AS E T BE SM O VP C O N，#8 0 HM O VS C O N，#5 0 HS E T BT R lR E TC O M I N T：C L RE SC L RR IM O VA S B U FM O VP 1 AM O VD m#T A BM O VS B U F 舵5 5J N BT I$C L Rr 1 1S E T BE SR E r l l4结语；初始化；串口初始化；原地等待；定时器T l 工作方式2；定时器初值，波特率9 6 0 0；定时器重装值；允
15、许总的中断；允许串行中断；使S M O D=l；设置串口工作方式l，R E N=1 允许接收；定时器开始工作；返回；禁止串行中断；清除接收标志位；从缓冲区取出数据；发送联机信号；等待发送完毕；清除发送标志；允许串行中断；中断返回脉冲涡流所具有的宽频和峰值易于观察和测量的特性使它非常适合于金属深层的裂纹检测，越来越多的被应用到现代无损检测中。系统采用了P G A 级联进行可调增益和M A X l 9 5 进行A D 转换，提高了系统的采集精度和适用范围。W 7 7 E 5 8 单片机引入系统，其丰富的I O 接口及更高的时钟频率和大容量存储空间，提高了整个系统电路的性能，使其结构更加紧凑。该系统
16、具有可靠性高，抗干扰强及运算速度快等特点。参考文献 1 叶子郁，朱日成应用脉冲涡流检测金属表面裂纹的研究 J 计量技术，2 0 0 5(1 0)：1 6 1 8 2 任占林涡流检测技术近2 0 年的进展 J 无损检测，1 9 9 8，2 0(5)：5 5 2 5 5 7 3 杨宾峰，罗飞路脉冲涡流无损检测技术应用研究 J 仪表技术与传感器，2 0 0 4，(8)：4 5 4 6 4 九S o p h i n，G Y T i 鲫。D T a y l o r e ta LAf e a t u r et e c h n i q u eb a s e d佃p r i n c i p l ec o m
17、p o n e n ta n a l y s i sf o rp u l s e de d d yc u r r e n tN D T N D TE I n t e r n a t i o r u d。2 0 0 3。3 6：3 7 4 13 3万方数据基于单片机的脉冲涡流数据采集系统的设计基于单片机的脉冲涡流数据采集系统的设计作者：程鲲鹏，唐炜，李飞，周世恩作者单位：江苏科技大学机械与动力工程学院,镇江,212003刊名：计量技术英文刊名：MEASUREMENT TECHNIQUE年，卷(期)：2009，(2)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.叶子郁.朱日成 应用脉冲涡流
18、检测金属表面裂纹的研究期刊论文-计量技术 2005(10)2.任占林 涡流检测技术近20年的进展 1998(05)3.杨宾峰.罗飞路 脉冲涡流无损检测技术应用研究期刊论文-仪表技术与传感器 2004(08)4.A.Sophin.G.Y.Tian.D.Taylor A featur-e technique based on principle component analysis for pulsededdy current NDT 2003 相似文献(7条)相似文献(7条)1.学位论文 叶子郁 脉冲涡流检测系统的研究 2005 脉冲涡流检测方法是涡流检测技术的一个新兴的分支，有着广泛的应用前景
19、。该项技术可用于检测金属中的裂纹和腐蚀，也可测量涂层特性与厚度。但在目前，我国脉冲涡流检测技术的研究还处于起步阶段，因而具有较高的科研价值。本文以涡流检测技术理论为基础，系统地分析了脉冲涡流检测的基本理论。以此为理论基础，设计了一套脉冲涡流检测系统用于检测金属缺陷。同时，由于金属裂纹是最常见的金属缺陷之一，而裂纹深度是裂纹的重要属性。因此，本课题主要利用该系统完成了金属裂纹深度的检测。该脉冲涡流检测系统大致可分为硬件、软件等两个子系统。基于计算机的硬件系统由激励源、涡流传感器、数据采集卡、信号放大电路、计算机这五个主要部分组成；软件部分使用LabVIEW开发了虚拟脉冲涡流检测系统，实现了对整个
20、硬件系统的控制、以及数据采集、数据处理、波形显示、数据存储等功能。并利用神经网络BP算法实现了对试验数据的拟合。试验结果揭示了金属裂纹深度和涡流峰值之间的关系，发现脉冲涡流检测方法是能够量化金属裂纹深度的有效方法。2.期刊论文 高永祥.GAO Yong-xiang 基于LabVIEW的虚拟脉冲涡流检测系统的设计-仪表技术2008,(9)利用LabVIEW软件平台所具有的强大功能,设计了虚拟脉冲涡流检测系统.其主要功能有:通过RS-232接口与单片机通讯的功能;基于研华PCI-1710数据采集卡的数据采集功能;检测信号波形的显示与存储功能;缺陷信号与参考信号的相减功能等.3.学位论文 徐晨曦 脉
21、冲涡流检测实验系统的研制 2009 脉冲涡流检测技术是用一种新型无损检测技术，是涡流检测的一种新的应用领域。它是采用占有一定宽频带的脉冲信号作为激励信号，能够得到宽频带丰富的检测信息，因而具有潜在的应用优势，尤其是在多层金属结果中间层或次表面的定量检测和评估方面。该检测技术主要利用特征量和响应信号波形来对缺陷进行检测和定量分析。本文研制的脉冲涡流检测实验系统包含硬件和软件两部分设计。在脉冲涡流作用原理及其理论的基础上设计并实现了一套完整的硬件实验平台和软件分析平台。硬件部分包括探头的设计；线圈驱动电路；信号调理电路；数据采集电路；待测试件的设计等。其中，激励信号通过单片机产生。通过对各种不同传
22、感元件的比较后，探头采用霍尔元件作为它的检测传感器，软件部分包括利用Magnet有限元分析软件仿真探头工作时，在周围空间产生的磁场分布，为探头的设计提供参考依据。利用Matlab软件实现对采集信号的分析和处理，通过小波变换实现对信号的滤波与去噪，最终得到被测试件缺陷的一些特征量，如电压峰值和峰值时间等。利用VC+和Matlab 相结合，实现金属缺陷的实时检测。利用提取的特征量实现对金属缺陷的分类识别与定量检测；并通过大量的实验进行实验检测，实验分析结果和理论分析相一致，验证了本文所采用方法的正确性和有效性。最后，对整个论文做了个总结，并对进一步工作提出了展望。4.期刊论文 王雅萍.WANG Y
23、a-ping 脉冲涡流无损检测系统的设计-传感器与微系统2007,26(8)阐述了脉冲涡流无损检测系统的基本原理和组成.介绍了利用圆柱形线圈作为传感器进行金属导体表面裂纹的无损检测系统的激励源、信号放大及A/D转换部分.经实验表明:采用激励频率为1 000Hz,占空比45%55%时的测试效果最佳;激励电压采用7.5V,信号总放大倍数为1000得到的信号最适合PCI1712进行数据采集;缺陷深度与涡流的峰值电流相对应.5.学位论文 王俊英 脉冲涡流无损检测系统与信号处理的应用研究 2006 涡流无损检测技术作为五大常规无损检测技术之一，不仅能够探测导体表面的涂层厚度，材料成分，组织状态以及某些物
24、理量和机械量，还能检测材料或构件中是否有缺陷并判断缺陷的形状，大小，分布，走向及内部固含物。脉冲涡流无损检测技术因其激励信号的频域特点，有效率高，检测准确的特性，有作广泛的应用前景。本文以涡流检测技术理论为基础，系统地分析了脉冲涡流检测的基本理论。以此为理论基础，设计了一套脉冲涡流检测系统用于检测金属缺陷。该脉冲涡流检测系统可分为硬件、软件两个子系统。基于计算机的硬件系统由激励源、涡流传感器、信号放大电路、数据采集卡、计算机这五个主要部分组成；由于涡流探伤中，影响涡流的因素很多，产生大量噪声使得信号分析相对困难，因此本文引入了小波理论进行信号分析以提取缺陷信号特征值。由于金属裂纹和是最常见的金
25、属缺陷，而缺陷深度是缺陷重要属性。因此，最后，本课题在利用信号分析提取的特征值之上，用神经网络BP算法实现了对试验数据的拟合，最终实现了对金属缺陷深度的定量检测。本实验结果表明：金属裂纹深度与涡流峰值有很大的相关性。可以将涡流峰值作为金属裂纹深度量化的特征值。6.期刊论文 王东锋.陶盛.汪定江.WANG Dongfeng.TAO Sheng.WANG Dingjiang 用于脉冲涡流检测的变频信号源设计-新技术新工艺2009,(9)设计了用于脉冲涡流检测的变频信号源系统,其输出频率在1003 000 Hz内精确可调,主要用于210 mm深度的飞机内层结构缺陷的检测.系统采用单片机软件进行数字调
26、频,从而省去了传统的专用调频电路,使软件代替了硬件,降低了硬件成本,简化了硬件结构.软件设计采用中断技术控制数据采集和A/D转换,避免了不必要的重复,提高了控制精度.Proteus仿真结果表明,系统设计正确、运行可靠.7.学位论文 张斌强 脉冲涡流检测系统的设计与研究 2009 脉冲涡流检测是近十几年迅速发展起来的一种无损检测新技术，其宽频谱的激励方式在复杂结构的检测中可获得更多的缺陷信息，因而成为目前航空无损检测领域的一个研究热点。本论文首先分析了脉冲涡流检测技术的研究背景，阐述了脉冲涡流检测技术的特点以及国内外研究现状和发展趋势，论述了脉冲涡流工作原理及其理论基础，并利用Comsol有限元
27、分析软件对脉冲涡流检测探头进行了仿真实验，给出了优化的激励线圈参数和激励信号的频率。然后在此基础上研究并实现了一套完整的脉冲涡流检测系统实验平台，其中主要包括脉冲发生装置、传感器探头设计、标准试块的设计、信号调理电路和数据采集与处理五个部分的内容。接下来利用该实验平台，针对模拟的标准试块进行了实验研究，采用低通滤波、小波去噪、同步累加等信号处理方法对检测信号进行了预处理，并从时域和频域两个角度对缺陷处的差分响应信号进行了特征值的提取，在频域中还首次运用信号基波分量的幅值和一次谐波分量的幅值之比作为新的特征值进行了分析和研究。通过对时域和频域特征值分别进行分析和研究的基础上，利用时域和频域特征量实现了对表面缺陷、亚表面缺陷和金属厚度变化三种不同类型缺陷的分类识别与比较，并给出了最佳的分类识别方法。最后，对本论文的工作进行了总结，并对进一步的研究工作提出了一些建议。本文链接：http:/