片机的脉冲涡流数据采集系统的设计.pdf

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1、万方数据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212003)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W77E58的涡流数据采集系统的结构组成及设计要点，它以CPLD为核心控制单元，通过其对ADC转换过程、PGA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；CPLD；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和

2、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

3、流在金属中存在一个易于观察的峰值，可进行传统技术所没有的瞬态分析。本文设计了一种以CPLD为主控器件，MAXl95为A／D转换器件，W77E58控制系统运行和与上位Pc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

4、减的与原磁场方向相反的涡流磁场。随着涡流磁场的衰减，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db／ffd口db(1)K=副B·dS(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·30·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W77E58的脉冲涡流数据采集系统的基本结构

5、如图2所示，主要是用来检测工件的表面裂纹并最终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PGA放大、A／D转换，获得串行数据。在以上过程中，CPLD完成PGA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W77E58进行温度补偿后，最后由串口送到PC进行在线数据处理。该系统具有良好的

6、人机交互界面，通过菜单操作，完成从裂纹信息信号获取、数据实时显示、与上位PC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AT89C51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MAXIM公司的通用型有源滤波器MAX275。它内含两个独

7、立的二阶有源滤波电路，可进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，中心频率可达300kHz。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。RlR4堕卜NCV+20戈上LPoALPOB19眄基_R54GNDBPOB18广1一BPOAGND17T。土一G卜DLPB166I。PABPBl5714l8BPAI卜IB，亡=卜⋯、『r、13R39rCAFCB12‘、o业GNDV—1}r图4MAX275连接图该带通滤波器的传递函数为G(D=‰。矗‰／10(3)S+SI∞nVJ+“式中，日唧为复极点对中心角频率∞

8、。处的增益，并有Fo=∞。／2订；Fo为复极点对的中心频率；Q为复极点对的品质因