1 引 言
在涡流检测中,缺陷长度和高度与阻抗信号幅值存在对应关系,且缺陷深度对检测信号引发相位滞后效应,即离表面不同深度的涡流相位滞后于表面涡流的相位,且深度与信号相位存在一定的关系,利用该效应的相位分析,能够判别出缺陷深度并区分缺陷信号与其它无关的干扰信号。基于当前的研究成果,线圈阻抗信号的二维分析能够提供关于缺陷的更为丰富的信息,从而能够大大提高缺陷检测的准确率,所以对检测线圈阻抗的相位和幅值信息的可靠提取是涡流检测的关键技术之一。①
2 阻抗信号分解的相关理论
涡流检测线圈的阻抗值是一个矢量,可分解为相互垂直的电阻分量R和感抗分量XL,表示为:
采用阻抗分析法,根据阻抗信号反演被测缺陷的形状和位置,需要将检测线圈的阻抗信号进行正交分解,即得到电阻分量R和感抗分量XL。阻抗信号分解的硬件框图如图1所示。图1中载波频率振荡器即为涡流检测系统的激励频率振荡器,该振荡器一方面要为涡流探头中激励线圈提供激励电流并产生激励磁场,从而在试件中产生涡流,受涡流磁场影响后的检测线圈的阻抗信号经桥路转换成电压信号,并经前置放大处理后得到信号Us,Us为两个相敏检波电路的输入信号;另一方面该振荡器的输出信号经过可调移相器调节后作为一路相敏检波器的参考信号Ur1,同时经过90°移相器的信号作为另一路相敏检波器的参考信号Ur2。相敏检波器由模拟乘法器与低通滤波器构成[1~3]。
低通滤波器滤除高频分量后,得到UR输出表达式为:
由上述推导过程可发现,相敏检波的参考信号Ur1和Ur2相位差应为90°,即两参考信号应该是正交的。综上所述,同步且正交的相敏检波参考信号的实现是阻抗信号分解技术的核心设计内容。在此基础上,将UR和UX经过数据采集卡传送到PC机上进行相关数据处理,可完成对缺陷参数的定量分析。
3 基于DDS技术的涡流阻抗信号分解器
直接数字频率合成(DDS)技术是一种具有低相位噪声和优良杂散噪声性能的灵活的频率源,它在许多应用中能比基于锁相环(PLL)的频率合成器有显著的优势。作为一个基于数字的波形发生器,其频率、相位和幅度的改变可以通过一个简单的可编程端口来实现。由图1可知载波频率振荡器是构成涡流检测阻抗信号分解器的组成之一,为得到频率可调且相位正交的相敏检波参考信号,鉴于DDS技术在频率合成上的各种优势,近年来DDS技术在涡流检测上的应用越来越广泛。
3.1 单片单通道DDS的应用实现
阻抗信号分解器中只运用一片单通道DDS芯片,其实现框图如图2所示。
由图2可知,由MCU(微处理器)控制的DDS产生的正弦波信号一方面放大后提供给激励探头产生交变磁场,另外一路不经过移相电路放大后作为一路乘法器的参考信号,另一路经过移相电路放大后作为另一路乘法器的参考信号,两路乘法器的输出通过低通滤波去除高频分量后送入采集卡处理。其中移相电路如图3所示。令图3中R3=R2,该移相电路传递函数则为:
3.2 多片单通道DDS的并联应用实现
选择涡流检测系统不同的激励频率可进行不同的检测工作,因此多数涡流检测设备需要提供可变频率的振荡器和一些固定频率的步进值,以方便选择适当的激励频率来满足特定的检测要求。这样单通道DDS技术加移相电路的方案就受到限制,需要的解决方案是在改变频率的前提下,保证相敏检波参考信号的正交特性。因此多片单通道DDS并联方案应运而生。该方案的实现框图如图4所示。
图4中MCU通过对两路DDS的相位控制字的编程控制,两路DDS可输出两路正交的信号[4]。以ADI公司的AD9832为例,该芯片的频率控制字为32位,相位控制字为12位。DDS芯片频率控制字FTW与输出频率fo对应关系为:
根据式(12)和式(13)可知:在20MHz的系统时钟下,AD9832的频率控制分辨率可达0.047Hz,相位控制分辨率可达0.089°。实际应用中,因滤波、放大或印制电路板布线相关的不匹配,特别在系统上电的瞬间,多片单通道DDS芯片的启动时间可能相差50μs以上,系统时钟按照20MHz计算,其启动时间将相差约1000个系统时钟,导致最后输出参考信号波形相位差为180°,而不是90°。为解决这种多片单通道DDS芯片间的不同步问题,通常引入闭环控制思想[5],在系统中加入鉴相电路,鉴相电路由模拟乘法器、低通滤波器以及AD转换三部分组成,最后相位差的结果经AD转换后及时向MCU反馈,从而不断调整各DDS的相位控制字。最后相敏检波参考信号的正交精度取决于鉴相电路各组成部分的精度,精度要求越高,其实现成本也越高。
3.3 单片多通道DDS的应用实现
从上述两种设计可知,如果能解决多片单通道DDS芯片间的同步问题,则其后的鉴相电路可省略,这样可使系统结构大为简化,系统集成度及精度大为提高,且可操作性大为增强。ADI公司推出AD9959是ADI公司生产的四通道直接数字频率合成器,有4个DDS核并能够提供4个内部同步、独立编程的输出通道;各路信号产生时,频率、相位、幅度控制是独立的;具有32位频率调整分辨率和14位相位分辨率,芯片间具有同步控制信号;且由于AD9959的每个通道均可编程[7],因此可对因模拟处理(如滤波、放大)或者PCB布线失配而导致的外部信号通道不均衡进行预处理校正控制,从而实现四个通道信号的同步及相位差的准确控制,目前已在雷达、声光滤波和基带上变频等军事通信领域得到应用。为彻底解决涡流检测系统阻抗分解中需要同步正交相敏检波参考信号的实现难题,本文提出采用多通道DDS技术实现阻抗信号分解的新方法,其应用原理框图如图5所示。
图5中涡流探头所需的激励信号单独由一通道提供,另外两路相敏检波参考信号分别由AD9959DDS芯片的两个通道提供。将探头所需激励信号分离出来有利于减少同一通道输出的负载压力,使得提供给相敏检波的参考信号更加稳定、纯净。
为了使AD9959输出信号频率准确稳定,设计了如图6所示的时钟输入电路。该图中,TC13M为MiNICircuit公司的RF变压器,可以有效抑制有源晶振的噪声,能够得到纯净的时钟信号。
