专利名称：一种智能数字涡流探伤仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种涡流检测装置，特别是涉及一种基于FPGA芯片的全自动化智能数字涡流探伤仪。
背景技术：
涡流检测就是采用电磁感应原理，用正弦波电流激励探头线圈，当探头接近金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。对于平板金属，感应电流的流向是以线圈同心的圆形，形似漩涡，称为涡流。同时涡流也产生相同频率的磁场，其方向与线圈方向相反。涡流通道的损耗电阻，以及涡流产生的反磁通，又反射到探头线圈，改变了线圈的电流大小及相位，即改变了线圈的阻抗。因此，探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线圈阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其他物理性质变化。涡流检测技术属于无损检测技术，适用于金属表面和亚表面的全方位的检测，无需打磨，无需化学试剂，无需清除表面防腐层和污锈。可同时进行裂纹、暗缝、气孔、夹杂、材质分选，渗碳深度和热处理状态评价，以及硬度测量等。已被广泛地应用于各个工业领域，特别是制造业、冶金、航天航空、 石油化工、铁路和地铁、军工武器等领域更是如此。现有涡流检测仪器一般分二种形式一种是模拟式涡流检测仪，另一种是数字式涡流检测仪。模拟式涡流检测仪一般采用单频或双频检测，检测灵敏度高、操作比较简单， 重现性好；但是工作频率比较单一，检测材料范围很窄，体积相对很大，不适合便携式检测， 抗干扰能力也不强。数字式涡流检测仪一般采用连续可调的频率，检测材料范围很宽，体积小、轻便，抗干扰能力强；但是由于放大电路和高低通滤波电路要兼顾不同频率的检测，为了提高仪器的信噪比，电路灵敏度不能太高，所以对材料上细小的缺陷很难检测出来。传统的涡流检测仪器在检测领域想要扩展和延伸就需要在电路方面进行改进。

实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种智能数字涡流探伤仪，是一种基于FPGA芯片和ARM芯片的智能数字涡流探伤仪，具有抗干扰能力强，检测频率宽 (50Hz到IOMHz连续可调)，操作方便，高精度、高灵敏度、高信噪比的特点，适用于不同形式的检测需求，实用方便，功能多样。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种智能数字涡流探伤仪，包括一基于FPGA的信号发生模块，用来产生涡流无损检测用的激励信号；—基于FPGA的信号处理模块，用来对信号发生模块产生的信号进行放大处理输出并加载至检测对象，以及用来对从检测对象所拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；一信号采集模块，包括以探头为载体的传感器，用来采集检测对象反馈回来的信号；一基于ARM的数据通信接口单元；一主控制模块，用来产生控制信号；主控制模块、信号发生模块、信号处理模块、信号采集模块分别与数据通信接口单元相连接；主控制模块向信号发生模块和信号处理模块输出控制信号以分别调整信号发生模块的激励信号的参数和信号处理模块的处理参数；信号发生模块产生激励信号并进行数模转换，信号处理模块对激励信号进行放大处理后加载至检测对象；信号采集模块拾取检测对象的反馈信号；信号处理模块对信号采集模块拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；主控制模块对检测结果进行显示和报警处理。所述的信号发生模块包括DDS信号发生控制器、DDS信号发生器、无源低通滤波器、数控信号幅度增益单元和单位增益差分放大器；DDS信号发生控制器的输出接至DDS信号发生器的输入，DDS信号发生控制器控制DDS信号发生器产生正弦信号；DDS信号发生器的输出接至单位增益差分放大器的输入，单位增益差分放大器用于将DDS信号发生器产生的两路单极性差分正弦信号转换成一路双极性正弦信号；单位增益差分放大器的输出接至无源低通滤波器的输入；无源低通滤波器的输出接至数控信号幅度增益单元的输入；DDS 信号发生控制器的输出接至数控信号幅度增益单元。所述的信号处理模块包括前置信号处理单元、模数转换单元和X-R正交分解器； 前置信号处理单元对传感器信号进行信号分离、滤波、消除干扰及数控幅度调节；前置信号处理单元的输出接模数转换单元的输入，模数转换单元对前置信号处理单元的输出信号进行模数转换处理；模数转换单元的输出接X-R正交分解器的输入，X-R正交分解器对模数转换单元的输出信号进行处理，分别提取出阻抗和电阻两个分量并完成调理后输出。所述的X-R正交分解器包括四象限模拟乘法器、低通滤波器和增益放大器，四象限模拟乘法器的输出接低通滤波器的输入，低通滤波器的输出接增益放大器的输入。所述的探头为笔式结构、马鞍式结构、外穿过式结构、内穿过式结构或放置式结构。本实用新型的一种智能数字涡流探伤仪，是采用基于FPGA芯片的直接数字频率合成器(DDQ的设计方法，对信号进行精确地调频和调幅，并加载至传感器；采用正交式传感器来克服试件因表面粗糙等原因产生的提离信号，从而减小对微小缺陷信号的影响；利用麦克斯韦电磁方程原理来拾取涡流信号；利用大规模集成运放对微小信号程控放大，具有运算能力强和实时性好的特点，并降低了仪器的成本；利用FPGA实现对信号变换域分析、带通带阻滤波及信号合成处理，提高检测的精度和可靠性；基于FPGA的USB高速模式与 ARM的数据传输，利用ARM实现信号的实时二位图像处理机人机界面。采用这些设计方法， 不仅使数据的运算处理速度和精度大大提高，也使探伤仪的体积大大减小。本实用新型作为便携式涡流探伤仪，由锂电池供电，适合高空、在役、现场等特殊场合及环境下工作；仪器可接笔式、马鞍式、外穿过式、内穿过式、放置式探头，测量各种形状的材料。本实用新型的有益效果是，采用了一基于FPGA的信号发生模块、一基于FPGA的信号处理模块、一信号采集模块、一基于ARM的数据通信接口单元和一主控制模块来构成能数字涡流探伤仪，且主控制模块、信号发生模块、信号处理模块、信号采集模块分别与数据通信接口单元相连接；主控制模块向信号发生模块和信号处理模块输出控制信号以分别调整信号发生模块的激励信号的参数和信号处理模块的处理参数；信号处理模块对信号发生模块的激励信号进行数模转换和放大处理而后加载至检测对象；信号采集模块拾取检测对象的反馈信号；信号处理模块对信号采集模块拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；主控制模块对检测结果进行显示和报警处理。采用该结构后，本实用新型具有抗干扰能力强，检测频率宽(50Hz到IOMHz连续可调)，操作方便，高精度、高灵敏度、高信噪比的特点，能适用于不同形式的检测需求，实用方便，功能多样。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种智能数字涡流探伤仪不局限于实施例。

图1是本实用新型的框架结构示意图；图2是本实用新型的信号发生模块的结构框图；图3是本实用新型的信号处理模块的结构示意图；图4是本实用新型的原理框图。
具体实施方式
实施例，参见图1所示，本实用新型的一种智能数字涡流探伤仪，包括一基于FPGA的信号发生模块1，用来产生涡流无损检测用的激励信号；一基于FPGA的信号处理模块2，用来对信号发生模块产生的信号进行数模转换和放大处理输出并加载至检测对象，以及用来对从检测对象所拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；—信号采集模块3，包括以探头为载体的传感器，用来采集检测对象反馈回来的信号；一基于ARM的数据通信接口单元4 ；一主控制模块5，用来产生控制信号；主控制模块5、信号发生模块1、信号处理模块2、信号采集模块3分别与数据通信接口单元4相连接；主控制模块5向信号发生模块1和信号处理模块2输出控制信号以分别调整信号发生模块1的激励信号的参数和信号处理模块2的处理参数；信号发生模块1 产生激励信号并进行数模转换，信号处理模块2对激励信号进行放大处理后加载至检测对象；信号采集模块3拾取检测对象的反馈信号；信号处理模块2对信号采集模块3拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；主控制模块5对检测结果进行显示和报警处理。主控制模块5通过数据接口单元4与外部控制系统连接。整个系统可以完成涡流无损检测的全部流程，包含激励中的信号、信号处理中的参考信号等各项参数的智能全数字化处理及针对不同涡流传感器信号的智能全自动处理等。参见图2所示，所述的信号发生模块1包括DDS信号发生控制器11、DDS信号发生器12、无源低通滤波器13、数控信号幅度增益单元14和单位增益差分放大器15 ；DDS信号发生控制器11的输出接至DDS信号发生器12的输入，DDS信号发生控制器11控制DDS信号发生器12产生正弦信号；DDS信号发生器12的输出接至单位增益差分放大器15的输入，单位增益差分放大器15用于将DDS信号发生器12产生的两路单极性差分正弦信号转换成一路双极性正弦信号；单位增益差分放大器15的输出接至无源低通滤波器13的输入； 无源低通滤波器13的输出接至数控信号幅度增益单元14的输入；DDS信号发生控制器11 的输出接至数控信号幅度增益单元14。数控信号幅度增益单元用于将单位增益差分放大器输出的信号在满量程范围内实现数控幅度调节，从而产生数控可调节参数的正弦信号。参见图3所示，所述的信号处理模块2包括前置信号处理单元21、模数转换单元 22和X-R正交分解器23 ；前置信号处理单元21对传感器信号进行信号分离、滤波、消除干扰及数控幅度调节；前置信号处理单元21的输出接模数转换单元22的输入，模数转换单元 22对前置信号处理单元21的输出信号进行模数转换处理；模数转换单元22的输出接X-R 正交分解器23的输入，X-R正交分解器23对模数转换单元22的输出信号进行处理，分别提取出阻抗和电阻两个分量并完成调理后输出。所述的X-R正交分解器23包括四象限模拟乘法器、低通滤波器和增益放大器，四象限模拟乘法器的输出接低通滤波器的输入，低通滤波器的输出接增益放大器的输入。X-R正交分解器23用于将输入的传感器信号分别提取出阻抗和电阻两个分量并完成调理后输出。四象限模拟乘法器用于完成传感器信号与正交参考信号的调制，即傅里叶变换，低通滤波器用于提取四象限模拟乘法器输出的调制信号中的直流成分，增益放大器用于将低通滤波器输出的阻抗和电阻直流分量放大到预定范围。参见图4所示，计算机系统(属于主控制模块)通过数字模块中基于FPGA芯片的直接数字频率合成器产生激励源信号，激励信号经过DA模块(属于信号处理模块)进行模数转换后放大(属于信号处理模块)并加载至传感器。系统采用FPGA精确控制激励源信号的调频和调幅，增大了激励信号加载至传感器时的幅值并提高精度，使信号频率更接近检测材料的谐振点，有利于提高对检测工件的磁化能力。通过ARM的人机界面接口用户可以随意修改激励源信号大小及相位。计算机通过传感器得到涡流信号，由于传感器包括激励线圈与接收线圈，因此接收器上夹杂着激励信号、谐振信号和缺陷信号，需要对信号进行提取、抑制和滤波。利用FPGA对信号进行分段拾取，在经过专用仪用放大器对信号进行积分，程控放大器实现对信号的实时增益控制、运算放大器对信号进行多阶滤波，并用差动放大器消除信号的差模干扰。用户通过人机界面调整参数，对信号进行实时更新，使用方便、 快捷、简单。信号处理后进行模数转换，送至DSP进行速傅里叶变换，随后依次经过多阶高速可调带通滤波、抽取、压缩和编码等处理，采用FPGA对信号进行暂存，通过FIFO及RAM实现数据缓冲，利用USB打包处理；ARM的USB接口实现对FPGA的控制和信号的接收，ARM界面进行显示。仪器基于FPGA的高速USB与ARM的数据传输，利用ARM实现信号的实时二位图像处理机人机界面接口。用户通过ARM上的人机接口界面进行软件系统操作。通过设置探头匹配大小及探头驱动大小控制探头激励信号的幅值；通过设置频率大小及相位旋转控制激励信号的频率与相位，激励信号的幅值设置软件系统占主要部分；通过设置高、低通频率，控制对DSP 信号处理的带通滤波的带宽、压缩率等参数；自动平衡的控制为数字控制，相对模拟平衡更加精确；除了增益大小的控制，对FPGA实现存储大小、传输速度、信号增益比等也可进行控制。软件系统最终以实时阻抗图和时基图显示到显示屏幕上，更加形象客观的把缺陷信号呈现给客户。除了参数控制之外，客户可根据需求配置多个报警框分区报警；检测前，标定缺陷大小，检测时软件系统自动评定缺陷大小、裂纹深度，实时显示幅值、相位。软件系统除了检测控制之外，可以对存储的检测数据进行回放分析，可对某个缺陷信号进行放大，相位调整等详细分析。本实用新型的一种智能数字涡流探伤仪，是采用基于FPGA芯片的直接数字频率合成器(DDQ的设计方法，对信号进行精确地调频和调幅，并加载至传感器；采用正交式传感器来克服试件因表面粗糙等原因产生的提离信号，从而减小对微小缺陷信号的影响；利用麦克斯韦电磁方程原理来拾取涡流信号；利用大规模集成运放对微小信号程控放大，具有运算能力强和实时性好的特点，并降低了仪器的成本；利用FPGA实现对信号变换域分析、带通带阻滤波及信号合成处理，提高检测的精度和可靠性；基于FPGA的USB高速模式与 ARM的数据传输，利用ARM实现信号的实时二位图像处理机人机界面。采用这些设计方法， 不仅使数据的运算处理速度和精度大大提高，也使探伤仪的体积大大减小。上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种智能数字涡流探伤仪，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求1.一种智能数字涡流探伤仪，其特征在于包括一基于FPGA的信号发生模块，用来产生涡流无损检测用的激励信号；一基于FPGA的信号处理模块，用来对信号发生模块产生的信号进行放大处理输出并加载至检测对象，以及用来对从检测对象所拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；一信号采集模块，包括以探头为载体的传感器，用来采集检测对象反馈回来的信号；一基于ARM的数据通信接口单元；一主控制模块，用来产生控制信号；主控制模块、信号发生模块、信号处理模块、信号采集模块分别与数据通信接口单元相连接；主控制模块向信号发生模块和信号处理模块输出控制信号以分别调整信号发生模块的激励信号的参数和信号处理模块的处理参数；信号发生模块产生激励信号并进行数模转换，信号处理模块对激励信号进行放大处理后加载至检测对象；信号采集模块拾取检测对象的反馈信号；信号处理模块对信号采集模块拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；主控制模块对检测结果进行显示和报警处理。
2.根据权利要求1所述的智能数字涡流探伤仪，其特征在于所述的信号发生模块包括DDS信号发生控制器、DDS信号发生器、无源低通滤波器、数控信号幅度增益单元和单位增益差分放大器；DDS信号发生控制器的输出接至DDS信号发生器的输入，DDS信号发生控制器控制DDS信号发生器产生正弦信号；DDS信号发生器的输出接至单位增益差分放大器的输入，单位增益差分放大器用于将DDS信号发生器产生的两路单极性差分正弦信号转换成一路双极性正弦信号；单位增益差分放大器的输出接至无源低通滤波器的输入；无源低通滤波器的输出接至数控信号幅度增益单元的输入；DDS信号发生控制器的输出接至数控信号幅度增益单元。
3.根据权利要求1所述的智能数字涡流探伤仪，其特征在于所述的信号处理模块包括前置信号处理单元、模数转换单元和X-R正交分解器；前置信号处理单元对传感器信号进行信号分离、滤波、消除干扰及数控幅度调节；前置信号处理单元的输出接模数转换单元的输入，模数转换单元对前置信号处理单元的输出信号进行模数转换处理；模数转换单元的输出接X-R正交分解器的输入，X-R正交分解器对模数转换单元的输出信号进行处理，分别提取出阻抗和电阻两个分量并完成调理后输出。
4.根据权利要求3所述的智能数字涡流探伤仪，其特征在于所述的X-R正交分解器包括四象限模拟乘法器、低通滤波器和增益放大器，四象限模拟乘法器的输出接低通滤波器的输入，低通滤波器的输出接增益放大器的输入。
5.根据权利要求1所述的智能数字涡流探伤仪，其特征在于所述的探头为笔式结构、 马鞍式结构、外穿过式结构、内穿过式结构或放置式结构。
专利摘要本实用新型公开了一种智能数字涡流探伤仪，包括一基于FPGA的信号发生模块、一基于FPGA的信号处理模块、一信号采集模块、一基于ARM的数据通信接口单元和一主控制模块；主控制模块向信号发生模块和信号处理模块输出控制信号以分别调整参数；信号发生模块产生激励信号并进行数模转换，信号处理模块对激励信号进行放大处理后加载至检测对象；信号采集模块拾取检测对象的反馈信号；信号处理模块对信号采集模块拾取的信号进行信号分离、滤波、消除干扰和分析处理；主控制模块对检测结果进行显示和报警处理。采用该结构后，本实用新型具有抗干扰能力强，检测频率宽(50Hz到10MHz连续可调)，操作方便，高精度、高灵敏度、高信噪比的特点，能适用于不同形式的检测需求，实用方便，功能多样。
文档编号G01N27/90GK202002911SQ20112009587
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者李达兴, 高金渡 申请人:厦门安锐捷电子科技有限公司