本發(fā)明涉及一種檢測儀，尤其涉及一種交流電磁場檢測儀。

背景技術(shù)：

交流電磁場檢測技術(shù)（alternatingcurrentfieldmeasurement）是基于法拉第電磁感應(yīng)原理的主動式掃描檢測技術(shù)，該技術(shù)最早應(yīng)用于石油和天然氣的水下結(jié)構(gòu)和海上平臺設(shè)備的無損檢測中，為了解決常規(guī)無損檢測方法在水下檢測平臺中出現(xiàn)漏檢和漏判的問題。該技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理在待測工件表面感應(yīng)交流電，通過測量工件表面或近表面缺陷對交流電的擾動而形成的感應(yīng)磁場來判斷缺陷的大小，進而評價待測工件的狀態(tài)和性能。

交流電磁場檢測技術(shù)是在二十世紀(jì)八十年代由倫敦大學(xué)機械工程系的nde中心基于交流電壓降（acpd）提出的新方法。1988年lewis研究了工件外部磁場與表面磁場的耦合，基于激勵表面電流場均勻分布建立了acfm（alternatingcurrentfieldmeasurement，簡稱acfm）通用理論模型。國外交流電磁場檢測技術(shù)最初設(shè)計來源是用于焊縫結(jié)構(gòu)的檢測，隨著該技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用到其他行業(yè)，二十世紀(jì)八十年代年末首次用于石油工業(yè)的檢測。

現(xiàn)實生活中表面及近表面裂紋對于工件的危害非常明顯，容易造成安全隱患。金屬材料通常在實際生活中作為受力部件使用，長期在役使用中，在疲勞載荷、應(yīng)力腐蝕及內(nèi)外部環(huán)境的影響下，非常容易在應(yīng)力集中、疏松、焊縫及焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生表面或近表面裂紋。能否快速、方便、準(zhǔn)確地檢測出裂紋的長度、寬度、深度等信息，進而評價表面及近表面裂紋，對于在役設(shè)備的使用有著巨大的實用價值，對于預(yù)防危險事故的發(fā)生具有重要意義。

表面裂紋的檢測通常有磁粉、滲透及超聲波等檢測方法，對于含有埋深的裂紋檢測通常效果較差，并且其對金屬表面要求較高，需要對金屬表面進行除漆、去包覆層等清理工作，在試件表面粗糙和深水檢測較為困難，大大增加了檢測時間和難度。射線檢測可以應(yīng)用于表面及近表面裂紋的檢測，但是以其安全性低、儀器笨重而受到很大限制。交流電磁場檢測具有非接觸、檢測速度快、提離因素影響小、檢測靈敏度高、可實現(xiàn)定量檢測等特點，可廣泛應(yīng)用于航空航天、石油管道、鐵路交通和壓力容器等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在我國目前雖然有科研單位研制出交流電磁場檢測相關(guān)儀器，其應(yīng)用范圍仍然相當(dāng)狹小，測量靈敏度和準(zhǔn)確度有待提高。在工程應(yīng)用方面仍需更大的努力，提高交流場檢測的智能化和檢測效率，采用fpga作為交流電磁場檢測的下位機，可以將部分硬件電路軟件化設(shè)計，從而提高該檢測系統(tǒng)的靈活性和智能性，并降低設(shè)計成本，使國內(nèi)有應(yīng)用于實際檢測的產(chǎn)品。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于fpga交流電磁場檢測儀的專用數(shù)字電路及相應(yīng)的硬件模塊，通過按鍵電路可以調(diào)節(jié)交流電磁場實際檢測的參數(shù)，提高了檢測的智能化，可應(yīng)用于不同材料被測工件的檢測。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種交流電磁場檢測儀，主要包括fpga數(shù)字電路、dds激勵源模塊、功率放大電路、激勵線圈、檢測傳感器、前置放大器、信號調(diào)理板、ad轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路及通信電路；其特征是：儀器總體電路設(shè)計框圖如圖1所示：fpga控制dds激勵源模塊產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過功率放大電路后輸入給激勵線圈，激勵線圈和檢測傳感器連接，激勵線圈和檢測傳感器構(gòu)成檢測探頭，檢測傳感器和前置放大器相連，前置放大器和信號調(diào)理板相連，信號調(diào)理板和ad轉(zhuǎn)換電路相連，ad轉(zhuǎn)換電路同fpga數(shù)字電路相連，按鍵電路同fpga數(shù)字電路相連，fpga數(shù)字電路同通信電路相連。

進一步的，本發(fā)明采用fpga作為交流電磁場檢測系統(tǒng)的控制芯片，設(shè)計交流電磁場檢測數(shù)字電路，實現(xiàn)下位機對硬件模塊的控制。

進一步的，本發(fā)明的檢測傳感器由tmr磁電阻效應(yīng)傳感器構(gòu)成，能夠測量倆個方向的磁場，產(chǎn)生差分信號。

進一步的，本發(fā)明的fpga控制信號調(diào)理板的輸入時鐘頻率，適用于不同材料的待測工件。

進一步的，本發(fā)明的fpga控制交流電磁場檢測的ad轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)與上位機的通信。

進一步的，本發(fā)明通過按鍵電路可以調(diào)節(jié)激勵源模塊合成信號的頻率和相位。

目前國內(nèi)的大多數(shù)交流電磁場檢測儀使用的激勵源模塊都是采用市場上的信號發(fā)生電路模塊，其控制方式較為繁瑣。采用下位機合成的dds激勵源模塊不僅減少了外圍電路模塊的空間，而且集成的檢測系統(tǒng)便于控制，提高了檢測系統(tǒng)的靈活性。采用tmr磁阻傳感器作為磁場測量傳感器提高了檢測靈敏度，其檢測穩(wěn)定性較高，同時不需要置復(fù)位，檢測范圍廣。

本發(fā)明采用fpga芯片控制dds激勵源模塊，可產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的正弦信號，對于非金屬材料的被測工件可以提高激勵頻率來檢測；檢測傳感器采用磁電阻傳感器縮小了探頭的面積，傳感器的檢測范圍更廣，同時比線圈式檢測傳感器的穩(wěn)定性更高，可以直接測量bx、bz方向的磁場；信號調(diào)理電路由fpga控制，可以實現(xiàn)對不同頻率檢測信號的濾波。fpga數(shù)字電路作為交流電磁場檢測的主控層，決定實際檢測的方式和效率。通過修改該數(shù)字電路可以進行系統(tǒng)的維護和升級，同時將部分外圍硬件模塊軟件化，降低了交流電磁場檢測的成本，進一步提高儀器的集成化程度。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，fpga控制高速da轉(zhuǎn)換電路合成正弦信號，經(jīng)過功率放大器向激勵線圈提供交流電激勵，在待檢金屬表面感應(yīng)出交流電，交變電流遇到待測工件表面或近表面的缺陷后方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在試件表面的水平方向和垂直方向產(chǎn)生的擾動感應(yīng)磁場，檢測傳感器將兩個方向的磁場變化轉(zhuǎn)化為差分信號，經(jīng)前置放大器放大后送至信號調(diào)理板處理，經(jīng)過信號調(diào)理板濾波后，送至高速ad采集芯片采集，兩路信號經(jīng)ad采集后以spi總線的方式傳輸至fpga并實時處理傳輸至上位機處理。本文使用veriloghdl硬件描述語言設(shè)計交流電磁場檢測系統(tǒng)的專用集成電路，系統(tǒng)包括主控層和底層模塊，底層模塊為交流電磁場檢測硬件模塊的實時控制數(shù)字電路，主控層為系統(tǒng)控制模塊，包括底層模塊和檢測系統(tǒng)的控制。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：克服了當(dāng)前交流電磁場檢測儀使用外圍激勵源模塊的缺點；克服了當(dāng)前交流電磁場調(diào)節(jié)激勵頻率的繁瑣缺點；克服了當(dāng)前交流電磁場系統(tǒng)升級的困難，設(shè)計了基于fpga的交流電磁場檢測數(shù)字電路，將部分硬件軟件化；提高了交流電磁場檢測的靈活性?？朔水?dāng)前交流電磁場檢測儀檢測范圍小、檢測靈敏度低的缺點。

附圖說明

圖1基于fpga的交流電磁場檢測儀原理框圖。

在圖中，1、dds激勵源，2、功率放大電路3、激勵線圈4、檢測傳感器5、前置放大器6、信號調(diào)理板7、ad轉(zhuǎn)換電路8、fpga數(shù)字電路9、通信電路10、按鍵電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1及具體實例對本發(fā)明進行詳細說明。

一種交流電磁場檢測儀，電路連接圖如圖1所示：dds激勵源1、功率放大電路2、激勵線圈3、檢測傳感器4、前置放大器5、信號調(diào)理板6、ad轉(zhuǎn)換電路7、fpga數(shù)字電路8、通信電路9及按鍵電路10。其特征是：fpga數(shù)字電路8連接dds激勵源1，dds激勵源1同功率放大電路2相連，功率放大電路2同激勵線圈3相連，激勵線圈3和檢測傳感器4連接，檢測傳感器4同前置放大器5相連，前置放大器5信號調(diào)理板6相連，信號調(diào)理板6同ad轉(zhuǎn)換電路7相連，ad轉(zhuǎn)換電路7同fpga控制8相連，fpga數(shù)字電路8同通信電路9相連，按鍵電路10同fpga控制系統(tǒng)8相連。

整個檢測儀器包括檢測探頭、前置放大器、信號調(diào)理板、dds激勵源模塊、ad轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路、fpga數(shù)字電路和通信電路。其中檢測探頭有激勵線圈和檢測傳感器組成，用于提取檢測信號；前置放大器和信號調(diào)理板對檢測信號進行處理，前置放大器包括rc低通濾波電路和儀表放大電路，信號調(diào)理電路包括帶通濾波、電壓跟隨器、真有效值轉(zhuǎn)換電路；dds激勵源模塊包括高速da轉(zhuǎn)換電路、i/v轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路，用于產(chǎn)生交流電磁場檢測的激勵；ad轉(zhuǎn)換電路對檢測信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進行數(shù)字化處理；fpga數(shù)字電路用于控制外圍模塊，實現(xiàn)對檢測流程的控制；按鍵電路可以實現(xiàn)對外圍硬件模塊功能的控制；通信電路完成與上位機的傳輸。

交流電磁場檢測儀器的硬件電路模塊通過fpga來控制，fpga芯片采用了altera公司的cycloneⅳ系列芯片，芯片型號為ep4ce6e22c8n。在該儀器的設(shè)計過程中，主要給出了每個模塊實現(xiàn)的功能已經(jīng)模塊之間的連接方式。

基于fpga設(shè)計激勵源模塊的原理是dds(directdigitalfrequencysysthesis)直接數(shù)字頻率合成，合成信號頻率的范圍可以通過提高da芯片位數(shù)來提高，也可通過設(shè)計da數(shù)字電路來提高。fpga控制高速da轉(zhuǎn)換電路合成正弦信號，高速da轉(zhuǎn)換芯片采用dac900，通過功率放大電路放大后提供給激勵線圈，通過按鍵電路可以調(diào)節(jié)合成正弦信號的頻率和相位，適用于不同被檢材料。

檢測傳感器4由tmr2301磁電阻傳感器構(gòu)成，置于激勵線圈下方，并垂直放置與待測工件表面。檢測傳感器提取的電壓信號為差分信號，并且會受到檢測環(huán)境中工頻干擾、無線電臺和靜電干擾的影響。設(shè)計差分輸入的前置放大器來進行初級抑制噪聲，前置放大器采用ad8226，本文在檢測信號輸入端口設(shè)計rc低通濾波電路來抑制射頻干擾，同時可以隔離輸入電路和信號源，放大后的檢測信號適用于后續(xù)電路處理。

信號調(diào)理板采用ltc1068芯片設(shè)計帶通濾波電路，其時鐘頻率通過fpga提供，時鐘頻率的產(chǎn)生有fpga芯片提供。通過fpga芯片控制信號調(diào)理板所需時鐘頻率的數(shù)字電路，檢測人員只需要調(diào)節(jié)fpga輸出給信號調(diào)理板的時鐘頻率即可改變中心濾波頻率，從而實現(xiàn)對不同材料缺陷的檢測，適用于不同頻率輸入的檢測信號。

ad轉(zhuǎn)換電路采用tlc1549芯片作為ad轉(zhuǎn)換芯片，tlc1549是單通道10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)采用3.3v的工作電壓，其分辨率為3.2mv，該分辨率可以滿足檢測系統(tǒng)的需求。fpga數(shù)字電路系統(tǒng)決定檢測的過程，通過修改fpga數(shù)字電路可以對交流電磁場檢測進行控制，控制著交流電磁場檢測的外圍模塊，有利于交流電磁場的維護和升級。

以上實施方式僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，凡是按照本發(fā)明的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。