程 軍，李 晴，游 勇，徐 帥 ,曹國華，楊繼全

(1.南京師范大學(xué) 電氣工程及其自動化學(xué)院，南京 210023；2.南京師范大學(xué) 江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室，南京 210046)

0 引言

利用渦流法對大尺寸大面積的實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，傳統(tǒng)的手持式探測方法[1]因其檢測速度慢、數(shù)據(jù)采集靈敏度低、檢測結(jié)果也不太準(zhǔn)確，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的檢測要求，因此需要開發(fā)一種連續(xù)高速二維平面掃查系統(tǒng)，以提高檢測效率。二維平面掃查通常采用電機(jī)驅(qū)動的位移平臺或掃查架實現(xiàn)，但是電機(jī)連續(xù)運動分為加速-勻速-減速3個階段，電機(jī)運行和數(shù)據(jù)采集時鐘不一致[2-3]，采樣點和空間實際位置不匹配，造成圖像失真錯位無法判斷損傷位置[4]。基于此，本文基于位移平臺和編碼器開發(fā)連續(xù)掃查系統(tǒng)，將電機(jī)編碼器的輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡的外部時鐘，消除了加速和減速運動對采樣的影響。利用LabVIEW 軟件實現(xiàn)了掃查系統(tǒng)的電機(jī)運動和數(shù)據(jù)采集的同步進(jìn)行，實現(xiàn)了實時的渦流檢測成像，大大提高了檢測效率。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)檢測原理

電渦流檢測是基于法拉第電磁感應(yīng)定律利用探頭掃描來實現(xiàn)的[5]，探頭主要包含激勵線圈和接收線圈。當(dāng)通有交變電流的激勵線圈靠近導(dǎo)體時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一個電渦流，在渦流的作用下會形成一個磁場，產(chǎn)生的電磁場會反過來作用于探頭的接收線圈。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)損傷時，內(nèi)部形成的電渦流會產(chǎn)生變化，因而反作用于接收線圈的電磁場也會發(fā)生改變，具體體現(xiàn)為接收線圈上感應(yīng)電壓的變化。利用這個電壓變化，我們可以確定損傷區(qū)域的大小位置等信息，電渦流檢測原理圖如圖1所示。

圖1 電渦流檢測原理

1.2 系統(tǒng)組成

渦流檢測系統(tǒng)可分為運動控制和數(shù)據(jù)采集處理兩個部分。運動控制部分主要包括控制器、驅(qū)動器、X-Y位移平臺。數(shù)據(jù)采集處理部分主要是信號發(fā)生器、功率放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡。這兩部分配合上位機(jī)構(gòu)成了一整套檢測系統(tǒng)[6]，將信號發(fā)生器發(fā)出的信號利用功率放大器進(jìn)行放大，并作為激勵線圈的激勵源。在上位機(jī)控制位移臺運動掃描導(dǎo)體的同時，利用鎖相放大器提取接收線圈的有效損傷信號，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲以及強(qiáng)度圖顯示，系統(tǒng)整體設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計

2 連續(xù)同步運動采集控制

2.1 連續(xù)運動控制

連續(xù)運動控制主要是通過控制位移平臺運動實現(xiàn)探頭對檢測部件的連續(xù)掃查，該部分采用的是上位機(jī)+運動控制器的控制模式，通過上位機(jī)LabVIEW軟件并根據(jù)運動控制器的運動指令，編寫運動控制程序，完成對位移平臺的運動控制。

Visa庫中為用戶提供了串口配置、寫入、讀取、關(guān)閉等模塊，方便用戶調(diào)用。首先對串口進(jìn)行參數(shù)配置，設(shè)置波特率、終止符、停止位等來編寫串口通信程序[7]。用戶通過上位機(jī)設(shè)置速度、加速度、定長距離等參數(shù)，經(jīng)字符串轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制字符串類型后，由Write模塊寫至緩沖區(qū)，運動控制器從緩沖區(qū)讀取控制指令后實現(xiàn)位移臺的連續(xù)運動控制，最后關(guān)閉串口，避免程序執(zhí)行錯誤，具體運動控制串口通信如圖3所示。

圖3 運動控制串口通信

對于以往的單點非連續(xù)運動采集，通常都是將每一行掃描行程根據(jù)采樣點數(shù)進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分的每段均為一個獨立的運動過程，由于采樣點數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探頭的掃描長度，因而每一段細(xì)分的距離很小，探頭通常是還未加速到勻速階段便減速停止了，同時探頭每運動一段細(xì)分距離便進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。所以對于整行掃描來說，探頭的運動方式為非連續(xù)運動，數(shù)據(jù)采集方式為單點非連續(xù)采集，這種檢測方式掃描速度慢效率低，采集數(shù)據(jù)成像結(jié)果也不太準(zhǔn)確。

本系統(tǒng)采用了平面連續(xù)掃描采集的方式。探頭每行掃描過程中，只經(jīng)歷過一次加速運動、勻速運動、減速運動，而不是分成了很多個小的步進(jìn)距離疊加而成，減少了加速和減速的運動過程，不僅加快了系統(tǒng)掃查效率，同時也減小了加減速對采樣的影響。探頭的運動路徑如圖4所示，X軸方向設(shè)定距離一次性運行至終點，此為去程，接著回程原路返回。當(dāng)回到X軸原點后，Y軸定向運行設(shè)定距離，此為一個掃描周期，等待下一次掃描，重復(fù)此步驟，直到Y(jié)軸運行到終點，探頭返回原點位置完成掃描。

圖4 探頭的運動路徑

2.2 同步采集控制

同步數(shù)據(jù)采集控制，是探頭在加速勻速減速掃描情況下，將編碼器的輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)時鐘，采集鎖相放大器提取的有效損傷信號的同時，還能保證采樣點與空間實際位置能夠一一對應(yīng)的一種控制方法。

編碼器固定在電機(jī)軸端與電機(jī)共軸旋轉(zhuǎn)，其碼盤上有很多透光狹縫，光源通過透鏡進(jìn)行聚光。當(dāng)電機(jī)帶動編碼器旋轉(zhuǎn)至光柵板狹縫與碼盤基片狹縫一致時，光源會透過狹縫照射到光敏元件，光敏原件根據(jù)光的有無會產(chǎn)生一個電信號，之后再轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出，其工作的原理[8]圖如圖5所示。

圖5 編碼器原理圖

考慮在探頭的運行過程中，電機(jī)有加速、勻速、減速旋轉(zhuǎn)3個階段。若采用數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部晶振時鐘作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘，由于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部晶振時鐘輸出的是一組均勻的方波，若在整個運動過程中均采用一組均勻的方波作為數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)時鐘，當(dāng)探頭處在加速運動或者減速運動階段時，與勻速運動階段相比，將會造成探頭在加速和減速掃描階段，數(shù)據(jù)采集卡采樣時鐘與電機(jī)運行時鐘不一致，以至于采樣點與空間實際位置不匹配，造成采樣數(shù)據(jù)成像結(jié)果與實際正確結(jié)果會出現(xiàn)錯位現(xiàn)象，從而不能正確判斷損傷部位。

若采用編碼器輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘，由于編碼器是每固定角度輸出一個脈沖，且編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖總數(shù)固定，所以編碼器旋轉(zhuǎn)固定角度耗費時間在加速、勻速、減速階段也存在差異。探頭在整個運動過程中，加速和減速階段編碼器旋轉(zhuǎn)固定角度所需時間比探頭處在勻速運動階段所需時間更長，其輸出脈沖寬度比勻速運動階段編碼器輸出脈沖寬度更寬。

雖然在整個運動過程中，編碼器的輸出脈沖不是均勻分布的，但是每個脈沖對應(yīng)的空間實際位置是均勻分布的。每一個上升沿對應(yīng)相應(yīng)的采樣點能與空間實際位置相對應(yīng)，從而解決了因為加減速運動對數(shù)據(jù)采樣成像與實際成像出現(xiàn)錯位的問題，編碼器脈沖與采集卡內(nèi)部采樣時鐘脈沖輸出示意圖如圖6所示。

圖6 編碼器脈沖與采集卡內(nèi)部時鐘

取編碼器A相進(jìn)行檢測，得到電機(jī)在加速啟動和減速停止階段的編碼器輸出脈沖波形圖如圖7和圖8所示，電機(jī)加速啟動和減速停止時，編碼器脈沖不是均勻分布的，速度越小，每旋轉(zhuǎn)固定角度時間越長，脈沖寬度也就越寬。

圖7 電機(jī)加速運動的編碼器脈沖

圖8 電機(jī)減速運動的編碼器脈沖

因而同步采集控制的同步性體現(xiàn)于，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個固定角度，編碼器發(fā)出一個脈沖，對應(yīng)數(shù)據(jù)采集卡一個采樣點，不論電機(jī)是加速、減速還是勻速運動，編碼器的輸出脈沖能夠?qū)崟r反饋探頭的位置信息。將編碼器的輸出脈沖作為采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘，電機(jī)運行的同時，編碼器實時輸出電平信號，采集卡根據(jù)電平信號觸發(fā)，可以實現(xiàn)在電機(jī)運行的同時同步采集數(shù)據(jù)，保證采樣點與空間實際位置相對應(yīng)。

3 軟件程序開發(fā)與設(shè)計

上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)探頭的運動控制，同時將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并實時顯示檢測效果的強(qiáng)度圖等。

3.1 軟件程序設(shè)計

整體LabVIEW程序框圖如圖9所示。在渦流檢測系統(tǒng)運行之前，設(shè)置硬件電路參數(shù)，即信號發(fā)生器發(fā)出的激勵源信號幅值及頻率，同時設(shè)定放大增益，接著利用鎖相放大器進(jìn)行去偏置。關(guān)于軟件設(shè)計部分，首先進(jìn)行串口配置，設(shè)定串口參數(shù)。根據(jù)掃描區(qū)域大小，設(shè)定相應(yīng)的探頭運動參數(shù)、采樣點數(shù)。根據(jù)編碼器輸出，選擇采樣時鐘。根據(jù)控制器功能指令表，寫入相應(yīng)的運動指令。在每次執(zhí)行循環(huán)結(jié)構(gòu)時，首先外層循環(huán)都會對Y軸坐標(biāo)進(jìn)行判斷，判斷Y軸是否運行到終點，否則執(zhí)行回程動作并退出當(dāng)前循環(huán)。內(nèi)層循環(huán)除了判斷X軸是否運行到終點，是否執(zhí)行回程運動，同時在X軸運行過程中利用數(shù)據(jù)采集卡對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采樣及存儲，并在上位機(jī)上實時顯示強(qiáng)度圖，最終Y軸運行到終點，掃描完成跳出循環(huán)，探頭回歸初始位置，關(guān)閉串口關(guān)閉TDMS。

圖9 整體LabVIEW程序框圖

數(shù)據(jù)采集的LabVIEW軟件建模中，首先是調(diào)用函數(shù)配置物理通道、最大最小電壓，然后設(shè)定采樣時鐘源和采樣點數(shù)以及采樣率，最后對采集卡采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并拆分得到實部虛部信號[10]，其程序如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集程序

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計

用戶界面效果圖如圖11所示，主要分為兩塊，上半部分是檢測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，主要有串口選擇、采樣點數(shù)、來回程延遲以及探頭的運動參數(shù)。下半部分為檢測效果強(qiáng)度圖的實時顯示以及采樣值實部虛部的波形圖顯示。

圖11 上位機(jī)用戶界面圖

4 實驗測試與評價

本實驗以不銹鋼鋼板為例，板的厚度為2 mm，多層板表面加工出三條不同深度的裂紋，其示意圖如圖12所示，每條裂紋間距為50 mm，從左往右裂紋深度依次降低。使用高頻電渦流掃查系統(tǒng)對損傷板進(jìn)行掃描，設(shè)置掃描區(qū)域為0

圖12 實驗用不銹鋼鋼板示意圖

掃描結(jié)果波形圖如圖13所示，三條裂紋對應(yīng)3個波峰，且裂紋越深對應(yīng)的波峰值越大。當(dāng)采用編碼器輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)時鐘時，波峰的位置與實際損傷位置能夠一一對應(yīng)。而采用數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部晶振時鐘作為數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)時鐘時，在探頭處在加速運動或者減速運動階段，波峰值位置信息與實際正確結(jié)果有一個明顯的偏移。在探頭處在勻速階段，波峰值位置與實際損傷位置大體一致。因而采用編碼器輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘可以很好地解決因為電機(jī)運行與采集數(shù)據(jù)時鐘不一致造成的采樣點與空間實際位置不匹配的問題。

圖13 裂紋掃查波形對比圖

采用編碼器輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘得到的強(qiáng)度圖如圖14所示，掃查檢測的結(jié)果能夠清楚地看到三條裂紋的位置信息，且成像的裂紋位置與實際裂紋位置基本一致。

圖14 裂紋檢測圖像強(qiáng)度圖(編碼器脈沖采樣)

采用數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部晶振時鐘作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘得到的強(qiáng)度圖如圖15所示，成像結(jié)果的裂紋位置與空間實際裂紋位置有一個明顯的偏移，因而無法準(zhǔn)確判斷損傷部位的位置信息。

圖15 裂紋檢測圖像強(qiáng)度圖(采集卡內(nèi)部時鐘采樣)

5 結(jié)束語

本文利用編碼器配合位移臺，基于渦流檢測原理，實現(xiàn)了對不銹鋼鋼板的二維平面連續(xù)掃查。通過對電機(jī)連續(xù)運動過程中編碼器的輸出脈沖與晶振時鐘脈沖進(jìn)行研究，并分別將其作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā) 時鐘，設(shè)計了電渦流檢測二維連續(xù)同步掃查系統(tǒng)。通過對不同觸發(fā)時鐘得到的實驗結(jié)果與實際不銹鋼板進(jìn)行比較，證明了采用編碼器脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)時鐘的可行性。