1、2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家自然科学基金资助项目(51865039)收稿日期:20220413基于 DPSD 算法的交流电磁场检测系统的研制徐有芳，任尚坤，袁润冲(南昌航空大学，无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063)摘要:文中以 FPGA 为核心设计基于 DPSD 算法的 ACFM 检测系统，实现对检测信号自适应滤波，提取幅值的功能。系统由探头、前端处理电路、FPGA、上位机软件组成，并基于 FPGA 设计 DDS 激励源。以不锈钢板为测试对象设计试验，验证系统性能。结果表
2、明:系统针对微小裂纹具有良好的检出效果，且在系统稳定性、集成性及灵活性方面具有很好性能。关键词:交流电磁场检测(ACFM);FPGA;数字相敏检波(DPSD);直接数字频率合成(DDS);信号采集;信号处理中图分类号:TG115文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02012106Development of Alternating Current Electromagnetic FieldMeasurement System Based on DPSD AlgorithmXU You-fang，EN Shang-kun，YUAN un-chong(Nanchang Hangko
3、ng University，Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang 330063，China)Abstract:The ACFM detection system based on DPSD algorithm was designed with FPGA as the core to realize the functionof adaptive filtering and amplitude extraction of the detection signal The system
4、 was composed of probe，frontend processing cir-cuit，FPGA and host computer software，and DDS excitation source was designed based on FPGA Taking the stainless steel plateas the test object，the test was designed to verify the performance of the detection system The results show that the system hasgood
5、 detection effect for micro cracks，and has excellent performance in system stability，integration and flexibilityKeywords:alternating current field measurement(ACFM);FPGA;digital phase sensitive detection(DPSD);direct digital synthe-sizer(DDS);signal acquisition;signal conditioning0引言随着社会与工业生产的快速发展，各
6、类特种设备不断产生，无损检测作业难度也日渐提高1。针对一些特殊工业设备如海底管道、航空航天工件、铁路轨道等，传统无损检测技术有一定的局限性，不易对设备缺陷进行检出2。交流电磁场检测技术是一种将传统涡流检测和交流电压降检测的优点结合发展而来的无损检测技术3。该技术具有非接触测量、受工件表面影响小、无需耦合剂且可以对裂纹长度及深度进行反演计算等优点，因此被广泛应用于特种设备检测中45。目前应用于工业生产中的交流电磁场检测设备大多是从传统模拟电路的角度对检测信号进行处理，存在检测系统电路冗杂、功耗高、规模大、不易更新等缺点6。针对上述问题，本文通过对数字相敏检波算法进行详细分析，结合交流电磁场检测技
7、术对检测信号的要求，设计了一套基于数字相敏检波算法的交流电磁场检测系统并进行试验测试。该系统通过 FPGA来实现 DPSD 算法，从数字电路的角度完成对检测信号的处理及提取，为交流电磁场检测设备的研发提供一种全新思路7。1交流电磁场检测原理交流电磁场检测技术的理论基础是电磁感应原理8。当向探头中激励线圈通入交变电流时，探头与待检铁磁性工件感应出交变磁场，进而在工件中形成均匀感应电流。在趋肤效应的影响下，感应电流只在工件表面及近表面流动，在经过工件表面及近表面的裂纹时，由于裂纹处电阻率较大，感应电流发生畸变从而形成感应磁场9。ACFM 原理如图 1 所示。检测线圈提取工件表面的感应磁场 X 轴分
8、量和 Z 轴分量，通过将 Bx和 Bz信号转化为电信号送入后续电路进行处理以及上位机软件对数据显示、存储的操作，实现对裂纹的评定与分析10。122Instrument Technique and SensorFeb2023图 1交流电磁场检测原理图2模拟前端电路设计针对交流电磁场检测信号微弱、易被外界干扰噪声淹没等问题，设计前端模拟电路对信号进行初步处理。前端电路设计主要包括检测线圈、激励线圈、差分放大电路、滤波电路、A/D 转换模块、D/A 转换模块、功率放大电路及电源模块等。其结构图如图 2所示。图 2模拟前端电路设计结构图21探头部分设计探头部分的设计重点在于激励线圈绕制以及检测传感器
9、2 个方面。激励线圈由 067 mm 线径铜丝绕制在 U 型锰锌铁氧体横梁上形成，匝数共计 200 匝。检测传感器一般分为磁阻传感器和线圈传感器 2 种类型，磁阻传感器检测灵敏度高，但量程较小，在实际检测过程中受剩磁干扰严重。根据电磁感应原理，线圈对剩磁无感应，因此选用检测线圈作为检测传感器11。为提高检测线圈的检测灵敏度，增加线圈匝数，选用007 mm 线径绕制在锰锌铁氧体磁棒上，其中Bx检测线圈绕制共计 200 匝，Bz检测线圈绕制共计400 匝。探头结构图如图 3 所示。Bx检测线圈与激励线圈平行放置，提取平行于裂纹的检测信号 Bx;Bz检测线圈与激励线圈垂直放置，提取垂直于裂纹的检测信
10、号 Bz。22放大滤波电路设计检测线圈输出的电压峰峰值一般不超过 20 mV，需先经过放大滤波处理后再送入 FPGA 进行数字处图 3探头结构图理。本文设计 2 路 AD620 仪表放大器对检测信号进行差分放大，抑制共模噪声。AD620 芯片具有低成本、高精度、23 V 至18 V 的宽电源电压范围，增益为 100 时带宽可达 120 kHz 等优点，且可通过一个外部电阻控制增益，易于使用，因而适用于交流电磁场检测信号的放大。差分放大电路原理图如图 4 所示，通过滑动变阻器调节增益，便于后续对交流电磁场检测系统进行试验调试。采取在电源引脚处并联电容的方法，实现滤波和去耦的功能，避免引入电源噪声
11、干扰检测信号。图 4差分放大电路原理图经过放大之后的检测信号需经过滤波处理，消除信号夹杂的高频噪声。由于系统后续会通过 FPGA 对检测信号进行自适应滤波处理，为避免丢失部分检测信号信息，模拟前端电路设计采用截止频率为 5 kHz的四阶巴特沃斯低通滤波器进行初步滤波。巴特沃斯滤波器相较于其他常用的切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器，具有通频带内频率响应曲线最大限度平坦的特点，符合本系统所需，检测系统滤波电路原理图如图 5 所示。23A/D 转换模块及激励源设计检测信号进行放大滤波处理之后需要经过 A/D转换将模拟信号转为数字信号送入 FPGA 进行后续信号处理。本文结合 FPGA 系统时钟以及交流电
12、磁场检第 2 期徐有芳等:基于 DPSD 算法的交流电磁场检测系统的研制123图 5滤波电路原理图测信号的特点，选用 3PA1030 芯片作为 A/D 芯片构建 A/D 转换模块。3PA1030 是一款 10 位，50 MSPS(每 s 百万次采样)模数转换器，输入模拟电压转换范围是 02 V。通过在电压输入端设计电压调节电路，将输入电压控制在 02 V 之间，从而实现对检测信号进行直接采样。A/D 模块硬件结构图如图 6 所示。图 6A/D 模块硬件结构图为与 A/D 采样位数匹配，方便后续提供参考信号，本文选用 10 位 D/A 转换芯片 3PD5651E 对 FPGA生成的 DDS 信号
13、进行模拟输出。激励源模块硬件结构图如图 7 所示。图 7激励源模块硬件结构图由于 D/A 输出的模拟信号电流较小，通常只有几十 mA，可能无法对线圈进行激励，因此选用 BUF634芯片设计功放电路，对激励信号进行功率放大，提高其带载能力。经试验，经过功放后的信号可成功对探头激励线圈进行激励，满足检测需求。24电源模块设计本文选用的硬件电路芯片均为5 V 双电源供电，因此只需通过 DC005 接口将 12 V 电压引入之后，通过 WA1205 电源稳压芯片转换为5 V 供电即可。在电源电压输入端加入保险丝及压敏电阻，对电路起保护作用。3数字信号处理设计本文以 FPGA 为核心对交流电磁场检测系统
14、的搭建进行优化，实现了 DDS 信号产生、数字相敏检波、串口通信等功能，相较于传统 ACFM 检测系统通过模拟电路对信号进行提取的方法，解决了电路冗杂、灵活性等问题，在检测信号处理速度以及检测系统拓展性方面显著提升。31DDS 信号产生直接数字频率合成技术控制信号频率的原理是使频率控制字在相位累加器中进行不断累加直到溢出，溢出频率即信号输出频率12。DDS 算法特点在于对频率及相位调节方便，通过改变频率控制字及相位控制字来控制读查找表地址，结合外部硬件电路实现输出信号可调频率、相位、幅值的功能，满足 ACFM 检测中对激励信号的要求。查找表由 matlab 生成一组位宽为 10，深度为 1 0
15、24 的正弦信号数据构成。频率控制字的计算公式如下:K=Fout2NFclk(1)式中:Fout为输出信号频率;Fclk为系统时钟频率;N 为相位累加器位数;K 为频率控制字。32DPSD 算法的实现Bx、Bz检测信号经过前端模拟电路初步处理后传入 FPGA 进行数字处理，对检测信号的幅值进行提取。目前交流电磁场检测系统常用的幅值提取方法主要分为由 MSDC 真有效值转换芯片处理以及通过模拟锁相放大器处理，两者相似之处在于都是在 A/D 转换之前采用模拟电路将交流信号转为直流信号，从而达到提取检测信号幅值的效果。两种提取检测信号的方法均难以避免造成电容冗杂，扩大检测系统规模，甚至引入新的噪声干
16、扰。本文提出一种提取检测信号的方法，基于 FPGA实现数字相敏检波算法，对检测信号进行自适应滤波并提取信号幅值，减少电路规模，增加了信号处理的灵活性。数字相敏检波(DPSD)算法的原理框图如图124Instrument Technique and SensorFeb20238 所示。将输入信号分别与一组同频正交参考信号进行互相关运算，得到输出信号 I 和 Q，其中，I 对应正弦参考分量，Q 对应余弦参考分量。图 8DPSD 算法原理框图输入信号可表示为xs(k)=Ussin(2kN+)+n(k)(2)式中:k=1，2，3，M1;Us为输入信号幅值;N 为采样点数;为输入信号相位;n(k)为噪声信号。正弦参考信号可表示为xri(k)=Ursin(2kN)(3)式中 Ur为参考信号幅值。基于互相关检测原理，将检测信号与正弦参考信号进行互相关运算，互相关系数 sri为sri=1MM1k=0 xs(k)xri(k)(4)可得:sri=UsUr2cosUsUr2MM1k=0cos(4kN+)+1MM1k=0n(k)sin(2kN)(5)当 limM+时，由于噪声信号与参考信号基本不相关，经互相关