基于A(yíng)RM的鋼鐵材料裂紋電磁無(wú)損檢測電路設計
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目前，鋼鐵材料質(zhì)量檢查和故障診斷的智能化和自動(dòng)化的研究成為無(wú)損檢測技術(shù)發(fā)展和應用的一個(gè)重要方向。然而現有的電磁無(wú)損檢測儀器對于鋼鐵材料裂紋質(zhì)量檢測還存在許多難題，因而研發(fā)高效、智能和快速的檢測儀器仍然是這一領(lǐng)域的最大亮點(diǎn)。本文將ARM技術(shù)應用于電磁無(wú)損檢測電路設計中，一方面能夠提高鋼鐵材料檢測的精度和速度，另一方面電路設計優(yōu)化能夠縮小檢測儀器體積，便于檢測人員攜帶。
1 初始磁導率法的檢測原理
初始磁導率法是基于電磁無(wú)損檢測方法檢測鋼鐵的材質(zhì)，因其非破壞性、簡(jiǎn)便、快速及可實(shí)現100%逐件檢測等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到廣泛的應用[1]。初始幅值磁導率法檢測的原理如圖1所示，當一個(gè)空心的磁化線(xiàn)圈中通以交流激磁電流之后，線(xiàn)圈內產(chǎn)生一個(gè)軸向的磁場(chǎng)強度Hp。被測的鐵磁性工件放入該線(xiàn)圈時(shí)，在交變磁場(chǎng)的作用下鋼鐵件被交變磁化，從而大大增加原來(lái)的磁場(chǎng)強度Hp。但同時(shí)，由于非無(wú)限長(cháng)工件的退磁場(chǎng)強度和鋼鐵件中感應出的渦流產(chǎn)生的附加交變磁場(chǎng)，兩者之和Hs又總是削弱原外加磁場(chǎng)Hp。因此，為了處理方便引入了有效磁導率μeff。這樣, 用一組測量線(xiàn)圈同軸繞制于激磁線(xiàn)圈上時(shí), 必然在測量線(xiàn)圈上產(chǎn)生一個(gè)感應電動(dòng)勢E。
初始磁導率是鋼鐵材料的磁化曲線(xiàn)在原點(diǎn)處的斜率, 即磁感應強度隨磁場(chǎng)強度線(xiàn)性增加范圍內的磁導率（磁疇疇壁的可逆位移區）在此磁場(chǎng)范圍內，工件磁化后無(wú)剩磁。而裂紋、內裂等損傷是由于鋼鐵材料在生產(chǎn)和加工過(guò)程中受熱應力和組織應力等因素造成的，根據應力理論，鋼鐵材料的應力越大，其初始磁導率下降越大[2]。
2 系統總體方案設計
本系統主要由激勵部分、傳感器部分、信號處理部分和系統控制部分組成。其中系統控制部分包括核心控制器件S3C2440A芯片、A/D轉換器、存儲器件、液晶顯示、鍵盤(pán)和聲光報警6部分。設計的系統總體框圖如2圖所示。
3 系統功能模塊設計
3.1 激勵部分
本設計的激勵方波采用S3C2440A控制芯片的PWM功能的定時(shí)器產(chǎn)生，激勵方波的頻率與占空比是通過(guò)軟件編程對PWM進(jìn)行配置，由于從S3C2440A控制芯片的I/O口輸出的是3.3 V電壓，為了提高激勵方波電壓值，可在經(jīng)過(guò)電壓補償電路后提高達到±5 V電壓。將處理器的J7引腳（TOUT2）配置成PWM輸出，然后將輸出的信號經(jīng)過(guò)模擬電路處理得到需要的方波激勵信號。
3.2 傳感器部分
傳感器部分由激勵線(xiàn)圈和檢測線(xiàn)圈組成，采用自比較式的差動(dòng)設計，用2個(gè)線(xiàn)圈同時(shí)在鋼鐵試樣上實(shí)施檢測[3]。鋼鐵器件檢測的相鄰部位的材料物理性能與幾何參數等通常都相差較小，對在鋼鐵材料上勻速水平移動(dòng)的傳感器的干擾一般較小。設計中，選用初始磁導率較高的U型錳鋅鐵氧體作為傳感器的磁芯，如果鋼鐵試樣中的應力越大，則初始磁導率下降越快。激勵線(xiàn)圈與檢測線(xiàn)圈的繞線(xiàn)匝數為1:4，盡量地增大有效磁導率，進(jìn)而提高鋼鐵材料損傷檢測的靈敏度，并且可以明顯降低傳感器激勵線(xiàn)圈的功率。
3.3 信號處理部分
前置信號處理部分主要由整流電路、濾波電路、放大電路3部分組成。經(jīng)過(guò)信號處理部分后可以使檢測到的信號減少噪聲干擾、提高信噪比，使檢測信號盡可能不失真地傳輸到后續電路。設計中選用741運放與RC電網(wǎng)組成濾波放大電路，對從橋式全波整流電路出來(lái)的信號進(jìn)行濾波和放大，放大100倍后可以得到比較清晰的檢測信號，然后將得到的模擬信號傳輸給A/D轉換器，轉化為便于分析處理的數字量。這種電路能夠抑制各種外來(lái)干擾因素，而且結構簡(jiǎn)單。前置信號處理電路如圖3所示。
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