基于LabVIEW的电磁涡流阻抗信号的分析与显示

基于LabVIEW的电磁涡流阻抗信号的分析与显示基于LabVIEW的电磁涡流阻抗信号的分析与显示摘要电磁涡流检测方法是无损检测的主要方法之一，用于检测导电性材料，无需耦合，检测起来十分方便并能节省时间。本人的毕业设计是与另外一个同学合作设计出一个六组差分探头的电磁涡流探伤仪器。本人的主要任务是软件部分，即利用LabVIEW设计出一套可用于六组差分探头电磁涡流探伤仪器的信号的分析与显示的程序。本次毕业设计的探头部分将使用六组电感线圈和ADG508ACJZ多路复用芯片以及AD620放大芯片构成一个六组差分探头，其中AD620放大芯片做前置放大器；之后利用MFLI锁相放大器和数据采集卡进行信号的提取与A/D转换；最后利用基于LabVIEW软件的编程对数字信号进行分析与显示。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；差分探头；涡流检测AnalysisandDisplayofElectromagneticEddyCurrentImpedanceSignalbasedonLabVIEWAbstractElectromagneticeddycurrenttestingisoneofthemainmethodsofnondestructivetesting.Itisusedtodetectconductivematerialswithoutcoupling.Itisveryconvenientandcansavetime.Mygraduationprojectistodesignanelectromagneticeddycurrentflawdetectioninstrumentwithsixgroupsofdifferentialprobesincooperationwithanotherstudent.Mymaintaskisthesoftwarepart,thatis,usingLabVIEWtodesignasetofprogramsthatcanbeusedtoanalyzeanddisplaythesignalsofsixgroupsofdifferentialprobeelectromagneticeddycurrentinspectioninstruments.Theprobepartofthisgraduationprojectwillusesixgroupsofinductancecoils,ADG508ACJZmultiplexingchipandAD620amplifierchiptoformasixgroupsofdifferentialprobes,inwhichtheAD620amplifierchipisusedasapreamplifier.Afterthat,MFLIphase-lockedamplifieranddataacquisitioncardareusedtoextractandA/Dconvertsignals.Finally,theprogrambasedonLabVIEWsoftwareisusedtoanalyzeanddisplaythedigitalsignal.Keywords:Virtualinstruments;LabVIEW;Differentialprobe;Eddycurrenttesting目录TOC\o"1-3"\h\u300891前言 前言1.1电磁涡流检测介绍电磁涡流检测无损检测五大常规检测方法方法之一，与其他检测方法相比，电磁涡流检测可以不接触物体表面而对其进行检测，是一种非接触式的检测方式，其利用的原理是电涡流效应。电涡流效应是指当传感线圈中通有交变电流时，会在传感线圈周围产生一个交变磁场，当传感线圈靠近被测工件时，会使被测工件内部产生电涡流，电涡流也将产生一个与传感线圈磁场方向相反的新磁场，从而反过来影响传感线圈，使传感线圈电感量、阻抗等发生变化。因此，当被测工件表面或者内部有缺陷时，将会引起工件的电阻率、磁导率发生变化，从而使传感线圈的阻抗发生变化，通过测量传感线圈的阻抗的变化就能得知被测工件是否有缺陷。按需要检测的工件的形状不同，可以使用不同形式的线圈,通常有探头式线圈、插入式线圈和穿过式线圈3种形式的线圈。探头式线圈方便用于对工件进行局部探测，将探头式线圈放置在金属板或弧度大的管上即可，可用于检查飞机涡轮发动机叶片上的疲劳裂纹；插入式线圈也叫内部探头，常用插入式线圈检测各种管道内壁的腐蚀程度等；穿过式线圈常用来检测管材外壁、棒材和线材等，使用时将被测工件按稳定的速度通过线圈。涡流法主要用来检测生产线上的金属管、棒、线以及大批量的零件如轴承钢球、汽门等，也可用来测量涂膜和镀层的厚度。涡流检测既有优点又有缺点。优点是涡流检测检测工件时不需要接触工件，操作起来干净方便，易于自动化，同时对表面缺陷也比较敏感，用于检测表面缺陷相当合适；但是电磁涡流检测只能够检测导体，且对比较深的缺陷很不敏感，使得涡流检测具有一定的局限性。1.2本课题国内外现状及对所研究问题的认识涡流检测作为一种方便快速的检测方法，被现代工业广泛应用，尤其在航空等领域。随着工业的发展，现代科技的广泛应用，使得多数检测工作都需要在线检测，智能性涡流检测仪，是现代工业发展的必然产物。信息技术、计算机技术的快速发展，使得很多虚拟产物得以发展，各种虚拟语言、软件被应用于各种地方，虚拟仪器也是在这种环境下诞生的。虚拟仪器可以使用计算机的显示功能模拟出传统仪器的显示面板，同时虚拟仪器可以运用各种软件功能来实现对下位机硬件的控制，节约了成本，也省去了制造硬件所需要的开支。LabVIEW是由美国仪器（NI）公司开发的图形化程序开发环境。像C语言一样，LabVIEW也有一个可以完成任何编程任务的庞大函数库，是通用的编程系统。LabVIEW的函数库包括串口控制，GPIB，数据采集，数据分析，数据显示及数据存储。本次毕业设计就是要利用计算机、LabVIEW虚拟仪器平台以及数据采集卡建立一套多探头电磁涡流检测系统。1.3本次毕业设计的目的本人的毕业设计的任务是设计出一套程序，能够实现对电磁涡流阻抗信号的分析与显示。本次毕业设计的六差分探头由六祖电感线圈和ADG508ACJZ多路复用芯片以及AD620放大芯片构成，然后使用MFL锁相放大器将从探头接收到的混有噪音的缺陷信号提取出来，之后使用数据采集卡将缺陷的模拟信号转换为缺陷的数字信号，最后利用LabVIEW编写一套能够对缺陷的数字信号进行分析和显示的程序。2本设计2.1探头部分本次毕业设计打算做一个拥有六差分探头的电磁涡流仪器，主要用到的材料为：ADG508ACJZ多路复用芯片、AD620放大芯片、12个带有磁芯的电感线圈、若干电容、电阻以及细电线、电路板一个等。2.1.1交流电桥设计涡流检测线圈可以接成各种电桥模式，电桥式涡流探头一般采用双线圈模式，对称接着电桥电路中，电桥电路一端与激励电压U相连，一端与地相连，电桥中部的A、C两点为输出电压端。（如图1.1所示）图1.1交流电桥由图可知输出电压Uo大小为A、C两点的电压差，于是可得：（式1.1）设两个100欧姆的电阻阻抗大小为Z，两个电感阻抗大小分别为Za和Zc；便可得:（式1.2）由此可见，当时，Uo便与Uc相等，输出电压Uo便等于零。当我们制作探头时，用12个型号一模一样的工字形带磁芯探头，便可在硬件上大致达成此条件。当然，材料不可能会精细到一模一样，这时需用软件使得探头信号输出为0（此原理软件部分会详细讲到）。2.1.2多路复用芯片由于本次设计为六探头电磁涡流检测仪器，因此为了更好的控制六个探头工作，本次毕业设计用到了DG508ACJZ多路复用芯片（如图1.2所示）。此芯片有16个引脚：其中A0、A1、A2为选位端，En端为高电平时有效，例如当En、A0、A1、A2为1100时，代表选择S1闭合，S2至S8断开；V+、V-分别给+15V与-15V电压，GND接地；D为选位端的另一端，工作简化图如图1.3所示。图1.2DG508ACJZ多路复用芯片图1.3多路复用芯片工作简化图多路复用芯片的D端与桥式电路的A点（C点）相连，S1至S8这一端与电感线圈相连，便可达到用DG508ACJZ多路复用芯片控制6个探头的目的（简化图如图1.4）。图1.4多路复用芯片与电桥的连线简图2.1.3AD620放大芯片AD620是可通过调节外部电阻控制放大倍数的放大芯片，此芯片共有八个引脚(如图1.5所示）：其中Rg端接一个电阻，此电阻可控制放大倍数可控制芯片对输入信号的放大倍数，之后会细讲；-IN与+IN接输入信号，即桥式电路A、C两端的电路；V-与V+分别于-15V与+15V电压相连；REF端接地；OUT端为放大后信号的输出端，此引脚接一个500欧姆电阻后接地，电阻另一端为输出端（电路简化图如图1.6所示）。图1.5AD620放大器芯片图1.6AD620放大器芯片各引脚功能Rg的阻值大小与AD620放大器芯片的放大倍数成反比，通过改变Rg阻值大小，就可以改变AD620放大器芯片的放大倍数。不仅如此，Rg的值还可以确定了前级运算的跨导，当Rg减小时，AD620放大器的放大倍数将会增加，对输入三极管的跨导也会增加，这具有很多优点：AD620放大器的放大倍数增大，使其开环增益也增大，从而减少了与增益有关的误差；同时主要由芯片内部输入三极管集电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声也会减少。芯片内部增益电阻R被精确为24.7K欧姆，可通过以下公式计算芯片运放增益G。(公式见式1.3）（单位为欧姆）(式1.3)本次毕业设计，使用的阻值大小为2000欧姆，可以算出芯片放大倍数为：所以本次毕业设计所用的AD620差动放大芯片放大倍数为25.7。2.1.4探头总结论文中所设计的电磁涡流仪器探头为绝对式点探头，利用DG508ACJZ多路复用芯片来控制六个探头依次工作。六个探头采用的是桥式电路，每个探头由两个相同的带有磁芯的电感线圈组成，当没有缺陷时，两个线圈的阻抗相同，此时输出电压为零，当有缺陷时，这种平衡将会被打破，输出电压将会改变，将输出的信号在经过AD620差动放大芯片，使缺陷信号变大，便是本次毕业设计探头的工作原理（探头实物图如图1.7）。图1.7探头实物图2.2锁相放大器在如今的物理和工程实验室中，锁相放大器是最被广泛使用的通用仪器，其作用是用来测量电信号的幅值和相位，更准确来说，是用来测量特定频率的信号的幅值和相位。例如，当测量一个待测信号的幅值和相位时，大的信号很容易测量，示波器就可以胜任，但当信号很微小时，待测信号会与杂波混合在一起，很难区分，这时，结合了时域和频域分析技术的锁相放大器的作用就能够表现出来。当锁相放大器工作时，锁相放大器接会接收带有由电源引起的噪音的待测输入信号和参考信号，参考信号的频率与待测输入信号频率相同。根据傅里叶理论，可以将带有噪音的待测输入信号看成是无数个正弦信号和余弦信号的和，则可以认为带有噪音的待测输入信号为：首先锁相放大器会选择参考信号附近的滤波带宽内的信号，对其他频率的信号即噪音进行过滤。因为待测输入信号与参考信号频率相同，因此留下的正是我们需要的待测输入信号，设待测输入信号为：；参考信号为：；之后锁相放大器会将待测输入信号与参考信号送入混频器，在混频器会将两路信号相乘。将与相乘，即：（式2.1）其中利用的是三角函数的积化和差公式。从公式中我们可以看出，混频之后的信号可以分为两部分：一部分是直流信号：另一部分是频率为原频率两倍的交流信号。从频域角度来看混频的结果就是得到了一个频率为0的直流信号和一个频率为原来两倍的交流信号，然后将混频后的信号再进行一次低通滤波就可以将高频的交流信号去掉，得到直流信号，设这个信号为X，则。之后将与另一个信号进行混频，此信号与参考信号的相位差90度，即：（式2.2）同样的，进行一次低通滤波过滤掉高频交流信号，留下直流信号，设这个信号为Y，则。之后从锁相放大器输出的就是X和Y两路信号，其中X是由cosine波形混频给出两个傅里叶分量的一个；另一个线性独立的傅里叶分量Y是由sine波形（即cosine相位延迟90°）混频得出的。当我们有了X和Y，锁相放大器就可以计算幅值（见式2.3）和相位角（见式2.4）。幅值为：（式2.3）相位角为：（式2.4）由上面两个公式就能够得到待测输入信号的幅值特性和相位特性。图2.1锁相放大器工作原理本次毕业设计利用锁相放大器主要是为了提取微弱的缺陷信号，因为电脑电源等干扰，不免会出现噪声，在将信号进行A/D转换前提取缺陷信号就是用锁相放大器的目的，之后将X和Y两路直流分量传入数据收集卡进行A/D转换。下图为本次毕设所用到的锁相放大器的实图。图2.2锁相放大器实图2.3数据采集卡数据采集卡的主要功能就是A/D转化，也就是模数转化。因为电脑只能接收有限的的二进制编码，因此就由数据采集卡来将从传感器（六通道电感探头)传来的模拟信号进行采样量化转变为有限个有效数字的数，之后再将量化信号经过编码器转化为电脑可接收的二进制信号，之后传输到电脑上位机进行分析显示。通俗来讲，数据采集卡就是连接电脑与外部物理世界的重要桥梁。本次毕设用数据采集卡是为了将从锁相放大器接收的X和Y两路模拟信号转化为数字信号，传递到电脑端。本次毕设用到的数据采集卡实图如下图所示。图3.1数据采集卡实图接下来，介绍一下数据采集卡的原理与产生误差因素。2.3.1定理采样采样就是利用采样脉冲序列，从测量信号中提取出一系列的离散值，使之成为采样信号的过程。原理就是将要输入的模拟信号与采样函数（周期单位脉冲序列）相乘，使模拟信号变为离散信号。因此对于信号采样来说，采样频率的选择非常重要，若采样频率过小，会导致采样的间隔过大，将会导致离散时间序列不能够正确的反应输入模拟信号的波形的特征，并且在频域处理时还会出现频率混淆现象，导致混叠；但如果采样频率过高，将会使采集的数据过多，数据量过大，导致电脑在分析这些数据时会占据更多的内存和时间。因此采样频率过大过小都会造成不便之处，因此这里就有一个采样定理，又称香农定理，定理规定要求采样频率f要大于两倍的原始信号的最高频率，才能使所得到的采样序列正确的复原原始信号。当然在实际情况中不可能无止限的提高采样频率，因此往往会在信号进入A/D转化器之前先通过一个模拟低通滤波器，去除频率过高的杂波，以此降低原始信号的最高频率，从而降低了采样频率的要求；或者也可在A/D转化器后连接一个数字式低通滤波器，低通滤波器的截至频率通常选用信号分析中的最高频率，将高频杂波去除。2.3.2量化误差量化就是将采样信号进行舍入后使之变为有限个数字的数。量化过程也会产生误差，因为信号在处理数据时，字节长度总是有限个的，字节长度越大，量化时的精准度就越高，此过程产生的误差被称为是量化误差。2.3.3A/D转化器的技术指标分辨率：用输出二进制的位数表示。输出二进制的位数越多，其量化误差就越小，分辨力也就越好。常用的位数有8位、10位、12位、16位等。转换速度：指转换一次所用的时间，如1ms（1KHZ）；10ms（100KHZ）。转换速度也快，采样信号可用的最大频率越大。模拟信号输入范围：指可转化的信号大小的范围，如5V、+/-5V等。2.4LabVIEW软件部分本次毕业设计的程序时通过LabVIEW虚拟仪器平台编程而成，LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的简写，是NI公司的创新软件产品。与C++等不同，LabVIEW采用的是G语言，是图形化软件开发集成环境，它可以把复杂繁琐的程序用简单易懂的图标表示出来，被广泛应用。LabVIEW的功能十分强大。与其它计算机语言一样，LabVIEW也具有庞大的函数库，是一种通用编程系统，包括数据分析、数据显示、数据采集、数据储存等功能。LabVIEW用G语言编写的程序被称为虚拟仪器VI，分为程序框图和前面板两部分：程序框图里是囊括了本工程所需的各种程序；前面板为控制与显示部分，其外观与真实仪器外观类似。在前面板中，控件模拟了仪器输入装置并把数据提供到程序框图中，然后数据经过各种各样的程序，之后再输出到前面板的显示控件中。本次毕业设计使用LabVIEW虚拟仪器平台模拟了电磁涡流仪器的控制面板（如图4.1所示），由图可以看出本次电磁涡流检测仪器的虚拟前面板共有7个显示控件，其中右边的六个分别为六个探头的8字形电感图，左边那个大的显示控件为六合一电感信号图像。图4.1(程序控制面板）从图10可以看出，本显示面板除了有7个显示控件外，还有5个输入控件，其作用依次为：X值增加（如图4.2）、Y值增加（如图4.3）、平衡控件BALANCE（如图4.4）、刷新控件REFRESH（如图4.5）以及停止控件STOP（如图4.6）。图4.2X值增加控件图4.4Y值增加控件图4.5平衡控件图4.6刷新控件图4.7停止控件由于本次软件程序繁多，为了方便控制管理，本次毕业设计将软件部分分为了两部分，一部分为主要程序部分，一部分为将主要程序数据传输的前面板的过渡程序。接下来我会先详细讲解如何将从信息收集卡接收的信号还原并显示，之后我会一一对应的介绍本软件的平衡功能以及其它功能。2.4.1对信号的还原并显示从上文的锁相放大器与数据收集卡我们已经知道，传输到电脑LabVIEW程序的信号有X与Y，其中X是缺陷信号被cosine信号调解出来的信号经过数据收集卡A/D转换后的数字信号；而Y是缺陷信号被sine信号调解出来的信号经过数据收集卡A/D转换后的数字信号。X和Y与原信号的关系在锁相放大器部分已经讲过，现在需要他们还原待测信号的幅值特性，此时就需要一个实部虚部至极坐标转换函数。（如图4.8所示）图4.8实部虚部至极坐标转换函数其中，也就是可以反映待测信号也就是缺陷信号的幅值大小，程序如下图所示。图4.9还原待测信号幅值特性程序六个探头的程序通过一个for循环合并在一起，等六个探头的信号都收集分析好之后将六个探头的r通过一个合并信号函数直接传输到波形图表上，就可以观察到六个探头的检测的时域信号。图5.1还原待测信号幅值特性及显示程序图5.2显示六差分探头输入的待测信号的幅值特性的波形图表除了信号的时域图，还需将缺陷信号用一种方式保存起来，因此还有一个用输入信号X做横坐标，输入信号Y做纵坐标的信号分析图，这个图的目的是为了直观的观察出缺陷信号的相位信息。首先我们需要设定一定维数，也就是保存缺陷信号点数的空间大小，用一个初始化数组函数将数据全部变为零，之后经过一个替换数组子集函数（见图5.3）将初始化的0替换成缺陷信号，之后将缺陷信号通过一个转换至动态数据ExpressVI模块（见图5.4）将缺陷信号转化成转换成可与ExpressVI配合使用的动态数据类型传输到ExpressXY图进行显示。（程序见图5.5；显示界面见图5.6）图5.3替换数组子集函数图5.4转换至动态数据ExpressVI模块图5.5待测信号保存程序图5.6保存显示待测信号的ExpressXY图2.4.2控制六个探头依次工作程序上文已经提到，本次电磁涡流检测仪器拥有6个探头，这六个探头需依次工作，完成检测。为了能够控制六个探头，本次毕业设计使用了DG508ACJZ多路复用芯片（如图1.2所示），该芯片可控制8条路线，每次可闭合一条路线，8条路线由选位端A0、A1、A2和使能端EN决定。本次设计中的六个探头所选用的引脚依次为S5、S6、S7、S2、S3、S4（之所以这样选择是为了制作探头时连线方便），相当与要使EN端一直置于高电平，A2、A1、A0依次为100、101、110、001、010、011，循环往复，使得6个探头依次工作。图1.2DG508ACJZ多路复用芯片控制6个探头工作的软件程序由一个For循环加一个平铺结果构成，其中For循环标明为6次循环，每一次循环都代表着一个探头，左下角的i表明为循环的次数，第一次循环时，可以看出EN、A2、A1、A0依次为1100，也就是S5闭合，即第一个探头工作，这样依次循环下去，直到六个探头都工作，然后继续下一次循环（程序如下图所示）。图5.7控制第一个探头工作程序图5.8控制第二个探头工作程序图5.9控制第三个探头工作程序图6.1控制第五个探头工作程序图6.2控制第五个探头工作程序图6.3控制第六个探头工作程序从上图可以看出，选址数据输入到下位机后延迟了5毫秒，这才从下位机接收反馈信号上来，这是因为数据采集卡在进行命令接收和执行时会需要一定的时间，5毫秒这是为了等这一时间，使软件与硬件同步。若是没有这5毫秒的时间，从Analoginput输入的信号将会是上一个探头的信号，到了空间页面，显示就会发生差错。2.1.3平衡功能平衡是每次检测前都要做的事情，前文讲过该电磁涡流检测仪器的每个探头都是由两个一模一样的带磁芯电感线圈构成，其工作原理用了电桥电路的原理：两个一模一样的线圈在同一块工件上没有缺陷地方时，线圈中的阻抗大小也会相同，使得输出电压为0，当遇到缺陷时，会打破这种平衡，使两个电感线圈的阻抗值不同，就会输出不为0的信号。但是世界上没有完全一模一样的东西，更别说普通的电感线圈，加上该探头为手工制作，精确度并不高，因此不能在硬件上让其输出信号一开始为0，所以便使用软件使其检测工件时在没有缺陷的位置信号输出为0。平衡系统软件由一个条件结构构成，分为假条件下执行的程序（见图6.4）与在真条件下执行的程序（见图6.5），其控件位置如图6.6所示。图6.4假条件下执行的程序图6.5真条件下执行的程序图6.6平衡控件位置使用本电磁涡流检测仪器检测前，先将探头平放在被检工件无缺陷处，在没有按BALANCE布尔控件之前，该程序是在假的程序框图中运行的（如图6.4），当按了BALANCE布尔器件之后，使得布尔器件变为真。布尔器件变为真时，使得程序框图中的布尔表现为真，通过一个局部变量将真常量输入到主程序框图中，真常量会与假常量相比较，经过一个比较函数（如图6.7），F代表为假，与真相比，自然不等于为真，比较函数会输出一个真常量输入到条件结构选择器中，使得条件结构执行真条件下的程序（过程见图6.8）。图6.7比较函数图6.8软件平衡功能执行过程在真条件下的程序（如图6.5），目的是为了收集一次探头在被检工件无缺陷处的信号，这样，当前面板的BALANCE控件再次回到原处时，和真常量传递的原理一样，会将假的信号输入条件结构的选择器中，使条件结构执行假条件下的程序。在假条件下的程序，会继续输入探头在被检工件相同无缺陷处的信号，与在真的条件下输入的信号相同，此时用减函数使两者相减（见图6.9），便可使输出为0，从而达到平衡目的。图6.9平衡过程的减函数2.1.4放大信号功能电磁涡流仪器在进行检测工件时，遇到深度宽度不同的缺陷，所反馈的信号大小也各不相同为了能够方便控制缺陷信号，使之在前面板上适当的显示出来，便需要信号大小调节功能。该功能按件分为X值增加控件XGAIN与Y值增加控件YGAIN（如图7.1）,这两个控件可以通过调节表针所指的数值来控制信号的放大倍数。图7.1信号放大控件位置当改变指针所指的数值时，该控件会向程序框图输入一个数值，通过一个共享变量输入到主程序中（过程见图7.2），在主程序中将使用一个乘法运算使该数值与信号输入的数值相乘，达到扩大信号的目的。图7.2信号放大过程2.1.5刷新功能刷新功能的控件如图7.3所示，当该布尔原件转换为真时，会向程序框图内输入一个真常量，过程见图7.4。图7.3刷新功能控件位置图7.4刷新程序执行过程之后该真常量会经过一个或语句（或语句：输入值两个都为假，输出为假，其中一个为真则输出为真），使或语句向while循环的条件接线端输入真，使while循环停止，再次将REFRESH布尔控件复位时，重新开始循环。这个功能可以确保保存缺陷信号的ExpressXY图（如图5.6所示）内存位置不会被填满，当位置填满时，即使没有刷新控件按下，它也会自动刷新。如图41中的循环次数i，当循环次数i的值大于了DISPLAYPOINTS所输入的数组大小，一样会向或语句输入一个真，使得while循环停止。2.1.6暂停功能该功能的布尔器件位置如图42所示，按下该按件时，会向程序框图中输入真（如图7.5），使while循环暂停。图7.5暂停控件位置图7.6暂停软件执行过程3结论本次毕业设计利用电感线圈及DG508ACJZ多路复用芯片组成了拥有六条通路的电感探头，用AD620放大芯片作为前置放大电路用于放大缺陷的微弱信号；之