基于SoC的快速金屬頻率特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉曉東， 寧 晨， 田 麗

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

金屬材料的性能主要分為機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能和工藝性能[1～3]?，F(xiàn)有的各種檢測(cè)設(shè)備均針對(duì)金屬材料的這四個(gè)性能進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)，而且大部分屬于破壞性的檢測(cè)方式，破壞了材料的結(jié)構(gòu)、特性以及一些其他方面功能，使材料不能夠再繼續(xù)使用，造成浪費(fèi)；另一方面有些產(chǎn)品為復(fù)合結(jié)構(gòu)(如電鍍件)，針對(duì)各層不同的材質(zhì)、厚度無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。

本文設(shè)計(jì)了一種既能無(wú)損檢測(cè)金屬材料性能，又可對(duì)材料進(jìn)行材質(zhì)判斷的快速金屬頻率特性測(cè)試系統(tǒng)。

1 金屬頻率特性檢測(cè)原理

當(dāng)對(duì)金屬施加外電場(chǎng)時(shí)，自由電子沿電場(chǎng)方向作加速運(yùn)動(dòng)，形成了電流，使金屬具有了導(dǎo)電性[4～6]。

當(dāng)一個(gè)通有交變電流的線圈接近金屬材料表面時(shí)，由于交變磁場(chǎng)的變化，會(huì)在金屬材料表面及近表面產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小與金屬材料的電阻率成反比，電渦流在金屬內(nèi)流過(guò)必然產(chǎn)生渦流損耗。電渦流的交變性又會(huì)產(chǎn)生交變的渦流磁場(chǎng)，引起磁滯損耗。渦流損耗和磁滯損耗以及磁導(dǎo)率的不同共同影響渦流傳感器檢測(cè)線圈的輸出交變信號(hào)的幅值和相位。

隨著頻率的變化，渦流傳感器的自身特性也會(huì)產(chǎn)生一定變化，本系統(tǒng)將其視為線性變化。構(gòu)成金屬晶格的各種金屬元素均有其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，在不同的分子頻率上振動(dòng)。因此，不同的金屬材料的頻率特性亦不同。其中單一元素金屬材料(如純鐵，純銅等)的頻率特性最為簡(jiǎn)單，合金材料或復(fù)合材料由于含有多種金屬元素成分，其頻率特性更為復(fù)雜，這種復(fù)雜性與其含有的各單一元素金屬材料相關(guān)，并且以多頻率點(diǎn)處顯示不同特性表征。系統(tǒng)通過(guò)在一段頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣本材料并記錄標(biāo)準(zhǔn)金屬材料的頻率特性，與其他金屬材料的掃描測(cè)量記錄進(jìn)行比較，以判斷材料是否相符或分析合金材料和復(fù)合材料的成分構(gòu)成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由人機(jī)交互模塊(顯示輸出和鍵盤輸入)，系統(tǒng)控制分析模塊，信號(hào)發(fā)生模塊，信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換模塊四大部分組成[7]，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 系統(tǒng)控制分析模塊

如圖2所示，系統(tǒng)控制分析模塊以C8051F020單片機(jī)[8]為核心，分為協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)和計(jì)算分析環(huán)節(jié)2部分。協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)接收鍵盤輸入指令，選擇輸出頻率，控制信號(hào)發(fā)生模塊工作，同時(shí)與計(jì)算分析環(huán)節(jié)通信，將產(chǎn)生的頻率信息以及測(cè)試環(huán)境等數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算分析環(huán)節(jié)。由于C8051F020內(nèi)部具有高速A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，所以輸出信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)間的相位差數(shù)據(jù)直接由該ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而兩者的幅值通過(guò)外部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再送入單片機(jī)，由計(jì)算分析環(huán)節(jié)計(jì)算兩者的幅值比以及各項(xiàng)目均方值，結(jié)合已記錄的標(biāo)準(zhǔn)金屬材料頻率特性向量值對(duì)被測(cè)樣本金屬材料進(jìn)行分析判斷，最終將判斷結(jié)果和各測(cè)量參數(shù)返回協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)并送入顯示輸出裝置。

圖2 系統(tǒng)控制分析模塊框圖

2.2 信號(hào)發(fā)生模塊

采用直接數(shù)字頻率合成(direct digital synthesis,DDS)技術(shù)，可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的掃頻信號(hào)或在頻率范圍內(nèi)駐點(diǎn)輸出，提供符合系統(tǒng)性能指標(biāo)所需的正弦信號(hào)。該輸出信號(hào)分為2路：直接接入信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換模塊，用于幅值譜檢測(cè)、相位譜檢測(cè)；進(jìn)入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)渦流傳感器對(duì)金屬材料進(jìn)行檢測(cè)。信號(hào)發(fā)生模塊框圖如圖3 所示。

使用AD9851芯片作為信號(hào)發(fā)生器[9～13]。其外圍電路簡(jiǎn)單，變頻響應(yīng)快，輸出波形頻譜純凈。可以直接與單片機(jī)連接進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳送有并行和串行2種工作方式，極大方便了與單片機(jī)之間的接口電路以及程序的編寫(xiě)。本文選用并行數(shù)據(jù)輸入方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 信號(hào)發(fā)生模塊框圖

由于DDS芯片AD9851的最高工作頻率為180 MHz，而其內(nèi)部含有6倍頻電路，因此,在晶振選擇上應(yīng)選擇低于30 MHz，工作電壓應(yīng)保持在4～5 V之間，否則極易燒毀芯片。又因?yàn)锳D9851內(nèi)部沒(méi)有低通濾波器，經(jīng)過(guò)DAC輸出的掃頻信號(hào)不可避免地含有高頻噪聲，故信號(hào)輸出端口需加低通濾波抑制高頻干擾。

2.3 信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換模塊

信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換模塊分為幅頻檢測(cè)電路和相頻檢測(cè)電路，用于將渦流傳感器得到的檢測(cè)信號(hào)分解為幅值和相位差兩路信號(hào)。分別對(duì)通過(guò)渦流傳感器前后的正弦信號(hào)進(jìn)行模擬檢幅，并對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行相位差整理，將幅度和相位差的模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，由系統(tǒng)控制分析模塊進(jìn)行分析處理。

2.3.1 幅頻檢測(cè)電路

峰值檢波電路如圖4，當(dāng)輸入電壓Vin大于電容器C的電壓時(shí)，二極管D1，D2導(dǎo)通，C充電。當(dāng)輸入電壓Vin小于電容器C的電壓時(shí)，二極管D1，D2截止，輸入電壓的最大值被保持，以此得到電壓的最大值，即正弦信號(hào)的幅值。

圖4 峰值檢波電路

利用該電路，分別檢出渦流傳感器的檢測(cè)信號(hào)與信號(hào)發(fā)生模塊輸出信號(hào)的峰值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送入系統(tǒng)控制分析模塊，由計(jì)算分析環(huán)節(jié)計(jì)算得到兩信號(hào)的幅值比，統(tǒng)計(jì)各個(gè)頻率的幅值比，得到幅值譜特性曲線。其工作框圖如圖5所示。

由于頻率變化，渦流傳感器的自身阻抗也隨之變化，對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出信號(hào)的峰值均產(chǎn)生影響，分別進(jìn)行峰值檢波，有利于消除該項(xiàng)干擾。

圖5 幅值譜檢測(cè)電路框圖

2.3.2 相頻檢測(cè)電路

相頻檢測(cè)電路是將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)的相位與渦流傳感器得到的檢測(cè)信號(hào)的相位進(jìn)行比較，以得到被測(cè)金屬在一定頻率范圍內(nèi)的相位譜特性曲線。

如圖6所示，相位譜檢測(cè)電路將輸出信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)2個(gè)正弦信號(hào)分別整理成方波，并通過(guò)比較器。由于相位差異，2個(gè)方波信號(hào)在某一時(shí)間段的電壓大小不同，可整理出一個(gè)占空比不同的方波，占空比隨輸出信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)之間的相位差變化而變化，通過(guò)讀取該方波占空比，將其轉(zhuǎn)換為電壓，即得到某頻率點(diǎn)上兩正弦信號(hào)的相位差。設(shè)方波電壓為V，占空比為t0，頻率為f，該電壓值為

Vout=V×t0×f

圖6 相位譜檢測(cè)電路框圖

3 性能指標(biāo)

系統(tǒng)的性能指標(biāo)為：輸出信號(hào)具有掃頻變化的功能，掃頻范圍在10 Hz～10 MHz，可在頻率范圍內(nèi)自動(dòng)步進(jìn)或固定頻率輸出;可以顯示被測(cè)金屬各頻率點(diǎn)的幅頻特性和相頻特性;能夠記錄各種不同標(biāo)準(zhǔn)金屬材料的頻率特性向量值，并可進(jìn)行查詢;當(dāng)對(duì)其他材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)材料的頻率特性向量值判斷與樣本材料是否一致。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表1為室溫下對(duì)鋁箔板片的頻率特性檢測(cè)及金屬材料判斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，頻率數(shù)據(jù)由系統(tǒng)決定，2種材料的幅值比數(shù)據(jù)和相位差數(shù)據(jù)由系統(tǒng)采集計(jì)算直接給出結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果，得出各項(xiàng)目的均方值，結(jié)果表明，不同材料頻率特性差距顯著。

表1 金屬材料頻率特性檢測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以單片機(jī)作為檢測(cè)控制器，具有智能化特點(diǎn)。設(shè)備操作簡(jiǎn)便，處理速度快，安全可靠，應(yīng)用前景廣泛。

溫度、傳感器、金屬材料各項(xiàng)指標(biāo)等對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果均具有影響，當(dāng)溫度和傳感器確定時(shí)，金屬材料的各項(xiàng)指標(biāo)是影響測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵，可用于無(wú)損檢測(cè)金屬材料的材質(zhì)特性或判斷同類金屬產(chǎn)品是否合格等應(yīng)用。

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