基于DSP的涡流检测多频阻抗分析系统研制

Development of a Multi-frequency Impedance Analyzing System for Eddy Cur-rent Testing Based on DSPLI Zheng-ming，CHEN Min-jie(Laboratory of LI Zhengming，School of Electrical Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)Abstract：Conventional multi-frequency impedance analyzer usually adopts complex hardware circuit design to accom-plish multi-frequency excitation waveform composition，muhi-frequency signal separation and spectral analysis.Thestructure design was complex，production costs was high and detection resolution and reliability was low.This paperproposes the design of a high-performance multi-frequency impedance analyzing system(MFIA)for eddy current test-ing.The DSP-based detecting system generates multi-frequency excitation waveform with minimum crest factor，imple-ments FFT cross-spectral analysis of the excitation current and sensing voltage with software method to obtain sensorimpedance in diferent harmonic components，which can separate parameters and suppress interferences efectively。

Two-inductor network an d U-cored eddy curent sensor were fitted onto the circuit system respectively to cary outexperiments.The results show that the system possesses a hi gh detection resolution and reliability as wel as goodstability，which provides a favorable basis for designing inteligent multi-frequency impedance analyzer。

Key words：multi-frequency eddy curent test；DSP；crest factor；FFT；cross-spectral analysis近年来 ，中国经济突飞猛进，工业水平大幅提高，涡流检测技术具有检测速度快、灵敏度高、可进行高温检测的优点，是应用非常广泛、使用频率很高的检测技术 ，在五大常规无损检测技术中发展较快。1971年，美国科学家 LIBBY H L首先提出多频涡流检测技术是实现干扰抑制和多参数检测的有收稿 日期 ：2013-叭-08：修 订 日期 ：2013-04-07基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏财教[201 118号)作者简介：李正明(1958-)，男 ，教授，博士生导师，研究方向为智能电网与电力系统远程监控 、现代信息处理等；陈敏洁(1987-)，男，工学硕士，研究方向为电磁无损涡流检测和电磁层析成像。

自动亿与仪表2013(6) 四效方法。多频涡流检测技术广泛应用到核电站蒸汽发生管道的役前和在役检测，飞机机身多层结构进气管道发动机叶片检测.结构件中缺陷的多参数检测，材料特性检测等方面。

常规多频涡流检测仪-般采用信号发生器合成多频激励信号，通过带通滤波器 、相敏检波器和锁相放大器进行多频信号分离并应用频谱分析仪和转换电路分析多频作用参数 ，其结构设计复杂，生产成本较高且检测分辨率和可靠性较低。本文设计了基于DSP技术和同步测量策略实现的多频阻抗分析系统，它利用多个不同频率正弦波形同步合成激励信号并最携其峰值因数；对检测到的多频电压和电流信号进行 FFT变换和交叉频谱分析，计算 各次谐波下的阻抗并送入主机进行界面显示和参数分析，从而有效地实现了干扰抑制和多参数检测1 系统工作原理与硬件设计系统包含三个功能拈：信号发生拈(SGM)，阻抗测量拈(IMM)和高速通用串行总线 (USB)。

SGM中。DSP控制测量过程并生成-个包含多达 8个频率的复合激励波形，通过数模转换器和缓冲放大器传到感应探头。IMM用来测量激励波形和感应电压¤助高速 USB。DSP接受来 自主机的控制和数据指令并把测量结果送往主机。另外，-个重要的设计问题是该系统测量叠加在大背景上的微小阻抗变化的能力 ，这经常在-些电气层析成像和涡流无损检测应用中遇到 ，因此 ，第二个数模转换器用来消除背景信号的影响。系统硬件设计框图如图l所示主机团DSPCLOCKFIF01 DA1 H蓑 - 霪AD1 篓窿感应电流图 1 硬件设计框图Fig.1 Block diagram of hardware design1.1 信号发生拈采用 FIFO存储器实现 DSP与 DAC数据交换(如图2所示)具有两个优点：①DAC能持续输出存于 FIFO中的数字化激励波形而不需要 DSP的反复介入，为系统的其他任务和I/0设备节省运算资源和 DSP的 I/O宽度，实现 DSP系统设计高效快速的目的。②允许 DSP和 DAC工作在不同速率下，实现异步通信VCC图 2 基于 CY7C4265的 DSP与 MAX120的接口Fig.2 Interface circuit between DSPand MAX1 20 based on CY7C4265在 DSP中合成并数字化-个周期的复合激励波形传输到 FIFO存储器，该波形信号被重复应用到 l2位的DAC中以产生周期波形。恒定的时钟信号作用到 FIFO读时钟(RCLK)端读出其内容，同时作用到 DAC中以确保合成信号的采样是等时间间距的。

1.2 阻抗测量拈基于 CY7C4265的 DSP与 MAX120的接 口设计如图 2所示。采用 MAXIM公司的 l2位并行模数转换芯片 MAX120.其转换速度可达 500 kspS。采样/保持电路获取时间为 350 ns.AD转换时间为 1.6s。驱动 FIFO和 DAC的时钟信号用来驱动 FIFO和 ADC，以确保 ADC采保和转换的-致性。

1.3 高速串行连接采用高速的 USB进行串行通信来控制 DSP的运行模式和检索仪器的测量结果。DSP接受来自主机的控制和数据指令，同时把测量结果送往主机Automation＆Instrumentation 2013(6)2 系统软件设计2.1 激励源信号产生方法定义如下-个复合正弦信号：s(f) A sin(w 。) (1)式中：A 是信号的第 i个频率分量的幅值；W 是角频率；也是相位角。固定采样率下，FFT分析频率分辨率撒于输入样本的数量 ，输入样本越多，频率分辨率越好，但分析速度越慢。本设计中输入采样点的数量选择为 1024个，在采样率 下，频率分辨率 。为了避免频谱泄露，激励频率应该为 kf，，其中k为整数。此处应用了八倍频激励频率来覆盖足够宽的频率范围，如， ， ，， ，其关系为 12864A 。

对 FIFO中所存样本的有序 s(t)合成需要最小化峰值因数以提高再生波形的精确度。此外，当以-个特定的字长存储样本，最携峰值因数可以减少量化误差，因为这充分利用了测量通道的动态范围。

涡流检测中不用直流成分，峰值因数可被如下定义：- (2)rm 式中：l5l 是s(t)的最大绝对值；S是均方根值，它被定义如下 ： m ， ]1，25-l∑竽 J (3)峰值因数最携的问题就是找出-系列能产生-个最小峰值因数 的 (i1至 m)，也就是说这是-个 目标函数为 min(F( ， ：，， ))的最优化问题[41。为解决上述问题，设计了-种最优相位搜索算法[51，经推导最终相位组合是： i0，i18，对八倍频信 号而 言此组合 产生 了- 个 幅值 等于2.1594的最小峰值因数。

2.2 交叉频谱分析和多频背景补偿多频阻抗分析中，用包含预先定义好幅值和相位的谐波的复合波形激励传感器探头，然后用 DSP采样、分析激励电流和感应电压来提取谐波幅值和相位信息，进而用 FFrI、系数做交叉频谱分析计算出相应 的阻抗 ： Vi- ( 1，2，，8) (4)自动化s仪表 2013(6)式中： 和 五分别为 次谐波下传感器线圈两端的电压和通过线圈的电流； 是 i次谐波下传感器线圈的阻抗； 为i次谐波的相位角。

在诸如电磁层析成像和元损检测的许多应用中，选用互感式探头 ，针对被测试件两处相临近位置本身电磁特性差异的比较而得到的差分阻抗信息是关注的重点同。但是，背景阻抗信号往往会比所需信号大几个数量级，因此该系统的-个重要设计问题就是测量叠加在大背景信号上的微小阻抗变化的能力。

补偿信号波形可通过以下 3个步骤获得：1)确定补偿通道的响应：2)测量背景阻抗信号的幅值和相位响应：3)计算出所需要的补偿波形。

2.3 DSP主调程序系统运行中，DSP控制 USB芯片、产生激励信号、采集数据并进行 Frr运算。具体功能包括解译PC指令、更新激励波形、通过 FIFO从 ADC中获取电压电流信号以及以32 s/帧的速度做 1024点 FFT运算等。在主机侧通过图形用户界面实现互补功能。

DSP主调程序功能是当引导装载程序执行完后，对 DSP及其外设进行初始化 ，然后启动 AD采样，并使能计数器，采样点达到 1024点时，调用 FFT算法进行信号处理，最后将处理后的数据经 USB总线送往主机。不断这样循环，直到收到表示停止命令的中断信号。DSP主调程序如图 3所示。

l I 并使能计数器 、-l 进行采样I并使计数器加1 L-厂 I，YI调用FTr算法 二E- - 。 。 。 。。 。 。 - 。 。 。 。。 。 -。 。- l处理后的数据图 3 DSP主调程序流程图Fig.3 Flow chart of DSP S main programN3 试验结果为评估系统的运行特性和测量精度 ，进行了三团组试验：采用双电感网络，利用已知幅值的电感评估系统电路的有效性和准确性 ；电路搭载 U型铁芯涡流传感器测量叠加在 100 H背景下的 lO H电感：U型铁芯传感器贴近铁索体钢板上方放置以测试各个频率下的阻抗相位角。前两组试验都重复 50次以评定测量精度和离差。

表 1显示了各个频率下的电感测量平均值以及相对离散度 (%)，为评估极性误差，把所测数据和在相同实验条件下用精确 LCR表 (HP4284A)读取的数据进行比较。定义相对离散度为标准差同算术平均值的比，并以百分数形式表示。由表 l可见，多频模式下测量值的相对离散度不到 0.7%，测量误差小于 1.4%，表明该系统的运行稳定性好，测量精确度高。另外，单频模式下的相对离散度不到0.2%。表明多频模式下测量精度随测量速率升高而微弱下降，但系统设计重点是在诸如在线监测钢铁生产流程等实际应用中[81评估快速阻抗变化以及传输最大测量速率的能力，因此多频模式优势得以明显体现。

表 1 两 电感网络的测量结果Tab.1 Test results for a two-inductor network频率/Hz多频模式 单频模式测量值/(p，H) (%)测量值/(ixH) (%)謇，标定值， 量 (i xH ) (p，H)为证实该电路测量叠加在大背景下的小阻抗能力，实验测量叠加在 100 H背景下的 1O H电感。为抵消背景信号，DSP产生多频背景补偿信号，补偿波形的有效性据 U型铁芯传感器测试结果(表2)可知.背景信号至少被抵消了两个数量级。

另外 .U型铁芯传感器贴近-块铁索体钢板放置以测试各个频率下的阻抗相位角，并将测量结果与 DSP合成激励波形的给定值比较，随频率变化的囝表 2 叠加在 100 laH背景下的 10 laH电感测量结果Tab.2 Test results for a 1 0 pH inductorin a background of 100IJH频率/Hz LcR表测量值，( H) 标定值，( H)阻抗相位角测量结果如图4所示。图中，Y轴和 轴分别代表 MFIA的测得值和激励波形的给定值，6个测量值点基本都落在y1.O000x曲线附近，即表明系统的测量结果与试验给定值达到了很好的吻合.系统测量精确度和可靠性高。

雕 宝：1.0000x IUU-20.999250 。/ - nD -50/ 5O 1- 50 -给定值/(。)图 4 MFlA所测相位角与给定值比较Fig.4 Phase angle measured by MFIA versus given value4 结语为简化常规多频阻抗分析仪的复杂硬件电路设计.降低仪器研制成本，提高检测的分辨率和可靠性.本文完成了-种高性能多频阻抗分析系统的研制 .它基于 DSP技术和同步测量策略，将多个不同频率正弦信号同步合成为激励信号并最携其峰值因数：对涡流传感器多频电压和电流信号进行 F兀1变换和交叉频谱分析，计算出各次谐波下的阻抗并送入主机进行界面显示和参数分析。(下转第56页)∞9∞ ∞ 盯n n 0 O O 0 O 0 O 0叭 舛 瑚 ∞吣 ㈣他 驮 Ⅲ” ：2 蜥 n n n nn nl 9 5 3 l 6 7 7 2 6 5 叮 孵 蚴 虬 舯9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 鼹n n O O O O 0 O 0 0 0叭∞ m 卯 叭 肌船 舢Ⅲ船舶 舯 舯肿 9 9 9 99 99 999；芋 Ⅲ 跏 经实际运行.系统平均每天工作 8 h，能够在 3个阴雨天内正常工作。图5(a)、(b)是系统 2012年 8月 9日最大功率跟踪的电压随时间变化曲线、输出功率随时问变化曲线。由图可以看出，从上午 9点至 12点，输出功率在 80W 附近波动，MPPT输出电压大致稳定在 l6.5 v，说明系统对太阳能电池最大功率点具有良好的跟踪和控制效果。

萋氆；时 间/s(a)电压时间(b)功率时间/min(c)溶解氧图 5 电压、功率和溶解氧随时间变化 曲线Fig.5 Curves of voltage，powerand dissOIVed-Oxygen changes curve图 5(C)为 2012年 8月 26日12：30～14：10，当溶解氧上下限设为(7～10)mg/L，实验池使用该增氧机后。距离增氧机 12 1TI，水深为03 Il和 1.2 13处的溶解氧含量。

由图可见，增氧机运转90 min左右，可使距增氧机 12 13、水深 1.2 in处的溶解氧含量与上层水体-致。

6 结语本文主要对水体增氧系统进行了研究 ，实现了节能高效、结构简单、容易维护、电力消耗为零、二氧化碳排放为零的基于太阳能供电的水体增氧装置。系统通过太阳能光电转换，用蓄电池储能，可以确保稳定动力，连续驱动潜水直流电机 ，有效提高水体含氧量。系统适用于湖泊、鱼池、风景点水池等各种封闭水体的增氧净化。