摘 要: 針對鋼鐵材料損傷檢測問題，依據(jù)電磁無損檢測原理，在ARM微處理器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了一套以S3C2440A控制芯片為核心的鋼鐵件裂紋檢測電路。簡單地討論了初始磁導(dǎo)率法的檢測原理，著重闡述了系統(tǒng)功能模塊的電路設(shè)計。試驗表明，該電路可以快速地檢測出鋼鐵材料損傷的存在并且及時發(fā)出報警，同時能夠?qū)?shù)據(jù)進行顯示和存儲。
關(guān)鍵詞: 鋼鐵材料; 電磁無損檢測; 初始磁導(dǎo)率; S3C2440A處理器
鋼鐵材料是工業(yè)和國民經(jīng)濟中常用的材料，廣泛用于橋梁、鐵路、建筑、管道等多方面。鋼鐵材料在生產(chǎn)和使用中常會產(chǎn)生裂紋等損傷，檢測這些損傷對于保障設(shè)備可靠運行及人身安全有重要意義。采用電磁法對鋼鐵材料進行性能測試和質(zhì)量檢驗，其優(yōu)點是在不影響工件的形狀和性能的同時，確保檢測的簡便、經(jīng)濟、快速。
目前，鋼鐵材料質(zhì)量檢查和故障診斷的智能化和自動化的研究成為無損檢測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方向。然而現(xiàn)有的電磁無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。本文將ARM技術(shù)應(yīng)用于電磁無損檢測電路設(shè)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(shè)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(dǎo)率法的檢測原理
初始磁導(dǎo)率法是基于電磁無損檢測方法檢測鋼鐵的材質(zhì)，因其非破壞性、簡便、快速及可實現(xiàn)100%逐件檢測等優(yōu)點，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用[1]。初始幅值磁導(dǎo)率法檢測的原理如圖1所示，當(dāng)一個空心的磁化線圈中通以交流激磁電流之后，線圈內(nèi)產(chǎn)生一個軸向的磁場強度Hp。被測的鐵磁性工件放入該線圈時，在交變磁場的作用下鋼鐵件被交變磁化，從而大大增加原來的磁場強度Hp。但同時，由于非無限長工件的退磁場強度和鋼鐵件中感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生的附加交變磁場，兩者之和Hs又總是削弱原外加磁場Hp。因此，為了處理方便引入了有效磁導(dǎo)率μeff。這樣, 用一組測量線圈同軸繞制于激磁線圈上時, 必然在測量線圈上產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢E。
初始磁導(dǎo)率是鋼鐵材料的磁化曲線在原點處的斜率, 即磁感應(yīng)強度隨磁場強度線性增加范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率（磁疇疇壁的可逆位移區(qū)）在此磁場范圍內(nèi)，工件磁化后無剩磁。而裂紋、內(nèi)裂等損傷是由于鋼鐵材料在生產(chǎn)和加工過程中受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等因素造成的，根據(jù)應(yīng)力理論，鋼鐵材料的應(yīng)力越大，其初始磁導(dǎo)率下降越大[2]。
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
本系統(tǒng)主要由激勵部分、傳感器部分、信號處理部分和系統(tǒng)控制部分組成。其中系統(tǒng)控制部分包括核心控制器件S3C2440A芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器件、液晶顯示、鍵盤和聲光報警6部分。設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖如2圖所示。
3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計
3.1 激勵部分
本設(shè)計的激勵方波采用S3C2440A控制芯片的PWM功能的定時器產(chǎn)生，激勵方波的頻率與占空比是通過軟件編程對PWM進行配置，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)過電壓補償電路后提高達(dá)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圈和檢測線圈組成，采用自比較式的差動設(shè)計，用2個線圈同時在鋼鐵試樣上實施檢測[3]。鋼鐵器件檢測的相鄰部位的材料物理性能與幾何參數(shù)等通常都相差較小，對在鋼鐵材料上勻速水平移動的傳感器的干擾一般較小。設(shè)計中，選用初始磁導(dǎo)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(yīng)力越大，則初始磁導(dǎo)率下降越快。激勵線圈與檢測線圈的繞線匝數(shù)為1:4，盡量地增大有效磁導(dǎo)率，進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?shù)胶罄m(xù)電路。設(shè)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的信號進行濾波和放大，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(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為便于分析處理的數(shù)字量。這種電路能夠抑制各種外來干擾因素，而且結(jié)構(gòu)簡單。前置信號處理電路如圖3所示。
3.4 系統(tǒng)控制部分
S3C2440A是近年來推出的一款基于ARM920T架構(gòu)的高性能、低功耗的嵌入式Soc處理器。其典型主頻400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，CPU內(nèi)部集成SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線、I2S總線、SD接口、PWM定時器、觸摸屏接口、8通道10位A/D控制器、camera接口等，非常方便系統(tǒng)開發(fā)，因此應(yīng)用十分廣泛[4]。在本設(shè)計中，S3C2440A控制芯片連接A/D轉(zhuǎn)換器、外接控制鍵盤、液晶顯示和存儲電路。
3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS1110芯片。ADS1110是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)△-∑型A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，提供內(nèi)置的2.048 V的基準(zhǔn)電壓，使用可兼容的I2C串行接口，可以在2.7 V至5.5 V的單電源下工作，ADS1110最高可以每秒采樣240次/s進行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)可編程的增益，放大器PGA提供高達(dá)8倍的增益并且允許以高分辨率對較小的信號進行測量，使用靈活，可擴展性強。ADS1110在設(shè)計中的應(yīng)用電路如圖4所示。
本設(shè)計使用了單端輸入的方式，因此在信號輸入前，使用了一個加法電路保證輸入端電壓IN為正；同時為了保護ADS1110，防止過壓和瞬間電流沖擊，在輸入端設(shè)計了分壓和限流保護電路。I2C接口的數(shù)據(jù)端SDA和時鐘端SCL分別與S3C2440X控制器的M9、U8管腳相接，管腳配置成I2C工作模式。
3.4.2 鍵盤及其他控制電路
鍵盤電路的設(shè)計采用ZLG7290控制芯片[5],設(shè)計為4×4矩陣鍵盤，通過I2C總線與S3C2440A控制器進行連接，按照I2C總線協(xié)議的要求，信號線SCL和SDA必須分別加上拉電阻，其典型值是10kΩ，鍵盤控制電路如圖5所示。鍵盤主要完成設(shè)置硬件系統(tǒng)各項功能的參數(shù)，包括選擇不同的脈沖電流值、工作模式、基本參數(shù)設(shè)置等，并且為了適應(yīng)今后硬件系統(tǒng)功能的擴展，特別預(yù)留了F0～F45個按鍵作為候補功能按鍵使用。響應(yīng)通過延時處理程序，進行按鍵的中斷完成，并且在處理程序中判斷按鍵是否彈起，保證每一次按鍵的有效性和準(zhǔn)確性，鍵盤按鍵的延長時間設(shè)定為50 ms。
設(shè)計的外部存儲器采用2 MB的NorFlash (SST39VF160)、64 MB的NandFlsh (K9F1208)、2片32MB的SDRAM (HY57V56162 0FTP)，其中NorFlash用于存放執(zhí)行代碼，NandFlsh用于存儲鋼鐵材料數(shù)據(jù)參數(shù)值，SDRAM用于存放運行代碼。
顯示電路由外接液晶屏構(gòu)成，因為S3C2440A內(nèi)置了LCD控制器，并且支持STN液晶屏與TFT液晶屏，尺寸從3.5寸到12.1寸，屏幕分辨率可以達(dá)到1 024×768像素。為了簡化電路，充分發(fā)揮ARM的性能，采用3.5寸TFT液晶屏，使用S3C2440A內(nèi)置了LCD控制器直接進行控制。
聲光報警電路由峰鳴器和紅色發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)檢測到損傷裂紋時，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，報警的同時LED燈閃亮。
4 測試實驗
試驗選用形狀相同的30根鋼管試樣進行裂紋分選，采用最小分段二乘法對A/D采樣的數(shù)值進行算法處理，為達(dá)到試驗效果，其中部分鋼管人為造成各種表面裂紋，1號工件為理化檢測的標(biāo)準(zhǔn)工件。試驗表明本設(shè)計的電路系統(tǒng)對鋼鐵件表面損傷的檢測非常有效。選取部分鋼件，試驗結(jié)果如表1所示，該試驗可以使用多個性能指標(biāo)進行標(biāo)樣。為了說明儀器檢測數(shù)據(jù)的差異性，表中的測量值為儀器的直接測量值。
測量顯示數(shù)據(jù)可以看出，測量值大于標(biāo)準(zhǔn)1號工件值32 200時表示試樣無裂紋，當(dāng)測量值小于標(biāo)準(zhǔn)1號工件值時表示試樣有裂紋，從而驗證了鋼鐵儀器損傷后應(yīng)力發(fā)生變化，使得初始磁導(dǎo)率值下降， 實驗達(dá)到了預(yù)期的效果。
本系統(tǒng)在電路設(shè)計上，以ARM微處理器為中心，充分利用了ARM處理器的豐富資源，簡化了硬件設(shè)計。尤其是在激磁產(chǎn)生和人機接口部分，通過使用ARM處理器的PWM、I2C以及LCD控制器，使相關(guān)電路大大簡化，并且易于軟件控制。設(shè)計電路簡單、界面友好、各功能實現(xiàn)模塊化，具有良好的開放性，有利于功能擴展和系統(tǒng)升級。
參考文獻
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[3] 李舒，李育忠.便攜式鋼軌疲勞裂紋檢測裝置的研制[J].無損檢測,2006,28(5):229-231.
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[5] ZLG7290控制芯片數(shù)據(jù)手冊[Z]. 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.http://www.zlgmcu.com.