Page 103 - 无损检测2025年第二期

郭蔚潇，等：

基于阈值欠采样的数字式涡流检测系统

理连续变化的信号，但是存在设计复杂、易受环境干 2 数字式涡流检测系统设计
扰、参数调整困难等问题。因此，近年来很多学者从
2.1 系统组成
数字信号的角度来实现缺陷信号提取 [4-5] 。
数字涡流检测系统由激励电路、检测电路、采集
在涡流检测中，数字信号处理采用的是经过模
电路、上位机信号处理软件等构成。
数转换器（ADC）转换后的模拟电压信号。相比于
激励模块由STM32单片机控制DDS芯片产生
模拟电路处理，数字信号处理具有参数调整更方便，
标准正弦激励波，信号经过滤波电路与功率放大电
灵活性更高、大规模集成更容易等优点 。然而，在
[6]
路后输出。功率放大电路采用两级架构：一级为程
数字涡流检测系统中，需要对电桥输出端引出的电
控放大电路，实现增益实时可调；一级为固定增益放
压信号采样，将采样得到的电压信号量化后传送至
大，提高系统的稳定性及带负载能力。激励模块基
上位机进行处理 。由于量化后的数字信号数据量
[7]
于单片机内部的Flash闪存，编辑数据暂存算法，实
较大，若带宽不够将导致信号欠采样，部分信号在采
现DDS输出数据的断电保存，确保系统在电源中断
样过程中被混叠或丢失（无法被完全采集），从而影
时暂存输出数据，开机时快速恢复工作状态，而无需
响到信号处理的准确性和完整性。
重新配置生成数据，简化用户操作。
目前，科研工作者们常通过提高涡流传感器输
出的模拟信号的采样率，采用多通道并行数据处理 为了精确捕捉缺陷对涡流线圈的细微阻抗变
化，检测电路采用高灵敏度的电桥。通过电桥电路
的方式来解决数字电路带宽有限的问题 [8-9] 。然而，
检测缺陷，实现缺陷处阻抗-电压信号的转换。信号
此方法在提高带宽的同时，会增大采集数据量，减小
采集模块采集经过全桥电路与信号放大电路处理后
带宽利用率。文章通过对数字涡流检测系统中现场
的缺陷信号，并将采集到的数据在FIFO缓存器中进
可编辑门阵列（FPGA）采集到的数据设定阈值，只
行缓存，通过千兆以太网的UDP协议与上位机软件
采样高于阈值的峰值数据，并利用峰值信息还原信
进行数据交互。上位机软件处理检测信号，显示检
号，以减少采样数据量，提高带宽利用率，并在上位
测结果，检测系统整体框图如图2所示。
机上进行数字检波，显示检测结果。
1 检测原理

由法拉第电磁感应定律可知，当在线圈中通入交
变电流时，该线圈将在其周围空间激发出一个交变的
磁场 ，金属物体置于此交变磁场中时，其内部将因
[10]
电磁感应产生涡流。涡流技术检测原理如图1所示， 图 2 数字涡流检测系统框图
线圈生成的一次磁场B 1 在被测钢板内引起涡流，感 2.2 激励电路
生出的涡流又会生成一个与原来磁场相反的二次磁 激励源是涡流检测的重要部分，该系统需要满
场B 2 。二次磁场反向作用于线圈，与线圈产生的一 足输出频率为1 kHz~10 MHz，电压幅值为0~15 V
[11]
次磁场叠加，抵消部分原磁场 。金属板中若存在缺 的稳定信号输出。因此选择使用 AD9833芯片，利
[12]
陷将干扰磁场磁力线的分布，导致涡流分布模式发生 用DDS（直接数字频率合成技术）生成激励信号。
改变，进而使线圈的阻抗发生变化 。因此，通过线
[13]
该芯片精度高、功耗低、输出稳定，可通过软件编程
圈阻抗的变化情况可以推断金属板是否存在缺陷。
输出频率为0~12. 5 MHz的正弦波。由于AD9833
芯片的最大输出电压仅为800 mV，其驱动能力较弱
且易受噪声干扰。因此需要搭配滤波电路，并通过
功率放大电路提高驱动能力，满足幅值频率要求。
系统基于电阻电容，设计无源滤波电路，滤除
高低频噪声干扰。激励模块的功率放大电路采用两
级放大架构，一级基于AD603可编程增益芯片设计
主控放大电路，并通过STM32单片机控制数控芯片
图 1 涡流检测原理示意 DA5618，实现系统的一级放大电路1~10倍可调增
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2025 年 第 47 卷 第 2 期
无损检测