白杨，王益祥

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

目前我国的钢铁产业已经形成了相当大的规模，但在实际的钢铁生产过程中，由于始终无法保证高品质的热处理工艺，使得钢铁件在经过热处理以后出现硬度过高或者硬度不足的现象常有发生，造成资源的极大浪费。传统的机械式硬度计技术由于操作繁琐、效率低下，已经不能满足钢铁产业的发展需求，相关产业迫切需求一种能够在实际操作中高品质、高效率、低损坏的实现硬度检测的装置。而无损检测技术指的是在不损伤材料或成品构件的前提下，根据材料内部的质地异常所引起的对超声波、光、射线、电磁信号等的异常变化，来发现材料有无缺陷的一种技术手段。脉冲涡流技术作为无损检测技术的具体实现方式之一，采用方波作为激励源，能够获得更多关于被检测材料的材质信息，因此已经成为无损检测技术的热点发展方向之一。本文是以现场可编程门阵列(FPGA)为脉冲信号发生及反馈信号采集的基础控制平台，设计专用的信号发生以及采集电路，利用PCA算法对采集到的信号进行处理，提取出和材料硬度相关的特征数据信息，结合最小二乘法建立起特征数据和材料硬度的相关关系，以此为基础最终实现对硬度特性的快速分选。

1 脉冲涡流检测原理

脉冲涡流是一种新的无损检测方法，根据电磁感应定律，当激励线圈两端通有交变电流时，就会在邻近的导体内感应出同频的涡流。传统涡流采用正弦信号作为激励，而脉冲涡流的激励信号是具有一定占空比的方波。传统涡流检测对感应磁场进行稳态分析，通过测量感应电压的幅值和相角来确定缺陷的位置，而脉冲涡流可对磁场进行时域的瞬态分析，直接测量感应磁场最大值的出现时间来进行缺陷检测。采用脉冲激励时，无需更换探头和改变激励频率，对被检测试件只需要1次扫描就可以完成对工件材料的属性分析。脉冲涡流检测缺陷识别原理如图1所示。

图1 激励电流与感应磁场波形

2 系统总体方案描述

检测系统总体方案如图2所示，主要分成四大部分：

1)扫描装置：包括试块和探头；

2)信号发生及采集系统：包括可控脉冲涡流发生模块和反馈信号采集模块；

3)信号处理系统：包括信号去噪、特征提取及硬度判断等模块；

4)参数设置模块：可以设置脉冲涡流发生模块的运行参数。

图2 系统总体方案框图

该硬度分选仪在检测过程中，对实验数据的分析处理分为软件同步采样、主成分分析提取和最小二乘法建立回归方程等步骤。其中软件同步采样技术的一般实现方法是，首先测出被测信号的周期T，用该周期除以一周内采样点数N得到采样间隔，并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。以此采样数据为基础，主成分分析方法便可以将该样本的数据集合作为输入，根据PCA算法得到反映信号主成分构成的综合指标，即为所寻找的和材料特性相关的特征信息。采用回归分析法处理机械性能与磁性能变量之间的相关关系，应用数学的方法，对一组实验数据进行处理得出比较符合变量间关系的数学表达式，即经验公式，最终确立了脉冲涡流硬度分选仪的软件实现基础。

3 系统关键模块设计

由于FPGA已经可以作为灵活、精确的信号发生装置，并且可以在同一片FPGA上进行信号的处理，其可配置的Nios II软核可以非常方便地实现反馈数据的片上处理，所以系统选择Cyclone II系列的FPGA作为核心控制平台。

3.1 基于DDS技术的脉冲涡流信号源模块设计

以Cyclone II系列的FPGA为基础平台设计的脉冲涡流信号的发生流程框图如图3所示。

图3 脉冲涡流信号发生流程图

直接数字合成(DDS)技术是近几年出现的一种频率合成方法，具有频率分辨率高、转换速度快、信号处理快、相位可控且相位保持连续变化等特点，在相关领域已经得到广泛应用。基于DDS的波形发生原理如图4所示。

图4 基于DDS的波形发生原理图

DDS原理的实质是以基准频率源对相位进行等间隔采样。在每一个时钟周期，N位相位累加器与其反馈值进行累加，其结果的高L位作为查询表的地址，然后从ROM中读出相应的幅度值送到DAC，再由DAC将其转换为阶梯模拟波形，最后由具有内插作用的LPF将其平滑为连续的正弦波形输出。所以通过改变频率控制字就可以改变输出频率。

图中DDS输出频率fout与相位增量Δθ、相位累加器的字长N和系统时钟频率fclk的关系为：

根据上式，可以得出输出频率fout=1MHz时的系统误差与相位累加器字长、时钟频率的关系，可知，DDS系统输出频率误差随相位累加器的字长N和系统时钟频率fclk的增加而减少，其中相位累加器是决定系统准确度的主要因素。DDS系统所需要的波形查找表容量Vol与幅值量化字长m、相位累加器PA字长N的关系如下：

Vol=G(m,N)=m×2N

波形表长度是相位累加器PA字长N的指数函数，要得到高的频率准确度就要求有大容量的波形表。

正弦信号发生器的结构由四部分组成，即数据计数器或者地址发生器、波形数据ROM，VHDL顶层设计和D/A输出。顶层文件在FPGA中实现，包含两个部分，即ROM的地址信号发生器和正弦数据ROM。ROM地址信号发生器为8位计数器，它以时钟信号为输入脉冲，对其计数，输出的计数值作为ROM的地址；正弦数据ROM存放着正弦波一个完整周期256点的数值，它接收ROM地址信号发生器的地址信号后，将从数据线输出正弦波波形数据，经过D/A转换后即可输出正弦波，通过电压比较器将光滑的正弦波转换为频率可调的脉冲波信号。

3.2 矩阵键盘电路设计

频率控制字的输入，采用矩阵键盘来实现(图5)。矩阵键盘是当键盘按键较多的时候为了节省I/O端口而将按键按矩阵形式排列构成的，根据数字输入的需要，再加上一些后续信号处理和分析的需要。

图5 键盘电路

与频率输入相关的按键是从左上方开始的3×4部分，其中数字键用来输入相应的数值，“清零”键用来清除当前输入的数值并开始重新输入，“确定”键用来存储当前输入的数值并开始对其进行处理。

3.3 D/A转化电路的设计

根据DDS信号发生器的原理，FPGA产生的波形数据文件存储在ROM中，需要进行D/A转换，把它变为模拟信号以后才能作为脉冲涡流检测系统的激励信号。AD9763是一款双端口、高速、双通道、10位CMOS的DAC，提供了出色的交流和直流性能，同时支持最高125MSPS的更新速率，能够满足DDS正弦信号的输出要求。

D/A转换的电路原理图如图6所示。转换器的高8位分别作为ROM的8位输出，低两位引脚接地。为了保证D/A转换的精度，实验室直接采用HD-120B稳压源，并采用LC滤波和抗混叠滤波的前置滤波器。

图6 D/A转换电路

3.4 信号采集电路的设计

在脉冲涡流无损检测系统中，接收到的检测信号非常微弱，不能够被ADC模块识别，因此需要设计合理的信号调理模块。在现代微弱信号的处理领域，相对于传统的放大器，高性能的仪表放大器具有更高的精度、更低的噪声等优点。图7为设计的仪表放大器原理图，它由两个AD825运算放大器和一个AMP03差分放大器组成。

图7 信号采集电路

电路增益通过电阻器RG设置，其增益方程为：

电阻器的取值约为1kΩ以取得最大带宽。

外部增益控制电阻RG也决定于前置放大器的增益，当RG减小时，由上式可知，随着可编程增益的增加，开环增益随之增大；而当RG增大时开环增益减小，并且减少了误差增益，同时增加带宽，从而优化了频率响应。当工作增益为10时(RG取值为220)，该电路的-dB带宽约为3.4MHz，AC共模抑制比在1Hz～200kHz时为60dB，在2MHz时为43dB，并且在4MHz～7MHz频率范围内共模抑制比大于43dB。

3.5 液晶显示电路设计

在系统工作开始时，需要对激励信号的频率值，检测分选的门限值等进行预设值，这些设置过程需要通过显示器实现人机交互，操作员根据显示器所显示的系统提示逐步进行设置。在检测结束时，需要显示检测结果，同时由于系统具有统计功能，因此还需要对统计结果进行显示。根据系统功能的要求，液晶显示器需要具有数字和汉字显示、多行显示的特性，因此选择了QC12864B型汉字图形点阵液晶显示模块，如图8所示。

图8 液晶显示电路

4 软件实现硬度检测

采用多个元件调试系统以后便可对其他工件进行定性和定量化分选与检测。在软件功能设计中，本系统着重研究了硬度的测量方法。

对于硬度分选来说，一般存在一个可以检出的临界硬度上限值和临界硬度下限值。当被检测工件实际硬度超出临界上限值或者低于临界下限值时，均表示被检测工件的硬度不符合要求。硬度检测方法的软件流程如图9所示。

图9 硬度分选流程图

软件实现硬度检测的关键在于，通过采样一组已知硬度的标样材料信息，建立起硬度信息和特征数据的相关关系，当标样数量足够多时，建立起的回归方程更加能够反映出硬度信息与状态数据的关系，能够更加精确的实现材料的硬度分选。

5 实验现象

按下键盘上的“工作”键，在显示器上会显示“分析中……”，稍后，屏幕上显示出分选结果，如图10所示。

图10 分析结果显示

在按下键盘上的“统计”键时，分选仪会显示分选记录，显示结果如图11所示。

图11 统计结果显示

6 结语

研究了一种利用脉冲涡流技术实现材料硬度分选的实施方式，以一片FPGA芯片为基础硬件平台，设计了频率可调节的脉冲信号发生器和反馈信号采集电路，结合PCA算法分析处理反馈数据，提取出能够反映硬度信息的数据信息，最后利用最小二乘法推算出材料硬度与电磁数据的相关关系，从而最终实现对材料材质信息的定性分析。研究表明，该检测方法具有可靠性高、无损伤、高效率等优点，具有良好的应用前景。

[1] 杨宾峰,罗飞路.脉冲涡流无损检测技术应用研究[J].仪表技术与传感器,2004,8(9):63-65.

[2] 刘世杭,过玉清.脉冲涡流感应测量方法的研究[J].东华大学学报,2001,12(8):26-27.

[3] 高泽溪,高成.基于 直接数字频率合成器(DDS)及性能分析[J].北京航天航空大学学报,1998,24(3):18-21.

[4] 孙晓云,路灿.涡流无损检测中的定量分析[J].无损检测,2008,5(3):104-110.

[5] 孙晓云.智能型涡流无损检测系统的开发与信号处理的研究[D].西安：西安交通大学博士学位论文，2000,5:15-20.