一种基于PC/104嵌入式系统的便携式ACFM检测仪

摘要

本发明公开了一种基于PC/104嵌入式系统的便携式ACFM检测仪，包括发生激励信号的信号发生模块、检测工件表面的探头、对模拟信号进行预处理的信号调理模块、供仪器各单元用电的电源模块、数据存储与传输模块、对数字信号进行处理的微控制器模块、对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块和显示模块。本发明可以对金属构件各种表面缺陷进行非接触检测，检测时无需对表面进行打磨或去污，能直接穿透防腐层进行检测，随着探头的扫描实时判定缺陷存在与否、绘制磁感应强度曲线和蝶形图。本发明融合了电子电路、虚拟仪器、嵌入式控制、数字信号处理以及电磁传感器等技术于一体，结构轻便，操作方便，有利提高了石油石化设备的安全检测和评估效率。

权利要求

1.一种基于PC/104嵌入式系统的便携式ACFM检测仪，其特征在于，包括发生激励信号的信号发生模块、检测工件表面的探头、对模拟信号进行预处理的信号调理模块、供仪器各单元用电的电源模块、数据存储与传输模块、对数字信号进行处理的微控制器模块、对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块和显示模块；

供仪器各单元用电的电源模块，用于对仪器的各个单元提供电源，与信号发生模块、信号调理模块及微控制器模块分别连接；

发生激励信号的信号发生模块，即信号激励源，信号发生电路包括的函数发生器和射极跟随器与检测工件表面的探头连接，同时与电源模块连接；

检测工件表面的探头，包括激励线圈和检测线圈，与对模拟信号进行预处理的信号调理模块连接；

对模拟信号进行预处理的信号调理模块，其信号调理电路的前置放大部分采用两级放大，第一级放大由仪表放大器实现，第二级放大电路采用由运算放大器搭建一阶同相放大器，信号调理电路的滤波部分选用低通滤波器；用于对模拟信号进行统一化的预处理，与对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块相互连接，同时与电源模块连接；

对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块，应用控制总线标准采集，用于对模拟信号进行数据采集，对数字信号进行处理的微控制器模块相互连接；对数字信号进行处理的微控制器模块，主要包括主板，用于对数字信号进行处理，通过SATA接口与数据存储与传输模块相互连接，同时与显示模块相互连接；

数据存储与传输模块，用于对数据的存储与传输；

显示模块，采用LCD触摸屏，与微控制器模块相互连接；

所述探头由激励单元和检测单元组成；激励单元由U型锰锌铁氧磁芯和缠绕在U型磁芯中部0.15mm的漆包线组成，检测单元由矩形磁芯和两组正交缠绕磁芯的0.05mm的漆包线组成；检测单元位于激励单元的中下部，且检测单元直径小于激励单元；

所述一阶同相放大器的交流信号源Vi负极接地，正极通过电阻RL接入放大器LM324的同相端，放大器LM324的反相端一部分通过电阻R1接地，同时一部分通过电阻RF接入放大器LM324的输出端，放大器LM324的引脚4接高电平VCC，放大器LM324的11引脚接低电平VEE。

说明书

一种基于PC/104嵌入式系统的便携式ACFM检测仪

技术领域

[0001] 本发明属于检测仪技术领域，尤其涉及一种基于PC/104嵌入式系统的便携式ACFM检测仪。

背景技术

[0002] 随着石油勘探开发力度地加大，石油装备的工作环境越来越恶劣，直接导致失效事故也随之增加，石油装备的安全可靠性，如今已成为当今社会关注的热点。综上所述，石油工业的安全问题日渐突出，当今工业环境对无损检测仪器的性能提出了更高的要求。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。

[0003] 交流电磁场检测(Al ternat ing Current Fie ld Measurement)无论对于压力容器还是海洋平台钢结构，都有大量地应用和一定范围的可靠性。为保证石油工业设备的安全运行，实现快速便捷检测，提供装备表面缺陷可靠检测结果，减少事故地发生，如今迫切需要一套便携式ACFM检测仪。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种不仅结构合理而且具有丰富人机交互功能，低成本、高效率的基于PC/104的便携式ACFM检测仪。

[0005] 本发明实施例是这样实现的，一种基于PC/104嵌入式系统的便携式ACFM检测仪，包括发生激励信号的信号发生模块、检测工件表面的探头、对模拟信号进行预处理的信号调理模块、供仪器各单元用电的电源模块、数据存储与传输模块、对数字信号进行处理的微控制器模块6、对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块和显示模块；

[0006] 供仪器各单元用电的电源模块，对仪器的各个单元提供电源，与信号发生模块、信号调理模块3及微控制器模块分别连接；

[0007] 发生激励信号的信号发生模块，即信号激励源，信号发生电路包括的函数发生器和射极跟随器，所产生的激励源信号为频率6kHz的正弦波信号，与检测工件表面的探头连接，同时与电源模块连接；

[0008] 检测工件表面的探头，包括激励线圈和检测线圈，与对模拟信号进行预处理的信号调理模块连接；

[0009] 对模拟信号进行预处理的信号调理模块，其信号调理电路的前置放大部分采用两级放大，第一级放大由仪表放大器实现，第二级放大电路采用由运算放大器搭建一阶同相放大器，信号调理电路的滤波部分选用低通滤波器。用于对模拟信号进行统一化的预处理，与对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块相互连接，同时与电源模块连接；

[0010] 对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块，应用控制总线标准采集，用于对模拟信号进行数据采集，对数字信号进行处理的微控制器模块相互连接；

[0011] 对数字信号进行处理的微控制器模块，主要包括主板，主要是对数字信号进行处理，通过SATA接口与数据存储与传输模块相互连接，同时与显示模块相互连接；

[0012] 数据存储与传输模块，主要实现对数据的存储与传输；

[0013] 显示模块，采用LCD触摸屏，与微控制器模块相互连接。

[0014] 进一步，探头由激励单元和检测单元组成。激励单元由U型锰锌铁氧磁芯和缠绕在U型磁芯中部0.15mm的漆包线组成，检测单元由矩形磁芯和两组正交缠绕磁芯的0.05mm的漆包线组成。检测单元位于激励单元的中下部，且检测单元直径小于激励单元。

[0015] 进一步，一阶同相放大器的交流信号源Vi负极接地，正极通过电阻RL接入放大器LM324的同相端，放大器LM324的反相端一部分通过电阻R1接地，同时一部分通过电阻RF接入放大器LM324的输出端，放大器LM324的引脚4接高电平VCC，放大器LM324的11引脚接低电平VEE。

[0016] 进一步，预置人工裂纹钢板利用基于PC/104的便携式ACFM检测仪检测低碳钢薄板表面长40mm，宽1mm，深8mm的裂纹，工件为低碳钢；表面预制人工缺陷采用电火花方法加工而成，人工缺陷的轮廓是半椭圆形裂纹缺陷；试件中裂纹的深度分别为5mm、2mm、8mm。

[0017] 本发明基于PC/104的便携式ACFM检测仪可以对金属构件各种表面缺陷进行非接触检测，检测时无需对表面进行打磨或去污，随着探头的扫描实时判定缺陷存在与否、绘制磁感应强度曲线和蝶形图。

[0018] 本发明基于PC/104的便携式ACFM检测仪检测灵敏度高且操作简单，适合检测人员方便携带，软件智能化水平高，对检测人员操作水平要求不高，本仪器适用于石油现场工作环境，具有实用价值。

附图说明

[0019] 图1本发明实施例提供的基于PC/104的便携式ACFM检测仪原理图；

[0020] 图2是本发明实施例提供的探头的结构图；

[0021] 图3本发明实施例提供的一阶同相放大电路图；

[0022] 图4本发明实施例提供的预置人工裂纹钢板的结构示意图；

[0023] 图5本发明实施例提供的Bz方向磁场强度幅值测试曲线图；

[0024] 图6本发明实施例提供的Bx方向磁场强度幅值测试曲线图。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0026] 本发明公开了一种基于PC/104的便携式ACFM(Alternating Current Field Measurement)检测仪。检测仪器主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分主要实现系统供电、信号发生、信号调理、信号采集和结果显示功能，软件部分实现信号采集、处理与人机交互功能，根据磁场强度曲线和蝶形图的检测结果判断设备材质连续性。

[0027] 图1为基于PC/104的便携式ACFM检测仪原理图。其包括发生激励信号的信号发生模块1、检测工件表面的探头2、对模拟信号进行预处理的信号调理模块3、供仪器各单元用电的电源模块4、数据存储与传输模块5、对数字信号进行处理的微控制器模块6、对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块7和显示模块8。

[0028] 供仪器各单元用电的电源模块4，对仪器的各个单元提供电源。与信号发生模块1、信号调理模块3及微控制器模块6分别连接；

[0029] 发生激励信号的信号发生模块1，即信号激励源，信号发生电路包括的函数发生器ICL8038和射极跟随器，所产生的激励源信号为频率6kHz的正弦波信号，与检测工件表面的探头2连接，同时与电源模块4连接；

[0030] 检测工件表面的探头2，包括激励线圈和检测线圈，与对模拟信号进行预处理的信号调理模块3连接；

[0031] 对模拟信号进行预处理的信号调理模块3，其信号调理电路的前置放大部分采用两级放大，第一级放大由仪表放大器AD620实现，第二级放大电路采用由运算放大器搭建一阶同相放大器，信号调理电路的滤波部分选用低通滤波器。用于对模拟信号进行统一化的预处理，与对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块7相互连接，同时与电源模块4连接；

[0032] 对模拟信号进行数据采集的A/D采集模块7，应用PC/104控制总线标准采集，用于对模拟信号进行数据采集，对数字信号进行处理的微控制器模块6相互连接；

[0033] 对数字信号进行处理的微控制器模块6，主要包括PC/104主板，主要是对数字信号进行处理，通过SATA接口与数据存储与传输模块5相互连接，同时与显示模块8相互连接；

[0034] 数据存储与传输模块5，主要实现对数据的存储于传输；

[0035] 显示模块8，采用LCD触摸屏，与微控制器模块6相互连接。

[0036] 图2为检测工件表面的探头的结构图。探头2由激励单元和检测单元组成。激励单元由U型锰锌铁氧磁芯和缠绕在U型磁芯中部0.15mm的漆包线组成，检测单元由矩形磁芯和两组正交缠绕磁芯的0.05mm的漆包线组成。检测单元位于激励单元的中下部，且检测单元直径小于激励单元。

[0037] 图3为一阶同相放大器的电路图。交流信号源Vi负极接地，正极通过电阻RL接入放大器LM324的同相端3，放大器LM324的反相端2一部分通过电阻R1接地，同时一部分通过电阻RF接入放大器LM324的输出端1，放大器LM324的4引脚接高电平VCC，放大器LM324的11引脚接低电平VEE。

[0038] 图4为预置人工裂纹钢板的结构示意图。利用基于PC/104的便携式ACFM检测仪检测低碳钢薄板表面长40mm，宽1mm，深8mm的裂纹，工件为低碳钢。表面预制人工缺陷采用电火花方法加工而成，人工缺陷的轮廓是半椭圆形裂纹缺陷。试件中裂纹1、2、3的深度分别为5mm、2mm、8mm。

[0039] 三、工作原理

[0040] 基于PC/104的便携式ACFM检测仪工作过程：打开仪器电源开关，进入在LabVIEW环境下设计ACFM检测软件界面，通过触摸屏实现鼠标功能，通过工业键盘进行参数设置，信号发生电路1所产生的激励信号到探头2的激励单元，把探头2置于工件表面，探头2的激励单元在工件表面激励均匀感应电流，由法拉第电磁感应原理可知，工件表面随即产生瞬态均匀感应磁场，探头2的检测单元拾取工件表面磁感应强度分量，以电压形式表示磁感应强度，形成检测信号，单激励探头检测信号为两路，包括Bx方向与Bz方向，其通过信号调理电路3进行放大和滤波实现模拟信号前置预处理，引入原始激励信号作为参考信号，PC/104采集模块7采集两路检测信号与一路参考信号，采集卡自带A/D转换器，信号进行A/D转换后通过PC/104总线传入PC/104主板6，PC/104主板6对检测信号进行高速数据处理，通过开发的ACFM检测软件实现信号数字滤波、相关分析、磁场幅值曲线与蝶形图绘制，通过LCD屏幕8对工件表面磁场幅值曲线与蝶形图实时显示，数据存储与传输模块5中存储检测数据，通过检测分析软件显示检测结果，可对工件表面缺陷进行判定。

[0041] 缺陷判定。若工件表面存在裂纹，电流信号会在裂纹两端产生扰动，即产生瞬态磁畸变信号，根据探头2拾取的检测信号经过采集和处理后，实时绘制出磁场密度曲线和蝶形图，通过Bx、Bz磁场强度幅值曲线和蝶形图可判断缺陷位置和大小。Bz信号在裂纹两端达到峰值，而Bx信号在裂纹最深处出现最小值，如图2和图6所示，可以容易的定量分析缺陷的位置和范围，本仪器能够实现定量检测。

[0042] ACFM检测软件其特征在于，可进行初始参数设置、实时绘制磁场强度曲线、实时绘制相位变换曲线和蝶形图，并可根据检测结果判断设备损伤部位。初始化参数设置包括设置通道数量、起始通道、采集频率和采集点数，采用小波包分析和互相关分析对交流电磁场检测信号进行数字信号处理，实现对检测信号进行相敏检波和低通滤波，利用互功率谱密度的相关分析法进行相位检测，并可对检测数据进行传输与保存操作。

[0043] 基于PC/104的便携式ACFM检测仪的特征在于，核心硬件配置设计采用PC/104主板+PC/104采集板的架构。拾取的检测信号经信号调理电路3后，传入PC/104采集模块7，模拟信号经A/D转换后，由PC104总线传入PC/104主板6，实现信号采集与处理任务。

[0044] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。