基於dds技術的渦流檢測激勵信號源的製作方法

2023-04-26 06:03:26

專利名稱：基於dds技術的渦流檢測激勵信號源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種激勵信號源，尤其涉及一種可發生任意波形的基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，屬於無損檢測設備技術領域。
背景技術：
渦流檢測是無損檢測的常規方法之一，已在機械、石化、航空、冶金等諸多工業領域得到了廣泛應用。渦流檢測具有以下特點1)對非磁性材料有效，對環境無汙染，操作方便；2)非接觸性測量，不需要耦合劑，便於實現高速、高效檢測；3)可檢測導電材料表面及近表面裂紋等缺陷，響應信號包含有裂紋深度、寬度、形狀等豐富的特徵信息；4)可在薄壁管、線材、零件內孔表面等其它檢測方法不適合的場合實施檢測。渦流檢測系統主要由激勵信號源、磁場測量裝置、渦流響應信號採集及其處理系統等部分組成。常規渦流檢測大多以單頻正弦電流作為激勵信號，通常採用LC或RC振蕩電路來實現。但隨著渦流檢測技術朝著多頻渦流檢測、脈衝渦流檢測、遠場渦流檢測等方向發展，渦流檢測系統對激勵信號源的要求也越來越高，尖波或其它波形也可作為激勵信號而付諸應用。例如，為了獲得被測導體不同深度的缺陷信息，需要採用多頻正弦信號進行激勵；為了減小集膚效應的影響，尤其是在對多層金屬結構中間層或次表面缺陷進行檢測時，需要採用脈衝信號進行激勵；又如，在遠場渦流檢測系統中，由於探頭較長，需要較高功率的激勵信號以提高響應信號幅值。同時，激勵源是整個檢測系統的信號源，對激勵信號波形、頻率、幅值等參數進行靈活調整，可適時改變渦流響應信號中所包含的特徵信息，這將便於對檢測結果客觀地進行分析與評價，從而提高檢測效率。但是，如果激勵信號本身質量不高或穩定度不夠，就會給後續渦流響應信號的特徵提取造成困難，甚至使渦流檢測難以進行下去。因此，在整個渦流檢測系統中，激勵信號源是影響整個檢測系統工作性能的關鍵部件之一。多頻渦流檢測方法採用幾個不同頻率正弦信號激勵渦流傳感器，故獲得的渦流響應信號所包含的特徵信息會比單頻渦流檢測更豐富。激勵信號的具體實現可以採用同步合成或異步合成方式。前者激勵信號採用多個不同頻率分量的正弦信號進行疊加，信號峰值較高，對驅動電路的電壓範圍要求較寬；後者採用多個頻率分量的正弦信號依次驅動渦流傳感器，需要不斷切換激勵信號頻率，檢測時間較長。中國專利文獻201010506292. 8針對現有多頻渦流檢測技術的不足，公開了一種調製多頻渦流檢測方法，在有效降低渦流檢測 系統激勵信號和響應信號的峰值因素的同時，通過採用短時連續變化頻率的線性調頻激勵信號，減少了檢測時間，提高了檢測缺陷速度。中國專利文獻200920181215. 2公開了一種多頻渦流檢測儀，其信號發生模塊包含有多個可產生不同頻率激勵信號的信號發生器，並利用加法器對同時產生的多種交變激勵信號進行疊加，最後通過功率放大電路輸出至檢測線圈。但以上技術方案均只適用於多頻渦流檢測這種單一應用場合，而無法滿足當前脈衝渦流檢測等新技術對激勵信號源提出的新要求，要產生任意波形的激勵信號更無從談起，因此需要對現有技術進一步改進以滿足各種渦流檢測對激勵信號源的要求。
直接數字頻率合成(DirectDigital Freqency Synthesis, DDS)是基於 Nyquist採樣定理和數字波形合成原理而發展起來的一種數位化頻率合成技術。DDS頻率合成器主要由頻率寄存器、相位累加器、波形存儲器、D/A轉換器和低通濾波器等組成。在系統基準時鐘一定的情況下，輸出信號的頻率取決於頻率寄存器中的頻率控制字，而相位累加器的字長決定了頻率解析度。DDS技術特點主要在於1)頻率解析度高，輸出頻點多；2)頻率切換時間短，可達us級；3)頻率切換時相位變換連續，即DDS通過改變相位增量來改變合成信號的輸出頻率，而相位函數曲線是連續的；4)可以產生任意波形信號；5)易於全數位化實現，便於集成，體積小，功耗低。宋琦華等人在論文「基於DDS技術的脈衝渦流檢測系統」計算機測量與控制，2011 (8)中，利用專用DDS晶片AD9850產生1ΚΗζ、50%佔空比的方波激勵，完成了脈衝渦流激勵信號源的設計，較好地解決了激勵信號頻率連續可調、頻率穩定性等問題。陳道傑等人在論文「DDS技術在渦流檢測中的應用」微處理機，2005 (3)中，採用三片專用晶片AD9832組成程控寬帶正交信號，較好地解決了激勵信號源及相關檢測電路中參考源的問題。但以上文獻所採用的專用DDS晶片以硬體電路方式只能產生正弦波、方波等標準激勵信號，無法實現任意波形激勵信號的輸出，且成本較高，從而限制了渦流激勵信號源的應用場合。因此，對DDS技術進行進一步改進，提供一種可發生任意波形激勵信 號的渦流檢測激勵信號源，具有十分重要的意義。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，可發生參數易於調整的正弦波、脈衝波等標準激勵信號以及任意波形激勵信號以用於渦流檢測。本發明的目的通過以下技術方案予以實現一種基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，包括單片機、CPLD模塊、波形存儲器、D/A轉換器、低通濾波器、功率放大電路、液晶觸控螢幕、上位PC機。所述單片機與時鐘電路、復位電路組成單片機最小系統，所述液晶觸控螢幕與單片機連接，所述上位PC機與單片機相連並串行通信，所述CPLD模塊與單片機相連，所述CPLD模塊包括接口模塊、相位累加器、控制模塊，所述接口模塊將控制字送相位累加器，所述相位累加器進行相位累加，所述控制模塊進行地址解碼、分頻及邏輯控制，所述波形存儲器與單片機、CPLD模塊相連，所述D/A轉換器與單片機、CPLD模塊相連，所述D/A轉換器與低通濾波器相連，所述低通濾波器與功率放大器相連；所述液晶觸控螢幕完成波形選擇，設定頻率、幅值和佔空比參數並傳送給單片機，單片機根據參數生成相應的波形控制字、頻率控制字及幅值控制字，所述上位PC機模擬產生激勵信號，並獲得離散化波形採樣數據，通過串行通信方式將波形採樣數據送給單片機，單片機將波形數據實時下載至波形存儲器中，波形存儲器完成待產生信號相位序列到幅度序列的轉化，波形數據輸出後回送給單片機，經過與幅值因子的乘積運算後再通過D/A轉換器、低通濾波器以及功率放大器環節生成參數可調的模擬電壓信號。本發明的目的還可以通過以下技術措施來進一步實現前述基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，其中相位累加器的圖元形式為clk為輸入時鐘，few [I I.. O]為輸入的12位頻率控制字，wcw [3.. O]為4位波形控制字，reset為復位信號，addr[12. . O]為輸出的13位地址；相位累加器為24位，結構採用流水線形式，將24位相位累加器分成6級4位的累加器，每個4位累加器均由一個4位加法器與4位寄存器級聯構成，每接收一個有效時鐘脈衝，相位累加器將頻率控制字與相位寄存器上次產生的累加相位值進行線性相加，然後將累加結果送至相位寄存器保存，根據各累加器之間存在級聯進位關係，將高位累加器相比低位累加器延時一個時鐘周期做累加，相位累加器的addr[12. . O]輸出的13位地址完成波形存儲器尋址，將相位累加結果送波形存儲器，完成相位序列到幅值序列的轉換，當相位累加器加滿時,就會產生一次溢出，其溢出頻率即為DDS輸出信號頻率。前述基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，其中低通濾波器包括橢圓低通濾波器A和貝塞爾低通濾波器B，單片機控制其狀態切換，橢圓低通濾波器A對多頻正弦激勵信號進行濾波，貝塞爾低通濾波器B對三角波、鋸齒波、方波等含有一系列不同頻率正弦分量的周期性激勵信號進行濾波。前述基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，其中橢圓低通濾波器I的設計方法為I)分析橢圓濾波器的幅度傳輸函數
權利要求
1.一種基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，包括波形存儲器、D/A轉換器、低通濾波器、功率放大電路，其特徵在於，還包括單片機、CPLD模塊、液晶觸控螢幕、上位PC機，所述單片機與時鐘電路、復位電路組成單片機最小系統，所述液晶觸控螢幕與單片機連接，所述上位PC機與單片機相連並串行通信，所述CPLD模塊與單片機相連，所述CPLD模塊包括接口模塊、相位累加器、控制模塊，所述接口模塊將控制字送相位累加器，所述相位累加器進行相位累加，所述控制模塊進行地址解碼、分頻及邏輯控制，所述波形存儲器與單片機、CPLD模塊相連，所述D/A轉換器與單片機、CPLD模塊相連，所述D/A轉換器與低通濾波器相連，所述低通濾波器與功率放大器相連；所述液晶觸控螢幕完成波形選擇，設定頻率、幅值和佔空比參數並傳送給單片機，單片機根據參數生成相應的波形控制字、頻率控制字及幅值控制字，所述上位PC機模擬產生激勵信號，並獲得離散化波形採樣數據，通過串行通信方式將波形採樣數據送給單片機，單片機將波形數據實時下載至波形存儲器中，波形存儲器完成待產生信號相位序列到幅度序列的轉化，波形數據輸出後回送給單片機，經過與幅值因子的乘積運算後再通過D/A轉換器、低通濾波器以及功率放大器環節生成參數可調的模擬電壓信號。
2.如權利要求I所述的基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，其特徵在於，所述相位累加器的圖元形式為clk為輸入時鐘，fcw[11..0]為輸入的12位頻率控制字，wcw[3. .0]為4位波形控制字,reset為復位信號,addr [12. . 0]為輸出的13位地址；相位累加器為24位，結構採用流水線形式，將24位相位累加器分成6級4位的累加器，每個4位累加器均由一個4位加法器與4位寄存器級聯構成，每接收一個有效時鐘脈衝，相位累加器將頻率控制字與相位寄存器上次產生的累加相位值進行線性相加，然後將累加結果送至相位寄存器保存，根據各累加器之間存在級聯進位關係，將高位累加器相比低位累加器延時一個時鐘周期做累加，相位累加器的addr[12. . 0]輸出的13位地址完成波形存儲器尋址，將相位累加結果送波形存儲器，完成相位序列到幅值序列的轉換，當相位累加器加滿時，就會產生一次溢出，其溢出頻率即為DDS輸出信號頻率。
3.如權利要求I所述的基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，其特徵在於，所述低通濾波器包括橢圓低通濾波器(A)和貝塞爾低通濾波器(B)，單片機控制其狀態切換，橢圓低通濾波器(A)對多頻正弦激勵信號進行濾波，貝塞爾低通濾波器(B)對含有一系列不同頻率正弦分量的周期性激勵信號進行濾波。
4.如權利要求3所述的基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源的橢圓低通濾波器(I)的設計方法，其特徵在於，包括以下步驟 I)分析橢圓濾波器的幅度傳輸函數 其中，e為波紋參數；En( )為n階橢圓特徵函數，用零極點形式表示為式中，EnO)的零點土《k和極點士蛛1由Jacobi橢圓函數積分導出； 2)確定橢圓低通濾波器設計指標為通帶截止頻率f。=55KHz,阻帶起始頻率fs =65KHz，通帶波紋e ( 0. 2dB,阻帶最小衰減Amin = 50dB ； 3)計算濾波器通帶邊界反射係數P，濾波器陡度係數為為=+=1.1818 根據反射係數P與波紋係數e之間的關係/7 = ^^，取反射係數P =20%; 4)根據陡度係數As、最小衰減Amin和反射係數P，參考橢圓濾波器階數曲線，確定所設計橢圓濾波器的階數n=7; 5)查橢圓低通濾波器LC元件值表，得到各電容、電感元件歸一化值；並對各元件進行去歸一化處理，獲得對應標稱值；其中，去歸一化公式為L』 = LXZ/fFS，C』 = C/(fFSXZ);式中，fFS為頻率標度係數(fFS = 2 fc), Z為阻抗標度係數(Z = 100)； 6)將橢圓濾波器在Multisim環境下進行幅頻特性曲線仿真,驗證並確保其過渡帶狹窄陡峭，能夠滿足渦流激勵信號源對低通濾波器的要求。
全文摘要
本發明公開了一種基於DDS技術的渦流檢測激勵信號源，包括單片機、CPLD模塊、波形存儲器、D/A轉換器、低通濾波器、功率放大電路、液晶觸控螢幕、上位PC機。所述液晶觸控螢幕與單片機連接，所述上位PC機與單片機相連並串行通信，所述CPLD模塊與單片機相連，所述波形存儲器與單片機、CPLD模塊相連，所述D/A轉換器與單片機、CPLD模塊相連，所述D/A轉換器與低通濾波器相連，所述低通濾波器與功率放大器相連。本發明可發生參數易於調整的正弦波、脈衝波等標準激勵信號以及任意波形激勵信號以用於渦流檢測。
文檔編號G01N27/90GK102967651SQ20121046984
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者唐煒, 張冰蔚, 顧金鳳, 李飛, 孫娣, 李忠國 申請人:江蘇科技大學