摘 要: 針對鋼鐵材料損傷檢測問題，依據電磁無損檢測原理，在ARM微處理器系統(tǒng)的基礎上，優(yōu)化設計了一套以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率法的檢測原理，著重闡述了系統(tǒng)功能模塊的電路設計。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，同時能夠對數據進行顯示和存儲。
關鍵詞: 鋼鐵材料; 電磁無損檢測; 初始磁導率; S3C2440A處理器
鋼鐵材料是工業(yè)和國民經濟中常用的材料，廣泛用于橋梁、鐵路、建筑、管道等多方面。鋼鐵材料在生產和使用中常會產生裂紋等損傷，檢測這些損傷對于保障設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、經濟、快速。
目前，鋼鐵材料質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發(fā)展和應用的一個重要方向。然而現有的電磁無損檢測儀器對于鋼鐵材料裂紋質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域的最大亮點。本文將ARM技術應用于電磁無損檢測電路設計中，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 初始磁導率法的檢測原理
初始磁導率法是基于電磁無損檢測方法檢測鋼鐵的材質，因其非破壞性、簡便、快速及可實現100%逐件檢測等優(yōu)點，在工業(yè)上得到廣泛的應用[1]。初始幅值磁導率法檢測的原理如圖1所示，當一個空心的磁化線圈中通以交流激磁電流之后，線圈內產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出的渦流產生的附加交變磁場，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生一個感應電動勢E。
初始磁導率是鋼鐵材料的磁化曲線在原點處的斜率, 即磁感應強度隨磁場強度線性增加范圍內的磁導率（磁疇疇壁的可逆位移區(qū)）在此磁場范圍內，工件磁化后無剩磁。而裂紋、內裂等損傷是由于鋼鐵材料在生產和加工過程中受熱應力和組織應力等因素造成的，根據應力理論，鋼鐵材料的應力越大，其初始磁導率下降越大[2]。
2 系統(tǒng)總體方案設計
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轉換器、存儲器件、液晶顯示、鍵盤和聲光報警6部分。設計的系統(tǒng)總體框圖如2圖所示。
3 系統(tǒng)功能模塊設計
3.1 激勵部分
本設計的激勵方波采用S3C2440A控制芯片的PWM功能的定時器產生，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，可在經過電壓補償電路后提高達到±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。設計中，選用初始磁導率較高的U型錳鋅鐵氧體作為傳感器的磁芯，如果鋼鐵試樣中的應力越大，則初始磁導率下降越快。激勵線圈與檢測線圈的繞線匝數為1:4，盡量地增大有效磁導率，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到后續(xù)電路。設計中選用741運放與RC電網組成濾波放大電路，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轉換器，轉化為便于分析處理的數字量。這種電路能夠抑制各種外來干擾因素，而且結構簡單。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533 MHz，CPU內部集成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)，因此應用十分廣泛[4]。在本設計中，S3C2440A控制芯片連接A/D轉換器、外接控制鍵盤、液晶顯示和存儲電路。
3.4.1 A/D轉換電路
A/D轉換器選用TI公司的ADS1110芯片。ADS1110是精密的連續(xù)自校準△-∑型A/D轉換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，提供內置的2.048 V的基準電壓，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進行轉換，片內可編程的增益，放大器PGA提供高達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在設計中的應用電路如圖4所示。
本設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，在輸入端設計了分壓和限流保護電路。I2C接口的數據端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
鍵盤電路的設計采用ZLG7290控制芯片[5],設計為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。鍵盤主要完成設置硬件系統(tǒng)各項功能的參數，包括選擇不同的脈沖電流值、工作模式、基本參數設置等，并且為了適應今后硬件系統(tǒng)功能的擴展，特別預留了F0～F45個按鍵作為候補功能按鍵使用。響應通過延時處理程序，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確性，鍵盤按鍵的延長時間設定為50 ms。
設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據參數值，SDRAM用于存放運行代碼。
顯示電路由外接液晶屏構成，因為S3C2440A內置了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)光二極管構成。當檢測到損傷裂紋時，驅動蜂鳴器發(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采樣的數值進行算法處理，為達到試驗效果，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準工件。試驗表明本設計的電路系統(tǒng)對鋼鐵件表面損傷的檢測非常有效。選取部分鋼件，試驗結果如表1所示，該試驗可以使用多個性能指標進行標樣。為了說明儀器檢測數據的差異性，表中的測量值為儀器的直接測量值。
測量顯示數據可以看出，測量值大于標準1號工件值32 200時表示試樣無裂紋，當測量值小于標準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力發(fā)生變化，使得初始磁導率值下降， 實驗達到了預期的效果。
本系統(tǒng)在電路設計上，以ARM微處理器為中心，充分利用了ARM處理器的豐富資源，簡化了硬件設計。尤其是在激磁產生和人機接口部分，通過使用ARM處理器的PWM、I2C以及LCD控制器，使相關電路大大簡化，并且易于軟件控制。設計電路簡單、界面友好、各功能實現模塊化，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
[1] WAN Jing,HE Yun Bin,FAN Jing Yun,et dcl.Development and application of WGQ type micro-computer-based electromagetic nondetructive testing instrument for Metal material[J].Tansactions of Nonferrous Metals Society of China,2002,12(6):1058-1026.
[2] 萬國慶，樊景云，王于波，等.鋼鐵件缺陷的電磁無損檢測[J].哈爾濱科學技術大學學報,1995,19(5):37-40.
[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.
[4] 曹占中,周余,王自強,等.基于S3C2440的Linux攝像頭驅動開發(fā)[J].電子測量技術，2009,2(32):108-111.
[5] ZLG7290控制芯片數據手冊[Z]. 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.http://www.zlgmcu.com.