热轧钢管裂纹在线检测仪的研究
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摘要
本文简述了电涡流传感器技术应用及理论研究的现状，揭示了在热轧钢管裂纹探伤方面国内与国外的巨大差别，并提出了两种钢管裂纹在线检测的方案。通过对涡流传感器的静态特性和动态特性的分析，指出影响传感器测量范围、灵敏度、线性度等指标的因素；推导出涡流传感器动态性能可以用两个串联的一阶惯性系统来表示，并设计出无源超前的校正电路，保证在不影响灵敏度的前提下可以大大的改善其系统的动态特性。
通过大量的实验，一方面验证了大传感器测量小缺陷的可行性；另一方面又发现了采用线圈阻抗的相位分量识别裂纹缺陷相对于其幅值分量，具有线性度好；灵敏度高；测量范围宽；抗干扰性强的优点。对于抑制“提离”的问题采用单频双参数的方法结合最小二乘法曲面拟合解耦简单而且有效。
本系统采用TI公司的TMSC548芯片作为整个检测仪的信号数字处理器，本着性价比的宗旨，激励源电路以MAX038芯片为核心，利用CCS软件仿真了基于相关法测量信号的相位差，通过比较在此基础上又提出了一种基于过零法对等效脉宽计数测量信号相位差的方法，通过对计数器预置阀值，从而实现在无裂纹出现的情况下，DSP可以对信号不作处理，大大降低了系统对DSP时间和空间资源的占有率。设计了激光发射和接受装置从而取得行同步信号。
最后结合本课题，提出了一些有效的嵌入式系统的硬件及软件抗干扰技术。
The paper introduces the technology applies and theory research conditions of eddy-curent sensor, reveals the large spatial difference between our country and others about in real detection of steel pipe crackle. Though the analysis of statical and dynamic characters on eddy-current sensor, it puts forward the influence factors of detective range and sensitivity and linear. On the other hand, it also makes dynamic character factor equel to two inertia system .It not only improves dynamic character but also has little influences to sensitivity by correcting with non-power circuit.
Through massive experiments, we can get that it is feasible to detect little flaw by big sensor, and it is also verified that the method which discerns the crackle by coil impedance phase has better linear, higher sensitivity, wider detective range and better anti-interference than by amplitude, it is ordinary and effective to solve problem of seting up sensor by testing two parameter with one work frequency on the basis of using two least multiplication.
The system uses TMSC548 of TI co. as the whole detective CPU. The excited power circuit adopts MAX038 as a core according to capability and value. On the basis of detecting the phase difference by correlative method with CCS software, the paper puts forward a method that detects the phase difference by taking count of equivalent pulse width, and preset counter's value so that DSP need not deal with the signal when there has not crackle. It can largely reduce the DSP possess rate of time and space. The synchronism signal is obtained by laser equipment.
At last, the paper has put forward some effective means of software and hardware anti-interference about built-in system.
通过大量的实验，一方面验证了大传感器测量小缺陷的可行性；另一方面又发现了采用线圈阻抗的相位分量识别裂纹缺陷相对于其幅值分量，具有线性度好；灵敏度高；测量范围宽；抗干扰性强的优点。对于抑制“提离”的问题采用单频双参数的方法结合最小二乘法曲面拟合解耦简单而且有效。
本系统采用TI公司的TMSC548芯片作为整个检测仪的信号数字处理器，本着性价比的宗旨，激励源电路以MAX038芯片为核心，利用CCS软件仿真了基于相关法测量信号的相位差，通过比较在此基础上又提出了一种基于过零法对等效脉宽计数测量信号相位差的方法，通过对计数器预置阀值，从而实现在无裂纹出现的情况下，DSP可以对信号不作处理，大大降低了系统对DSP时间和空间资源的占有率。设计了激光发射和接受装置从而取得行同步信号。
最后结合本课题，提出了一些有效的嵌入式系统的硬件及软件抗干扰技术。
The paper introduces the technology applies and theory research conditions of eddy-curent sensor, reveals the large spatial difference between our country and others about in real detection of steel pipe crackle. Though the analysis of statical and dynamic characters on eddy-current sensor, it puts forward the influence factors of detective range and sensitivity and linear. On the other hand, it also makes dynamic character factor equel to two inertia system .It not only improves dynamic character but also has little influences to sensitivity by correcting with non-power circuit.
Through massive experiments, we can get that it is feasible to detect little flaw by big sensor, and it is also verified that the method which discerns the crackle by coil impedance phase has better linear, higher sensitivity, wider detective range and better anti-interference than by amplitude, it is ordinary and effective to solve problem of seting up sensor by testing two parameter with one work frequency on the basis of using two least multiplication.
The system uses TMSC548 of TI co. as the whole detective CPU. The excited power circuit adopts MAX038 as a core according to capability and value. On the basis of detecting the phase difference by correlative method with CCS software, the paper puts forward a method that detects the phase difference by taking count of equivalent pulse width, and preset counter's value so that DSP need not deal with the signal when there has not crackle. It can largely reduce the DSP possess rate of time and space. The synchronism signal is obtained by laser equipment.
At last, the paper has put forward some effective means of software and hardware anti-interference about built-in system.
引文
[1]刘德镇、刘瑛等．远场涡流技术及国内外进展．山东工业大学学报，1998年6月，191-194
[2]李雨润、王军、田力男．无损检测技术进展．无损探伤，1999年1期，42-43
[3]刘秀丽、黄华斌．涡流法对不同厚度隔层下的裂纹检出概率测试研究．航空学报，1998年7月，489-492
[4]林俊明、李同滨．相控阵列涡流传感器的研制及其应用．无损检测，2001年1月，9-11
[5]林俊明、林发炳、林春景．再谈智能高速在线涡流探伤系统的研发．无损检测，2002年3月，108-109
[6]林俊明、李同滨等．阵列涡流探头在钢管探伤中的实验．钢管，2001年6月，45-48
[7]陈德志、王彬、邵可然．裂纹检测中的涡流场计算．无损检测，2000年3月，99-105
[8]王军平、王安．电涡流传感器线圈参数对传感器性能的影响．自动化仪表，2001年12月，22-24
[9]蒋齐密、张新房等．电涡流检测系统的参数设置依据．无损检测，2001年3月，100-102
[10]张晓燕．具有抑制提离效应的旋转坐标法．广东机械学院学报，1994年6月，51-54
[11]Hurley DC,Hedengren KH,Young JD,Eddy Current arrays for defect detection Reviwe of progress in quantitative nondestructive evaluation"IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT",vol 11, NO4,MAY 1998
[12]孙晓云博士论文．2000
[13]沙占友《数字万用表应用技巧》国防工业出版社
[14]戴明桢、周建江《TMS320C54X DSP结构、原理及应用》北京航空航天大学出版社
[15]于达仁、鲍文、徐敏强．用FFT测量周期信号相角差及其误差分析．哈尔滨工业大学学报，1995年6月，84-87
[16]张贤达《现代信号处理》清华大学出版社
[17]单成祥《传感器的理论与设计基础及其应用》国防工业出版社
[18]周明德《微型计算机硬件软件及其应用》清华大学出版社
[19]杨卫峰、宋京伟、杨树军．涡流探伤中数据的实时采集与实时处理．华东交通大学学报，2001年3月，25-27
[20]贾慧明、葛伟亮．钢材涡流检测中的信号分析与处理．钢铁，1999年4月，65-68
[21]刘益成《TMS320C54X DSP应用程序设计与开发》北京航空航天大学出版社
[22]王宇、徐顺江、王砚方．基于DSP的低信躁比周期信号高速实时取系统工程与电子技术，1998年3期，44-48
[23]郑红、吴冠《TMS320C54X DSP应用系统设计》北京航空航天大学出社
[24]顾永红．综述单片机应用系统的抗干扰设计．计算机自动测量与控制，2000年3月，51-53
[25]王念旭《DSP基础与应用系统设计》北京航空航天大学出版社
[26]孙涵芳《Intel16位单片机》北京航空航天大学出版社
[27]王福瑞《单片机测控设计大全》北京航空航天大学出版社
[28]刘军华《智能传感器系统》西安电子科技大学出版社
[29]周耀华、王凯仁《数字信号处理》复旦大学出版社
[30]苏涛、吴顺君《高性能数字信号处理器与高速实时信号处理》西安电子科技大学出版社
[31]王秀杰《模拟集成电路的设计》西北工业大学出版社
[32]张毅刚《8098单片机应用设计》电子工业出版社
[33]胡寿松《自动控制原理》国防工业出版社
[34]李白男《伪随机信号及相关辩识》科学出版社
[35]薛书文、宗明成等．金属内部近表缺陷深度的定量化检测新方法．北方交通大学学报，1998年2月，59-62
[36]吴步宁、喻志清、陈志祥．微机控制高精度可调频调幅信号发生器．工业仪表与自动化装置，1998年6月，50-53
[37]幸玲玲、路灿、盛剑霓．小波边缘检测技术在涡流检测中的应用．高电压技术，1999年9月，7-10
[38]潭明鹃、马信山．涡流检测中传递函数方法研究．电工技术学报，1998年10月，42-46
[39]顾国华、陈钱、张保民．一种基于电涡流传感器的数据采集系统．光电子技术，1997年9月，170-176
[40]P. Guillenume, "Frequency response measurements of multivariable systems using nonlinear likelihood properties","IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT",VOL 21, NO2, APRIL 1998
[41]张哓明．人工神经网络在涡流检测中的应用．沈阳工业大学学报，1998年10月，22-25
[42]吴干林．涡流检测头尾信号切除新方法．无损检测，2001年2月，78-81
[43]凌保明、诸葛向彬、凌云．电涡流传感器的温度稳定性的研究．仪器仪表学报，1994年11月，342-346
[44]孙晓云、袁斌、盛剑霓．神经网络方法在涡流无损检测定量分析中的应用．西安交通大学学报，2000年6月，6-10
[45]从华、张德魁、赵鸿宾．电涡流传感器温度稳定性研究．
清华大学学报(自然科学版)，1999年11期，65-68
[46]孙晓云、曾礼等．涡流无损检测中快速识别方法的研究．电工电能新技术，2000年4月，64-67
[47]杨维明、佟威．新型双向涡流裂纹探伤仪．沈阳工业大学学报，1999年2月，45-47
[48]J. Perira, Octavian Postolache,P.M.B. Siva Giao, "A Temprature-Compensated system for magnetic field measurement based on artificical neural networks","IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT", VOL 47, NO2,APRIL 1998
[49]姬红兵、谢维信、贺伟．一种基于数字信号处理器的有效FFT实现．西安电子科技大学学报，1998年8月，445-449
[50]王宇、李洪弟等．一种基于DSP的高速数据获取及处理系统．核电子学与探测技术，1998年7月，285-287
[51]罗志勇、吕新民、王斌、刘栋玉．用高速DSP实现运动带钢焊缝识别．华中理工大学学报，1995年11月，73-76
[52]林俊明．增益比技术对涡流检测信号提取的作用．无损探伤，1998年1期，40-42
[53]Leontina Sandu,Jaques Oksman and Gills A. Fleury, "Use of transmisson-line modeling method in FEM for the choice of parametric function for measurement","IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT"VOL 33,NO 4, JULY 1998
[54]高美蓉、庞川宾等．应用误差分离理论对轴(孔)类工件表面缺陷进行涡流检测的研究．无损检测，2001年8月，339-341
[2]李雨润、王军、田力男．无损检测技术进展．无损探伤，1999年1期，42-43
[3]刘秀丽、黄华斌．涡流法对不同厚度隔层下的裂纹检出概率测试研究．航空学报，1998年7月，489-492
[4]林俊明、李同滨．相控阵列涡流传感器的研制及其应用．无损检测，2001年1月，9-11
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[6]林俊明、李同滨等．阵列涡流探头在钢管探伤中的实验．钢管，2001年6月，45-48
[7]陈德志、王彬、邵可然．裂纹检测中的涡流场计算．无损检测，2000年3月，99-105
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[9]蒋齐密、张新房等．电涡流检测系统的参数设置依据．无损检测，2001年3月，100-102
[10]张晓燕．具有抑制提离效应的旋转坐标法．广东机械学院学报，1994年6月，51-54
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[12]孙晓云博士论文．2000
[13]沙占友《数字万用表应用技巧》国防工业出版社
[14]戴明桢、周建江《TMS320C54X DSP结构、原理及应用》北京航空航天大学出版社
[15]于达仁、鲍文、徐敏强．用FFT测量周期信号相角差及其误差分析．哈尔滨工业大学学报，1995年6月，84-87
[16]张贤达《现代信号处理》清华大学出版社
[17]单成祥《传感器的理论与设计基础及其应用》国防工业出版社
[18]周明德《微型计算机硬件软件及其应用》清华大学出版社
[19]杨卫峰、宋京伟、杨树军．涡流探伤中数据的实时采集与实时处理．华东交通大学学报，2001年3月，25-27
[20]贾慧明、葛伟亮．钢材涡流检测中的信号分析与处理．钢铁，1999年4月，65-68
[21]刘益成《TMS320C54X DSP应用程序设计与开发》北京航空航天大学出版社
[22]王宇、徐顺江、王砚方．基于DSP的低信躁比周期信号高速实时取系统工程与电子技术，1998年3期，44-48
[23]郑红、吴冠《TMS320C54X DSP应用系统设计》北京航空航天大学出社
[24]顾永红．综述单片机应用系统的抗干扰设计．计算机自动测量与控制，2000年3月，51-53
[25]王念旭《DSP基础与应用系统设计》北京航空航天大学出版社
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[27]王福瑞《单片机测控设计大全》北京航空航天大学出版社
[28]刘军华《智能传感器系统》西安电子科技大学出版社
[29]周耀华、王凯仁《数字信号处理》复旦大学出版社
[30]苏涛、吴顺君《高性能数字信号处理器与高速实时信号处理》西安电子科技大学出版社
[31]王秀杰《模拟集成电路的设计》西北工业大学出版社
[32]张毅刚《8098单片机应用设计》电子工业出版社
[33]胡寿松《自动控制原理》国防工业出版社
[34]李白男《伪随机信号及相关辩识》科学出版社
[35]薛书文、宗明成等．金属内部近表缺陷深度的定量化检测新方法．北方交通大学学报，1998年2月，59-62
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[37]幸玲玲、路灿、盛剑霓．小波边缘检测技术在涡流检测中的应用．高电压技术，1999年9月，7-10
[38]潭明鹃、马信山．涡流检测中传递函数方法研究．电工技术学报，1998年10月，42-46
[39]顾国华、陈钱、张保民．一种基于电涡流传感器的数据采集系统．光电子技术，1997年9月，170-176
[40]P. Guillenume, "Frequency response measurements of multivariable systems using nonlinear likelihood properties","IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT",VOL 21, NO2, APRIL 1998
[41]张哓明．人工神经网络在涡流检测中的应用．沈阳工业大学学报，1998年10月，22-25
[42]吴干林．涡流检测头尾信号切除新方法．无损检测，2001年2月，78-81
[43]凌保明、诸葛向彬、凌云．电涡流传感器的温度稳定性的研究．仪器仪表学报，1994年11月，342-346
[44]孙晓云、袁斌、盛剑霓．神经网络方法在涡流无损检测定量分析中的应用．西安交通大学学报，2000年6月，6-10
[45]从华、张德魁、赵鸿宾．电涡流传感器温度稳定性研究．
清华大学学报(自然科学版)，1999年11期，65-68
[46]孙晓云、曾礼等．涡流无损检测中快速识别方法的研究．电工电能新技术，2000年4月，64-67
[47]杨维明、佟威．新型双向涡流裂纹探伤仪．沈阳工业大学学报，1999年2月，45-47
[48]J. Perira, Octavian Postolache,P.M.B. Siva Giao, "A Temprature-Compensated system for magnetic field measurement based on artificical neural networks","IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT", VOL 47, NO2,APRIL 1998
[49]姬红兵、谢维信、贺伟．一种基于数字信号处理器的有效FFT实现．西安电子科技大学学报，1998年8月，445-449
[50]王宇、李洪弟等．一种基于DSP的高速数据获取及处理系统．核电子学与探测技术，1998年7月，285-287
[51]罗志勇、吕新民、王斌、刘栋玉．用高速DSP实现运动带钢焊缝识别．华中理工大学学报，1995年11月，73-76
[52]林俊明．增益比技术对涡流检测信号提取的作用．无损探伤，1998年1期，40-42
[53]Leontina Sandu,Jaques Oksman and Gills A. Fleury, "Use of transmisson-line modeling method in FEM for the choice of parametric function for measurement","IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTION AND MEASUREMENT"VOL 33,NO 4, JULY 1998
[54]高美蓉、庞川宾等．应用误差分离理论对轴(孔)类工件表面缺陷进行涡流检测的研究．无损检测，2001年8月，339-341