在不銹鋼管漏磁檢測(cè)過程中，模擬信號(hào)處理電路以及數(shù)字信號(hào)處理軟件是實(shí)現(xiàn)不銹鋼管漏磁檢測(cè)功能的重要組成部分。傳感器輸出信號(hào)較為微弱，從傳感器至信號(hào)放大器之間的距離不宜過長，因此，漏磁檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)一般配置有前置放大器和后置放大器兩類信號(hào)處理電路。前置放大器布置在位于檢測(cè)傳感器附近的檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部，傳感器產(chǎn)生的微弱信號(hào)首先經(jīng)過前置放大器進(jìn)行初步的信號(hào)放大和濾波，之后，利用長距離信號(hào)線將信號(hào)傳輸至位于操作室內(nèi)的后置放大器內(nèi)，進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)調(diào)理，并將檢測(cè)信號(hào)調(diào)整為在與A-D采集卡輸入相匹配的幅值范圍內(nèi)。

一、濾波放大電路

  磁敏感元件將漏磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，由于信號(hào)微弱且存在噪聲，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的放大濾波處理。下面介紹一種漏磁檢測(cè)放大濾波電路。

  根據(jù)缺陷漏磁信號(hào)和傳感器的特性，信號(hào)調(diào)理電路如圖3-20所示。放大芯片采用TI的TLC2262CP，該芯片具有輸入阻抗高、低噪聲、功耗小的特點(diǎn)，其帶寬為100kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足對(duì)低頻微小信號(hào)的調(diào)理。調(diào)理電路由2級(jí)運(yùn)算放大器組成，構(gòu)成一個(gè)具有一定放大倍數(shù)的帶通濾波器。第一級(jí)對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行一次放大和低通濾波，第二級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大和帶通濾波，有效地提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比，增加了缺陷的檢測(cè)能力。由于TLC2262CP采用5V單電源工作模式，需要一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，因此選取LM336BZ芯片作為2.5V電源芯片，該芯片功耗小，精度高，其輸出電壓接到TLC2262CP的同相端作為2.5V參考電壓。兩級(jí)電路之間的耦合采用極性電容。

  圖3-20所示為單通道信號(hào)處理電路，該調(diào)理電路主要應(yīng)用于感應(yīng)線圈，并在較低的速度下進(jìn)行檢測(cè)的工況。在設(shè)計(jì)漏磁檢測(cè)傳感器濾波放大電路時(shí)主要考慮以下幾個(gè)因素：

（1）傳感器的原始電壓或電流輸出范圍 為使得檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大后既能夠獲得較高的幅值又不至于超出采集卡的輸入范圍，必須考慮傳感器的原始輸出幅值，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大倍數(shù)。傳感器的原始信號(hào)輸出幅值與很多因素有關(guān)，如傳感器的靈敏度、磁化強(qiáng)度、缺陷特性等，因此在設(shè)計(jì)漏磁檢測(cè)信號(hào)放大電路時(shí)，應(yīng)該綜合考慮各方面的因素，設(shè)計(jì)出合理的放大倍數(shù)。

（2）檢測(cè)速度 不同的檢測(cè)速度產(chǎn)生不同的檢測(cè)信號(hào)頻率，信號(hào)頻率又涉及采樣頻率以及濾波電路的截止頻率。因此，在設(shè)計(jì)漏磁檢測(cè)信號(hào)處理電路時(shí)，必須保證在最低和最高檢測(cè)速度下，既能夠滿足采樣定理使原始信號(hào)不失真地進(jìn)入計(jì)算機(jī)，又要保證經(jīng)過濾波電路之后，最大限度地保留缺陷信息而濾去背景噪聲。

（3）鋼管的生產(chǎn)工藝 在漏磁檢測(cè)過程中，不同生產(chǎn)工藝制造的不銹鋼管產(chǎn)生的背景噪聲信號(hào)不同，如鋼管的內(nèi)螺旋、青線以及表面氧化皮均會(huì)產(chǎn)生固定頻率的背景噪聲。如果能夠得出背景噪聲的規(guī)律，在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)可針對(duì)性地選用合適的濾波器并設(shè)置相應(yīng)的截止頻率，最終獲得較好的信噪比。

  漏磁檢測(cè)屬于弱磁檢測(cè)，特性良好的放大濾波電路是實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)放大濾波電路時(shí)，應(yīng)該綜合考慮各方面的因素，包括傳感器、檢測(cè)速度和工件等，最終設(shè)計(jì)出適用于特定構(gòu)件和工況的處理電路。

二、信號(hào)采集

  采集卡的采集啟動(dòng)與停止由鋼管的位置決定，當(dāng)鋼管管頭進(jìn)入檢測(cè)主機(jī)時(shí)，探頭合攏，

  A-D采集卡開始采集數(shù)據(jù)；當(dāng)不銹鋼管尾端離開檢測(cè)主機(jī)時(shí)，探頭張開，停止采集數(shù)據(jù)。采集卡將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)后處理，采集卡與計(jì)算機(jī)之間的信號(hào)輸送方式類型很多，包括USB總線、并行總線、串行總線和網(wǎng)線等。

 （1）基于串行口的數(shù)據(jù)采集器 基于串行口的數(shù)據(jù)采集器以串行A-D芯片為核心，通過外圍輔助電路實(shí)現(xiàn)控制A-D采樣，并通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)通信?；诖锌诘臄?shù)據(jù)采集器的特點(diǎn)包括：裝置尺寸較小，穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低。

 （2）基于并行口的數(shù)據(jù)采集器 基于并行口的數(shù)據(jù)采集器通常是基于EPP（EnhanceParallel Port增強(qiáng)型的并行口）協(xié)議設(shè)計(jì)而成的，EPP并行口具有8位雙向數(shù)據(jù)／地址端口，通過地址讀寫的方式來控制端口地址的選擇?；诓⑿锌诘臄?shù)據(jù)采集器的特點(diǎn)包括：數(shù)據(jù)傳輸速率高、硬件設(shè)計(jì)與軟件操作方便。

 （3）基于USB的數(shù)據(jù)采集器 USB（串行總線架構(gòu)）是Intel公司開發(fā)的新一代總線結(jié)構(gòu)，使得計(jì)算機(jī)的沖突大量減少且易于改裝。USB的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)PC現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充，USB具備的特點(diǎn)包括，終端用戶的易用性：接口連接的單一模型，電氣特性與用戶無關(guān)和自我檢測(cè)外部設(shè)備；廣泛的應(yīng)用性：傳輸速率范圍大，支持同步／異步傳輸模式，支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)操作；靈活性：可以選擇設(shè)備的緩沖區(qū)大小，通過協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩沖處理；健壯性：協(xié)議中使用出錯(cuò)處理／差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，支持實(shí)時(shí)熱拔插，并可認(rèn)定有缺陷設(shè)備。

 根據(jù)各類數(shù)據(jù)采集器的特點(diǎn)，漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要使用基于USB的數(shù)據(jù)采集器，原因主要有：

  1）即插即用與設(shè)備自檢的特性降低了維護(hù)和使用的難度。

  2）靈活開發(fā)、易于擴(kuò)展可以滿足漏磁檢測(cè)的各類應(yīng)用要求。

  3）由于漏磁檢測(cè)設(shè)備都有小型化的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在筆記本式計(jì)算機(jī)上，而筆記本式計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是不再直接支持串行口和并行口，USB數(shù)據(jù)采集器可以保證系統(tǒng)軟、硬件接口的廣泛適用性。

  4）在小型化的漏磁檢測(cè)設(shè)備中，USB數(shù)據(jù)采集器不需要外接電源，方便攜帶使用也是一個(gè)重要的因素。

  5）目前主流USB設(shè)備都支持USB2.0版本，其具有更多的特性，如接口傳輸速率最高可達(dá)480MB／s，是串口的4000多倍，有利于應(yīng)用擴(kuò)展需要。

  根據(jù)采樣定理，在進(jìn)行模擬／數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率的2倍，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5～10倍。

  在不銹鋼管漏磁檢測(cè)過程中，有兩種信號(hào)采樣方式，一種是等時(shí)間采樣，另一種是等空間采樣。等時(shí)間采樣，也即每隔相同的時(shí)間間隔進(jìn)行一次信號(hào)采集，時(shí)間間隔為采樣周期。當(dāng)采用等時(shí)間采樣方式時(shí)，一旦采集卡開始采集信號(hào)，無論鋼管在何處位置或者運(yùn)行速度如何變化，信號(hào)系統(tǒng)將一直按照相同的采樣周期采集信號(hào)。此種方式控制比較簡(jiǎn)單，成本較低。然而，當(dāng)鋼管在運(yùn)行過程中速度發(fā)生變化時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)與鋼管長度之間無法形成良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而會(huì)降低缺陷定位精度。

  等空間采樣，也就是每隔相同的空間距離進(jìn)行一次信號(hào)采集。根據(jù)鋼管漏磁檢測(cè)精度和分辨率要求，一般在鋼管表面每間隔0.5mm需要進(jìn)行一次信號(hào)采集。等空間采樣的信號(hào)采集控制與鋼管的位置有關(guān)，假如鋼管在前進(jìn)過程中由于機(jī)械問題突然停止，那信號(hào)系統(tǒng)也停止采集。等空間采樣可以保證采樣點(diǎn)數(shù)與鋼管長度形成一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的精確定位。為實(shí)現(xiàn)等空間采樣，鋼管漏磁檢測(cè)系統(tǒng)需要配置一個(gè)歷程編碼輪，用于監(jiān)測(cè)鋼管的位置并輸出脈沖，以控制信號(hào)采集，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。圖3-21所示為漏磁檢測(cè)信號(hào)采集流程。

  不銹鋼管自動(dòng)化漏磁檢測(cè)中，A-D采集卡的各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)要求較高。首先，多通道檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)高速高精度檢測(cè)的基礎(chǔ)。一方面，檢測(cè)速度要求越快，通道數(shù)必須相應(yīng)增加才能滿足檢測(cè)覆蓋率的要求；另一方面，多通道冗余檢測(cè)是提高鋼管漏磁檢測(cè)精度的基礎(chǔ)，通道數(shù)越多，獲取的缺陷信息越多，進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)缺陷的定量檢測(cè)。然后，采集卡的采樣頻率必須滿足采樣定理，才能在計(jì)算機(jī)中復(fù)原原始漏磁信號(hào)的波形特征。漏磁檢測(cè)原始電信號(hào)頻率與缺陷漏磁場(chǎng)分布以及鋼管運(yùn)行速度有關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)采集卡的采樣頻率時(shí)，必須以最高運(yùn)行速度作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。此外，A-D轉(zhuǎn)換精度也是采集卡的一個(gè)重要指標(biāo)，精度越高，數(shù)字信號(hào)就越能夠逼近原始模擬信號(hào)波形。下面給出鋼管漏磁檢測(cè)系統(tǒng)常用的采集卡性能參數(shù)，見表3-2。

  圖3-22所示為采集卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬量信號(hào)通過多路開關(guān)與A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并通過光柵隔離經(jīng)高速FIFO以及USB總線之后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理。

三、軟件平臺(tái)信息流控制

  軟件平臺(tái)信息流控制的主要內(nèi)容包括：信號(hào)采集實(shí)時(shí)反饋和網(wǎng)絡(luò)交互流程與應(yīng)用層協(xié)議。

（1）信號(hào)采集實(shí)時(shí)反饋 

   信號(hào)采集過程中經(jīng)常需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)判斷出的缺陷給予外部設(shè)備反饋輸出，這個(gè)反饋輸出一般將與缺陷的位置相對(duì)應(yīng)。這個(gè)過程如果在服務(wù)器端完成，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和服務(wù)器端處理延時(shí)將導(dǎo)致反饋輸出不夠及時(shí)，缺陷位置的確定也將受到影響。因此，信號(hào)采集過程中一般在客戶端對(duì)檢測(cè)信號(hào)立即進(jìn)行缺陷判斷并進(jìn)行反饋輸出，但反饋

   并不一定是即時(shí)輸出的，通常會(huì)經(jīng)過一個(gè)固定延時(shí)后輸出，使得布置在檢測(cè)設(shè)備后面的噴槍能對(duì)缺陷進(jìn)行精確標(biāo)記。常用的延時(shí)方式一般有兩種，如圖3-23所示。

   軟件延時(shí)是在客戶端軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)軟件延時(shí)器。它可以接收一個(gè)隊(duì)列的延時(shí)輸出，并根據(jù)不同的檢測(cè)通道和檢測(cè)規(guī)格進(jìn)行不同的延時(shí)。軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但在檢測(cè)工作過程中明顯加重了客戶端負(fù)擔(dān)。

   硬件延時(shí)的核心是一個(gè)延時(shí)下位機(jī)。延時(shí)下位機(jī)也維護(hù)一個(gè)延時(shí)隊(duì)列，它接收客戶端經(jīng)數(shù)據(jù)采集器數(shù)字口發(fā)出的信號(hào)，包括規(guī)格信號(hào)、位置信號(hào)等，經(jīng)過延時(shí)后向設(shè)備輸出。硬件延時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性并需要占用數(shù)據(jù)采集器多個(gè)數(shù)字接口。

（2）網(wǎng)絡(luò)交互流程與應(yīng)用層協(xié)議 

   軟件平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交互流程是實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端對(duì)采集系統(tǒng)整體控制、采集信號(hào)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，主要包括網(wǎng)絡(luò)連接、終端注冊(cè)、服務(wù)命令控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞撞糠?。具體的交互流程是：服務(wù)器啟動(dòng)，開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；客戶端啟動(dòng)，與服務(wù)器建立TCP連接；客戶端向服務(wù)器注冊(cè)申請(qǐng)占用通道的范圍；服務(wù)器向客戶端發(fā)送更新參數(shù)；服務(wù)器端發(fā)送控制指令；客戶端開始工作，向服務(wù)器端提供數(shù)據(jù)或其他信息。

   另外，客戶端在連接中斷后會(huì)定時(shí)重連，系統(tǒng)在關(guān)閉時(shí)自動(dòng)釋放連接。圖3-24所示為信號(hào)采集過程中服務(wù)器與某一個(gè)客戶端網(wǎng)絡(luò)交互流程示意圖，假設(shè)采集過程沒有人工中斷，且所有操作都成功返回。

四、軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口

  軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口是服務(wù)器管理所有客戶端上傳數(shù)據(jù)的接口，圖3-25所示為軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的系統(tǒng)交互示意圖。軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口接收客戶端的通道范圍注冊(cè)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議緩存客戶端的檢測(cè)數(shù)據(jù)。服務(wù)器程序首先處理軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口中的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行圖形化顯示、標(biāo)定處理、壓縮存儲(chǔ)以及結(jié)果統(tǒng)計(jì)等工作。

  軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口由以下幾個(gè)部分組成：

 （1）通道注冊(cè)器 負(fù)責(zé)客戶端通道范圍注冊(cè)、管理以及數(shù)據(jù)接收的通道校驗(yàn)。

 （2）數(shù)據(jù)過濾器 負(fù)責(zé)客戶端數(shù)據(jù)進(jìn)入服務(wù)器前的數(shù)據(jù)過濾，如在等空間采樣中，數(shù)據(jù)過濾器將實(shí)現(xiàn)有效信號(hào)的獲取，以減小數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口的冗余，并方便數(shù)據(jù)處理層的二次處理。

 （3）數(shù)據(jù)管理器 負(fù)責(zé)對(duì)客戶端的數(shù)據(jù)按通道緩存，一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)即是在內(nèi)存中使用一個(gè)二維數(shù)組和一個(gè)數(shù)據(jù)下標(biāo)數(shù)組。另外，數(shù)據(jù)管理器還需要管理數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)調(diào)度。數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)一般發(fā)生在一次檢測(cè)數(shù)據(jù)已達(dá)到軟件平臺(tái)指定數(shù)據(jù)長度的最大值時(shí)，數(shù)據(jù)管理器根據(jù)工作模式和狀態(tài)決定停止數(shù)據(jù)采集或清空數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)調(diào)度發(fā)生在需要將一些邏輯相關(guān)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行整合或拆分時(shí)。圖3-26所示為軟件平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的組成。