1技術(shù)背景

電場(chǎng)指紋法是20世紀(jì)90年代興起的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是根據(jù)被測(cè)對(duì)象表面微小的電壓變化，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的缺陷、裂紋、腐蝕以及它們的擴(kuò)展情況進(jìn)行高精度檢測(cè)。這種方法可用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性都很高，并且可以辨別金屬腐蝕的類(lèi)型。

但是，由于被檢測(cè)區(qū)域的金屬等效電阻非常小，因此，無(wú)論是從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備，還是國(guó)內(nèi)研制的設(shè)備，都是通過(guò)大幅提高電流強(qiáng)度來(lái)提高數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)響應(yīng)電壓的采集精度，激勵(lì)電流一般為20～250A。然而激勵(lì)電流過(guò)大，容易產(chǎn)生金屬材料的焦耳熱效應(yīng)，給采集數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償帶來(lái)一定困難，并且激勵(lì)電流的波動(dòng)也會(huì)帶來(lái)不容忽略的影響。因此，電場(chǎng)指紋技術(shù)對(duì)于溫度補(bǔ)償及電流穩(wěn)定性都有很高的要求。此外，檢測(cè)設(shè)備通常需要單獨(dú)配置高輸出電流電源，設(shè)備的集成度不高，操作不便，而操作人員的人身安全問(wèn)題也需高度重視。

近年來(lái)，無(wú)損檢測(cè)設(shè)備向智能化、一體化方向發(fā)展。為提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的智能化水平，筆者開(kāi)發(fā)了基于PXIe總線(xiàn)技術(shù)的模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)，將電場(chǎng)指紋檢測(cè)所需的各種硬件和外圍設(shè)備都集成在一個(gè)可移動(dòng)的機(jī)箱內(nèi)，采用高精度數(shù)字萬(wàn)用表，在保證數(shù)據(jù)采集精度的情況下減小了激勵(lì)電流，從而提高了電場(chǎng)指紋檢測(cè)效率和安全性。

2檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

2.1電場(chǎng)指紋法的基本原理

電場(chǎng)指紋法的基本原理可以用圖１所示的金屬管道缺陷檢測(cè)說(shuō)明。在待測(cè)管道的表面布置一個(gè)采集電極矩陣，當(dāng)向管道加載激勵(lì)電流后，在管道內(nèi)部及表面會(huì)建立起一個(gè)特定的直流電場(chǎng)。當(dāng)有腐蝕缺陷產(chǎn)生時(shí)，電力線(xiàn)在一定程度上受到干擾而發(fā)生變形，在腐蝕缺陷區(qū)域附近的電信號(hào)會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化。通過(guò)比較管道表面的這種局部電場(chǎng)特征曲線(xiàn)的微小變化，可以分析缺陷狀況，為判斷缺陷的深度、取向等問(wèn)題提供精確的數(shù)據(jù)支持。

此外，通過(guò)獲取金屬表面各電極間的電位值隨時(shí)間的變化，可以進(jìn)一步判斷管道腐蝕區(qū)域的減薄量。電場(chǎng)指紋無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的獨(dú)特之處，是將檢測(cè)電位變化與管道初始狀態(tài)的電位值進(jìn)行比較。在初始狀態(tài)，管道的幾何形狀未發(fā)生任何變化，也沒(méi)有任何腐蝕情況的發(fā)生，可認(rèn)為是非腐蝕狀態(tài)的參考狀態(tài)?？梢园堰@種狀態(tài)看作是管道的“指紋”，電場(chǎng)指紋無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的名字由此而來(lái)。

圖1FSM技術(shù)示意圖

2.2PXIe總線(xiàn)技術(shù)

PSI是一個(gè)基于PC技術(shù)的模塊化I/O的標(biāo)準(zhǔn)，為基于PC的架構(gòu)添加了集成的定時(shí)和同步功能、工業(yè)級(jí)的堅(jiān)固設(shè)計(jì)，以及更多的通道數(shù)。在PXI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)專(zhuān)用的定時(shí)和觸發(fā)總線(xiàn)，以進(jìn)行不同模塊之間的同步。而PXIe技術(shù)是PXI平臺(tái)的最新版本，除了PXI現(xiàn)有的定時(shí)和同步功能，PXIe還提供了附加的定時(shí)和同步功能。其采用差分時(shí)鐘和同步，使PXIe系統(tǒng)中儀器時(shí)鐘的抗噪聲性能得以提高，并以更高的速率傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了更高精度的測(cè)量。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，我們利用PXIe總線(xiàn)模塊化、集成性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)電場(chǎng)指紋技術(shù)原理設(shè)計(jì)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)采集的同步性和實(shí)時(shí)性，提高系統(tǒng)的安全性和測(cè)試速度。

3模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的搭建

3.1硬件系統(tǒng)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分遵循通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)原則搭建，包括電源控制、數(shù)據(jù)采集和溫度補(bǔ)償?shù)饶K。

3.1.1電源控制模塊

電場(chǎng)指紋檢測(cè)技術(shù)需要為采集電極矩陣提供恒定且高精度的電流激勵(lì)，以便采集到無(wú)誤差的電壓。本文選擇NI公司的PXIe－4112板卡作為檢測(cè)系統(tǒng)的電源模塊。PXIe－4112是具有隔離輸出的可編程直流電源，該電源控制模塊在產(chǎn)生所設(shè)置的恒定直流電的同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示輸出電流的大小，以便確認(rèn)實(shí)際穩(wěn)定工作時(shí)提供的電流符合檢測(cè)要求。由于電源模塊集成在PXIe機(jī)箱內(nèi)，無(wú)需外接電源對(duì)被測(cè)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，因而提高了檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性和穩(wěn)定性。

3.1.2數(shù)據(jù)采集模塊

由于金屬的電阻值通常很小，一般情況下采集電極矩陣中電極對(duì)之間的電阻值只有幾十微歐，當(dāng)激勵(lì)電流流經(jīng)金屬管道之后，采集到的響應(yīng)電壓一般只有幾十微伏（1A的激勵(lì)電流）。在這種情況下，因?yàn)楣艿辣桓g而引起的電位差處于微伏的數(shù)量級(jí)，這就對(duì)數(shù)據(jù)的采集精度、信號(hào)提取和噪聲過(guò)濾等方面有很高的要求。本文的數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)字萬(wàn)用表模塊PXIe－4081及低噪聲程控矩陣開(kāi)關(guān)模塊PXI－2535組成。

PXIe－4081是精準(zhǔn)的數(shù)字萬(wàn)用表，提供高分辨率數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)字化儀的測(cè)量功能。作為數(shù)字萬(wàn)用表使用時(shí)，PXIe－4081可提供快速、準(zhǔn)確的DC電壓測(cè)試，分辨率可達(dá)10nV。PXI－2535為低噪矩陣開(kāi)關(guān)模塊，可實(shí)現(xiàn)采集電極矩陣中電極對(duì)之間的快速切換，切換模式可根據(jù)需求自主編程設(shè)定。

本文將PXIe－4112、PXI－2535和PXIe－4081搭配使用，以創(chuàng)建±12VDC的高密度自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。由于數(shù)字萬(wàn)用表模塊的電位測(cè)量精度極高，無(wú)需供給大電流就可以準(zhǔn)確地采集到所需電位信息，提高了設(shè)備的安全性和檢測(cè)效率。

3.1.3溫度補(bǔ)償模塊

電場(chǎng)指紋技術(shù)采集的是金屬管道本身電阻與激勵(lì)電流乘積而得到的電壓信號(hào)，而金屬材料的電阻率會(huì)隨溫度而變化。因此，恰當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償對(duì)保證測(cè)量精度非常重要。本文選擇NI公司的9217板卡進(jìn)行溫度測(cè)量，并通過(guò)軟件編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

NI9217采用3線(xiàn)測(cè)量，可提供每通道1mA的電流激勵(lì)，其整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)的精度小于1℃。NI9217包含可溯源至NIST的校準(zhǔn)，并具有通道－地面接地雙重隔離屏障，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗干擾性和高共模電壓范圍。

3.1.4模擬電壓采集模塊和模擬電流采集模塊

在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，通常會(huì)使用多種不同類(lèi)型的傳感器來(lái)獲取對(duì)腐蝕過(guò)程有影響的環(huán)境參數(shù)及其變化，如溶解氧濃度、氧化還原電位、PH值等，并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)。通過(guò)同步采集這些模擬量信號(hào)并建立其與腐蝕速度的關(guān)聯(lián)，可以準(zhǔn)確地判斷和分析不同環(huán)境因素的變化對(duì)腐蝕過(guò)程的影響。

本文采用PXIe－4309模擬電壓采集模塊和PXIe－4303模擬電流采集模塊實(shí)時(shí)測(cè)量腐蝕環(huán)境參數(shù)。PXIe－4309和PXIe－4303都是多通道、高精度、高采樣率輸入模塊，可根據(jù)不同環(huán)境因素，搭配不同傳感器來(lái)進(jìn)行連接設(shè)置，并與其他模塊集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

3.2軟件系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控軟件采用LABVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編寫(xiě)。LABVIEW使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣，LABVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LABVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試。

本系統(tǒng)軟件部分由作者自主開(kāi)發(fā)完成，有很好的可擴(kuò)展性，并且操作簡(jiǎn)單。它包含了多條數(shù)據(jù)流，主數(shù)據(jù)流為采集矩陣電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)流，其他為溫度等環(huán)境參數(shù)信號(hào)的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流間互不干擾，時(shí)間上同步采集并進(jìn)行存儲(chǔ)。為了能夠精確地定位局部腐蝕，根據(jù)電場(chǎng)指紋技術(shù)的檢測(cè)原理，在軟件中設(shè)置了初次掃描和重復(fù)掃描相結(jié)合的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程圖2所示。

除了精確的采集流程外，還設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面（見(jiàn)圖3），提高了無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

3.3系統(tǒng)驗(yàn)證

圖2數(shù)據(jù)采集流程圖

圖3檢測(cè)系統(tǒng)軟件的人機(jī)交互界面

通過(guò)多物理場(chǎng)耦合數(shù)值仿真軟件及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的采集精度。檢測(cè)材料為常見(jiàn)的金屬材料Q235鋼。

3.4模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)低激勵(lì)、高精度、一體化。本系統(tǒng)成功運(yùn)用PXIe總線(xiàn)技術(shù)，將電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步性、設(shè)備集成性大大提高，在提高數(shù)據(jù)采集精度的同時(shí)能夠保證采集速率，提高了實(shí)驗(yàn)效率。應(yīng)用低至1A的激勵(lì)電流就可以準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的安全性這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要。

(2)可擴(kuò)展性好。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜏y(cè)試需求，對(duì)本系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行修改和擴(kuò)展，并配置不同的環(huán)境參數(shù)傳感器，以對(duì)比各種自然環(huán)境和工藝環(huán)境條件下金屬設(shè)備、構(gòu)件或材料的腐蝕過(guò)程和規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生探索環(huán)境參數(shù)變化對(duì)腐蝕速度的影響。

(3)簡(jiǎn)單、方便、精確。檢測(cè)過(guò)程的操作簡(jiǎn)單，軟件易于使用，初掃和復(fù)掃相結(jié)合的掃描方式能夠及時(shí)、精確地判讀局部腐蝕的位置及其特征參數(shù)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，使學(xué)生更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而不是煩惱如何操作儀器。

4結(jié)語(yǔ)

本文研制的模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)將電場(chǎng)指紋技術(shù)與PXIe總線(xiàn)技術(shù)相結(jié)合，提高了電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的集成性、精確性和安全性，符合無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，能有效配合無(wú)損檢測(cè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，顯著提高實(shí)驗(yàn)效率，有益于推廣電場(chǎng)指紋技術(shù)和豐富無(wú)損檢測(cè)教學(xué)手段。

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