用MAX038产生宽带正交信号原理及其在智能涡流无损检测仪中的应用

　　1　引言

　　涡流法缺陷检测建立在电磁感应基础上,利用交变磁场作用下不同材料有不同振幅和相位的涡流值来检测铁磁性和非铁磁性材料的物理性能结构及冶金材料的差异性,从而发现裂缝、折叠、气孔、夹杂和划伤等缺陷。由于可实现非接触测量,因而检测速度极快,易实现自动化,同时适用于高温材料、异形材料或微小零件,尤其适用于金属材料表面和亚表面的自动化检测〔1〕。80年代国内外推出了各种类型的计算机涡流无损检测设备,这种仪器以高精度的运算、控制和逻辑判断来代替大量的体力和脑力劳动,减少了人为因素造成的误差,提高了检测的可靠性。可以预料90年代里智能涡流无损检测仪将逐步替代传统检测仪器〔2〕。笔者在研制新一代智能涡流无损检测仪的过程中,针对涡流无损检测中存在的普遍问题,采用两片MAX038组成程控宽带正交信号,较好地解决了信号源及相关检测电路中参考源的问题,抗干扰能力强,检测精度高。

　　2　涡流检测信号处理

　　典型的涡流无损检测仪的工作过程为:涡流检测仪中的频率信号由一个晶振源提供,经功率放大和移相后供给仪器各部分使用。探头检测到的信号由于存在零电势需先进行补偿,然后进入前置放大器。程控滤波器(跟踪滤波器)的作用是使噪声预先得到尽可能的抑制,从而扩大其动态范围。两路相关检测电路则能从混杂的输入信号中提取出频率为测试频率的有用信号的幅值和相位值,从而实现了信号的X-R正交分解,而且相关检测还能有效地抑制噪声和干扰,提高了输出信噪比〔3〕。

　　图1中程控滤波器、程控移相器、相敏检波器(PSD)和低通滤波器这4部分即组成了涡流无损检测仪中的正交矢量型相关检测电路〔4〕。由程控移相器可得出互相正交的一对方波,用0°和90°方波信号分别控制两个相关检测电路,根据相敏检波器的传递特性,则有:

　　Vc和Vs则正是Vi在参考坐标上的两个分量,从而实现了矢量Vi的分解功能。

　　3　相关检测电路中存在的问题

　　众所周知,相关检测系统如果参考电压VR采用方波,那么噪声或干扰频率与基波的奇次谐波频率相重叠时,PSD对它们的抑制作用就很弱了〔5〕。如图2所示,这些奇次谐波频率窗口是有害的缺口,它限制了相关检测的接收灵敏度。因此就有必要在相关检测之前串入一中心频率与参考频率相一致的有源带通滤波器预先堵塞这些缺口。

　　图1中的程控滤波器在此用作自动跟踪滤波器,它是一种中心频率能随参考通道频率(等于有用信号频率)变化而自动跟随的特殊滤波器,它的带宽能在较宽的频率范围上保持不变。由于普通高Q值窄带滤波器在中心频率f0附近有相当敏锐的选频特性,当被测信号频率稍有变化时,就可能使输出幅值有较大的变化,相移也有变化,从而产生附加的误差。更有甚者,在扫频测量系统中,信号频率由低到高进行线性扫描,以便迅速得出被测对象的频谱特性。显然,对上述这两种情况,要靠人工来调节滤波器的中心频率或转折频率是不现实的。在涡流无损检测仪信号通道中应采用自动跟踪滤波器。