在不銹鋼管漏磁檢測過程中，模擬信號處理電路以及數(shù)字信號處理軟件是實現(xiàn)不銹鋼管漏磁檢測功能的重要組成部分。傳感器輸出信號較為微弱，從傳感器至信號放大器之間的距離不宜過長，因此，漏磁檢測信號處理系統(tǒng)一般配置有前置放大器和后置放大器兩類信號處理電路。前置放大器布置在位于檢測傳感器附近的檢測設(shè)備內(nèi)部，傳感器產(chǎn)生的微弱信號首先經(jīng)過前置放大器進行初步的信號放大和濾波，之后，利用長距離信號線將信號傳輸至位于操作室內(nèi)的后置放大器內(nèi)，進行進一步的信號調(diào)理，并將檢測信號調(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信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，由于信號微弱且存在噪聲，因此需要進行相應(yīng)的放大濾波處理。下面介紹一種漏磁檢測放大濾波電路。

  根據(jù)缺陷漏磁信號和傳感器的特性，信號調(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，其帶寬為100kHz，遠遠滿足對低頻微小信號的調(diào)理。調(diào)理電路由2級運算放大器組成，構(gòu)成一個具有一定放大倍數(shù)的帶通濾波器。第一級對微小信號進行一次放大和低通濾波，第二級對信號進行二次放大和帶通濾波，有效地提高了檢測信號的信噪比，增加了缺陷的檢測能力。由于TLC2262CP采用5V單電源工作模式，需要一個2.5V的基準電壓，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。兩級電路之間的耦合采用極性電容。

  圖3-20所示為單通道信號處理電路，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行檢測的工況。在設(shè)計漏磁檢測傳感器濾波放大電路時主要考慮以下幾個因素：

（1）傳感器的原始電壓或電流輸出范圍 為使得檢測信號經(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，進而設(shè)計相應(yīng)的放大倍數(shù)。傳感器的原始信號輸出幅值與很多因素有關(guān)，如傳感器的靈敏度、磁化強度、缺陷特性等，因此在設(shè)計漏磁檢測信號放大電路時，應(yīng)該綜合考慮各方面的因素，設(shè)計出合理的放大倍數(shù)。

（2）檢測速度 不同的檢測速度產(chǎn)生不同的檢測信號頻率，信號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)計漏磁檢測信號處理電路時，必須保證在最低和最高檢測速度下，既能夠滿足采樣定理使原始信號不失真地進入計算機，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)生的背景噪聲信號不同，如鋼管的內(nèi)螺旋、青線以及表面氧化皮均會產(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)計濾波電路時可針對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。

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

二、信號采集

  采集卡的采集啟動與停止由鋼管的位置決定，當鋼管管頭進入檢測主機時，探頭合攏，

  A-D采集卡開始采集數(shù)據(jù)；當不銹鋼管尾端離開檢測主機時，探頭張開，停止采集數(shù)據(jù)。采集卡將檢測數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行數(shù)字信號后處理，采集卡與計算機之間的信號輸送方式類型很多，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現(xiàn)控制A-D采樣，并通過RS-232標準接口與計算機通信?；诖锌诘臄?shù)據(jù)采集器的特點包括：裝置尺寸較小，穩(wěn)定性、抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低。

 （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增強型的并行口）協(xié)議設(shè)計而成的，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)采集器的特點包括：數(shù)據(jù)傳輸速率高、硬件設(shè)計與軟件操作方便。

 （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)，使得計算機的沖突大量減少且易于改裝。USB的工業(yè)標準是對PC現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)的擴充，USB具備的特點包括，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，支持多個設(shè)備同時操作；靈活性：可以選擇設(shè)備的緩沖區(qū)大小，通過協(xié)議對數(shù)據(jù)流進行緩沖處理；健壯性：協(xié)議中使用出錯處理／差錯恢復(fù)機制，支持實時熱拔插，并可認定有缺陷設(shè)備。

 根據(jù)各類數(shù)據(jù)采集器的特點，漏磁檢測系統(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和使用的難度。

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

  3）由于漏磁檢測設(shè)備都有小型化的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)經(jīng)常運行在筆記本式計算機上，而筆記本式計算機的發(fā)展趨勢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480MB／s，是串口的4000多倍，有利于應(yīng)用擴展需要。

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

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

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

  不銹鋼管自動化漏磁檢測中，A-D采集卡的各項性能指標參數(shù)要求較高。首先，多通道檢測是實現(xiàn)高速高精度檢測的基礎(chǔ)。一方面，檢測速度要求越快，通道數(shù)必須相應(yīng)增加才能滿足檢測覆蓋率的要求；另一方面，多通道冗余檢測是提高鋼管漏磁檢測精度的基礎(chǔ)，通道數(shù)越多，獲取的缺陷信息越多，進而才能實現(xiàn)缺陷的定量檢測。然后，采集卡的采樣頻率必須滿足采樣定理，才能在計算機中復(fù)原原始漏磁信號的波形特征。漏磁檢測原始電信號頻率與缺陷漏磁場分布以及鋼管運行速度有關(guān)，因此，在設(shè)計采集卡的采樣頻率時，必須以最高運行速度作為設(shè)計基準。此外，A-D轉(zhuǎn)換精度也是采集卡的一個重要指標，精度越高，數(shù)字信號就越能夠逼近原始模擬信號波形。下面給出鋼管漏磁檢測系統(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)，模擬量信號通過多路開關(guān)與A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并通過光柵隔離經(jīng)高速FIFO以及USB總線之后進入計算機進行相關(guān)數(shù)字信號處理。

三、軟件平臺信息流控制

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

（1）信號采集實時反饋 

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

   并不一定是即時輸出的，通常會經(jīng)過一個固定延時后輸出，使得布置在檢測設(shè)備后面的噴槍能對缺陷進行精確標記。常用的延時方式一般有兩種，如圖3-23所示。

   軟件延時是在客戶端軟件中設(shè)計一個軟件延時器。它可以接收一個隊列的延時輸出，并根據(jù)不同的檢測通道和檢測規(guī)格進行不同的延時。軟件延時實現(xiàn)簡單，但在檢測工作過程中明顯加重了客戶端負擔。

   硬件延時的核心是一個延時下位機。延時下位機也維護一個延時隊列，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，包括規(guī)格信號、位置信號等，經(jīng)過延時后向設(shè)備輸出。硬件延時結(jié)構(gòu)簡單、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 

   軟件平臺網(wǎng)絡(luò)交互流程是實現(xiàn)服務(wù)器端對采集系統(tǒng)整體控制、采集信號傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，主要包括網(wǎng)絡(luò)連接、終端注冊、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，開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)；客戶端啟動，與服務(wù)器建立TCP連接；客戶端向服務(wù)器注冊申請占用通道的范圍；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定時重連，系統(tǒng)在關(guān)閉時自動釋放連接。圖3-24所示為信號采集過程中服務(wù)器與某一個客戶端網(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、軟件平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口

  軟件平臺統(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所示為軟件平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的系統(tǒng)交互示意圖。軟件平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口接收客戶端的通道范圍注冊，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議緩存客戶端的檢測數(shù)據(jù)。服務(wù)器程序首先處理軟件平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口中的數(shù)據(jù)，然后進行圖形化顯示、標定處理、壓縮存儲以及結(jié)果統(tǒng)計等工作。

  軟件平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口由以下幾個部分組成：

 （1）通道注冊器 負責客戶端通道范圍注冊、管理以及數(shù)據(jù)接收的通道校驗。

 （2）數(shù)據(jù)過濾器 負責客戶端數(shù)據(jù)進入服務(wù)器前的數(shù)據(jù)過濾，如在等空間采樣中，數(shù)據(jù)過濾器將實現(xiàn)有效信號的獲取，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 負責對客戶端的數(shù)據(jù)按通道緩存，一個最簡單的實現(xiàn)即是在內(nèi)存中使用一個二維數(shù)組和一個數(shù)據(jù)下標數(shù)組。另外，數(shù)據(jù)管理器還需要管理數(shù)據(jù)循環(huán)存儲和數(shù)據(jù)調(diào)度。數(shù)據(jù)循環(huán)存儲一般發(fā)生在一次檢測數(shù)據(jù)已達到軟件平臺指定數(shù)據(jù)長度的最大值時，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)通道進行整合或拆分時。圖3-26所示為軟件平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的組成。