一种快速恒流的控制方法与流程
本发明涉及漏磁检测技术领域，特别涉及一种快速恒流的控制方法。
背景技术：
铁磁性材料因其具有强度高、耐冲击、价格低廉等特点，在石油、石化、铁路等领域得到了广泛应用。然而因受内部介质腐蚀、应力腐蚀和外部环境腐蚀的综合因素影响，在实用过程中不可避免地出现多种类型的缺陷，如裂纹、坑蚀、壁厚减薄等。储罐多采用直接埋地方式，底部容易老化、腐蚀，从而引发泄露事故。
为了早期发现缺陷，减少灾害事故的发生，近年来，科研人员采用声发射、导波、漏磁等多种技术开展了无损检测。声发射检测技术可用于各类缺陷的使用状态下的动态活动性评价，并可实现缺陷的长期活动性监测，适应材料范围大，在线监测温度适应范围宽。但存在易受电噪声干扰，数据解释依赖现场检测经验，检测结果定性不定量，需要通过其他无损检测方法来进一步确认的缺点。高频导波检测技术作为一种以点带面的快速母材检测技术，在当今我国原油含硫含酸量提高，装置腐蚀日益严重的现状下，为提高装置设备在线检测监测的可靠性起到一定作用。主要发现存在的体积型缺陷和面状缺陷。但对均匀腐蚀、点腐、轴向裂纹等不敏感。
漏磁检测是目前应用最广泛的一种电磁无损检测技术。近年来，随着对漏磁场检测技术的研究不断深入，在交流磁化的基础上，发展出了低频磁化新技术。低频磁化渗透深度大，可使检测厚度增大；通过提取信号相位和幅值信息，用于测量工件腐蚀情况和厚度的变化，可靠性高。焦敬品等利用低频漏磁信号的幅值和相位信息，对铁磁构件内外表面损伤进行检测与定量评价[一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法[d].北京工业大学，2015]。杨理践等针对金属板缺陷的低频电磁检测开展了研究，探讨了激励电流、激励频率对磁感应强度的影响、缺陷尺寸与漏磁场强度之间的变化规律[金属板缺陷的低频电磁检测[j].沈阳工业大学，2015]。
目前低频漏磁检测技术广泛采用电压源作为激励源，通过调节输出电压改变激励电流大小，从而改变励磁强度。低频漏磁所用激励装置为带有磁芯的线圈，呈感性，在交流电压激励时，其阻抗与频率有关。因此，在恒定激励电压作用下，当激励信号频率变化时，流经线圈的电流发生变化，从而引起励磁强度变化，进而引起漏磁场强度变化。而根据漏磁检测的原理，缺陷处也将引起漏磁强度变化。这样以来，将无法区分具体哪种因素造成了漏磁强度变化。在使用恒压源研究激励信号频率变化对漏磁检测效果的影响时，需要在每次改变激励频率后，手动调节激励源输出电压幅度，以实现恒定电流激励，不仅操作繁琐，而且误差大，精度低。
在检测带有防腐涂层的储罐底板时，提离值对检测结果影响较大，防腐层的喷涂不均造成了检测过程中检测线圈提离值出现较大波动。在电压源激励模式下，这种波动将带来激励电流的波动，进而影响了激励磁场的稳定性，导致了检测结果的稳定性的下降。
另外，激励电流受励磁线圈发热、检测现场环境温度变化等因素影响，恒压激励条件下电流不恒定，造成激励强度变化，影响检测结果的稳定性和精度。
为满足低频漏磁检测需求，稳定激励磁场，提高检测稳定性，需要设计专用恒流激励源。传统的交流恒流源多采用spwm波，通过逆变方式产生交流电压，谐波分量大，不适合低频漏磁检测应用需求。另外一种广泛采用的恒利源设计方案是通过直接数字频率合成技术得到高精度正弦波，然后再利用基于电流反馈的闭环控制方案，实现恒流控制。该方案调节速度较快，稳态误差小，适合多数应用场所。
然而，低频漏磁检测所用激励信号频率低，常采用100hz以下激励信号，其周期大于10ms。常规的电流取样方法采用有效值转换或者峰值采样获得电流采样值，实际应用中，电流采样值滞后于负载电流变化一个周期以上，这对于高频信号，影响较小，但对于低频恒流源的设计，影响较大。因此，基于这两种电流采样方式所设计的恒流源，恒流速度慢，输出电流波动大。无法满足低频漏磁检测对恒流激励源更高的应用需求。
技术实现要素：
为了实现上述发明目的，一种适用于钢板漏磁检测的低频交流快速恒流源设计方案，以及将此恒流源应用于钢板漏磁检测，提高检测精度和稳定度的方法。
一种快速恒流控制方法，通过上位机对信号源进行控制，使其产生一个加载于负载的正弦信号，
步骤一，分别从信号源和负载的输出端进行采样，正弦信号的输出电压为：
其中，us为正弦信号输出电压，a是正弦波幅值，ω是角频率，
负载采样电压记作ur，采样电压为
其中，采样时刻为t，
步骤二，对步骤一的采样结果进行比对；
将ta时刻的电压采样值记作ur(ta)，经公式
继而得到取样电压幅值：
依据该公式，可以得出取样时刻的电压幅值a1，继而得到采样时刻负载中的电流幅值；
步骤三，以步骤二中的电流幅值与上位机的设定值做差值，得到电流误差；
步骤四，将步骤三得到的电流误差反馈至上位机，上位机根据该误差对正弦信号的输出状态进行调整。
优选为，实现所述快速恒流控制方法的恒流源系统为：
控制器2连接da转换单元3产生正弦信号；正弦信号依次通过低通滤波单元4、幅度调节单元5和功率放大单元6调制，得到激励信号，并将激励信号加载于负载7；所述反馈电路中的采样单元包括电流采样单元8和相位差采样单元9，负载7通过电流采样单元8、ad转换单元10连接所述控制器2；相位差采样单元9的输入端分别连接电流采样单元8和低通滤波单元4的输出端，相位差采样单元9的输出端连接所述控制器2。
优选为，所述负载7为激励线圈；激励线圈为带有铁芯的感性负载，在恒流激励信号作用下，产生激励电磁场。
优选为，所述电流采样单元8实现电路包括，通过采样电阻与负载7连接的运算放大及比较电路，运算放大及比较电路的输出端通过ad转换单元10连接所述控制器2；
相位差采样单元9包括两个同相电压过零比较电路，其一的输入端与所述低通滤波单元4连接；另一所述同相电压过零比较电路的输入端与所述电流采样单元8的输出端连接；两个同相电压过零比较电路的输出端均连接所述控制器2。
优选为，所述功率放大单元6包括三级放大电路，其中一级放大电路为同相比例运算电路、二级放大电路为反相比例运算电路，一级放大电路和二级放大电路串联，三级放大电路为对称式功率放大电路，所述一级同相比例运算电路和二级反相比例运算电路的输出端分别与三级放大电路的输入端连接。
优选为，所述运算放大及比较电路中的放大器为低功耗仪表放大器ad620。
优选为，所述同相电压过零电压比较器为lm311d电压比较器。
一种漏磁检测方法，
步骤一，设置激励源，且对其进行参数设置；
步骤二，通过步骤一的激励源激发漏磁检测模块产生激励磁场，生成漏磁检测信号；
步骤三，对步骤二产生的信号进行调理采集、整形，并上传至上位机；
所述激励源为前述的快速恒流控制方法生成的恒流源。
一种漏磁检测装置，包括依次设置的参数设置模块、激励源模块、漏磁检测模块、信号处理模块、信号采集模块、上位机；漏磁检测模块包括激励线圈，所述激励源模块为基于前述快速恒流控制方法的激励源发生模块。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本技术方案的恒流源调节速度快，精度高，输出稳定，线性度好，且具有完善的多重保护功能。以其作为低频交流漏磁检测激励源，克服了因激励频率变化、提离值变化、线圈发热及环境等因素造成的激励电流变化，有效保证了激励磁场的稳定，因此可提高低频交流漏磁检测的精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图。
图2为本发明实施例的电流采样及相位采样单元电路图。
图3为本发明实施例的电流采样及相位采样单元波形图。
图4为本发明实施例的功率放大单元电路图。
图5为本发明实施例的漏磁检测方法框图。
图6为本发明实施例的试验曲线图。
其中，附图标记为：1、参数设置单元；2、控制器；3、da转换单元；4、低通滤波单元；5、幅度调节单元；6、功率放大单元；7、负载；8、电流采样单元；9、相位差采样单元；10、ad转换单元；11、电源检测与控制单元；12、多路电源转换单元；13、12v电瓶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种快速恒流控制方法，通过上位机对信号源进行控制，使其产生一个加载于负载的正弦信号，
步骤一，分别从信号源和负载的输出端进行采样，正弦信号的输出电压为：
其中，us为正弦信号输出电压，a是正弦波幅值，ω是角频率，
负载采样电压记作ur，采样电压为
其中，采样时刻为t，
步骤二，对步骤一的采样结果进行比对；
将ta时刻的电压采样值记作ur(ta)，经公式
继而得到取样电压幅值：
依据该公式，可以得出取样时刻的电压幅值a1，继而得到采样时刻负载中的电流幅值；
步骤三，以步骤二中的电流幅值与上位机的设定值做差值，得到电流误差；
步骤四，将步骤三得到的电流误差反馈至上位机，上位机根据该误差对正弦信号的输出状态进行调整。
实施例2
参见图1至图4，实现快速恒流控制方法的恒流源系统为：
控制器2连接da转换单元3产生正弦信号；正弦信号依次通过低通滤波单元4、幅度调节单元5和功率放大单元6调制，得到激励信号，并将激励信号加载于负载7；反馈电路中的采样单元包括电流采样单元8和相位差采样单元9，负载7通过电流采样单元8、ad转换单元10连接控制器2；相位差采样单元9的输入端分别连接电流采样单元8和低通滤波单元4的输出端，相位差采样单元9的输出端连接控制器2。
负载7为激励线圈；激励线圈为带有铁芯的感性负载，在恒流激励信号作用下，产生激励电磁场。
电流采样单元8实现电路包括，通过采样电阻与负载7连接的运算放大及比较电路，运算放大及比较电路的输出端通过ad转换单元10连接控制器2；
相位差采样单元9包括两个同相电压过零比较电路，其一的输入端与低通滤波单元4连接；另一同相电压过零比较电路的输入端与电流采样单元8的输出端连接；两个同相电压过零比较电路的输出端均连接控制器2。
功率放大单元6包括三级放大电路，其中一级放大电路为同相比例运算电路、二级放大电路为反相比例运算电路，一级放大电路和二级放大电路串联，三级放大电路为对称式功率放大电路，一级同相比例运算电路和二级反相比例运算电路的输出端分别与三级放大电路的输入端连接。
运算放大及比较电路中的放大器为低功耗仪表放大器ad620。
同相电压过零电压比较器为lm311d电压比较器。
参数设置单元1为用户提供灵活的设置界面，可设定激励源频率、电压、电流等参数及控制命令，并通过串行通信接口实现与fpga单元的交互。
控制器2为fpga单元，包括以nios软核处理器为核心的系统控制器和dds模块两部分，系统控制器是恒流源的核心部件，协调管理各模块有序工作，具体包括：与参数设置单元连接，实现参数和控制命令的交互；与电源检测与控制单元连接，实现电源监控与故障处理；与ad转换单元连接，将电流采样值转换为数字量；与da转换单元连接，将数字形式的波形数据转换成模拟电压。dds模块按照预设参数生产正弦波数据。
da转换单元3：设计了高速da转换器、电流电压转换电路和电压抬升电路。高速da转换器实现了数字量输出到模拟量的转换，电流电压转换电路将电流型并行da的输出转换成单极性的模拟电压信号，电压抬升电路将单极性的模拟电压信号转换成双极性的模拟电压信号。
低通滤波单元4：设计了高阶椭圆低通滤波器，其通带和阻带逼近特性好，用于滤除直接频率合成技术及da转换带来的高频噪声。
幅度调节单元5：设计了数字分压式幅度调节单元，与控制单元连接，用于精确调节信号幅度，幅度调节精度达0.1％。
功率放大单元6：设计了电压放大电路、电压反相电路和对称式功率放大电路。电压放大电路与幅度调节单元连接，可以抬升正弦信号电压幅度，满足后级功率放大需求。电压反相电路将电压放大电路的输出信号做反相处理，为功率放大电路提供大小相等，相位相反的两组正弦信号。对称式功率放大电路由参数完全一致的上下两部分组成，均由线性功率放大器和反馈电阻组成独立功率放大电路。两部分电路的输入端分别连接到电压反相电路前端和后端，因此，在其输出端得到了信号大小相等，相位相反的对称信号。采用差分输出方式连接负载，负载电压幅度提升了一倍。
负载7为激励线圈：带有铁芯的感性负载，在恒流激励信号作用下，产生激励电磁场，是漏磁检测系统的关键器件。
电流采样单元8：串接在输出回路中，按照固定比例对输出电流进行采样，并将采样交流信号叠加到固定幅值的直流电压之上。
相位差采样单元9：与电流采样单元8、低通滤波单元4和控制器2相连接，设计了相位差采样电路，实现了对电压相位和电流相位差的采样。
ad转换单元10：与电流采样单元8和控制器2连接，将电流采样单元8的输出电压转换成数字量，并通过高速并行数据线传送至控制器2。
电源检测与控制器11：与多路电源产生单元12和控制器2连接，包括分压采样电路和电源供电控制电路两部分。控制器2通过由精密电阻构成的分压采样电路实时采集多路电源电压值，发现异常时，及时进行报警并做出断电处理。电源控制电路以继电器为执行机构，在控制器2的控制下，为各单元提供供电电源，当控制器2检测到硬件电路出现过流、欠压等故障时，及时切断供电电压和输入信号，从而达到保护硬件电路及负载的目的。
多路电源产生单元12：将电瓶12v电压转换成多路电压输出，包括低压逻辑供电电压、ad和da参考电压、运算放大器所需±12v电源和功率放大单元所需±36v电源。
12v电瓶13：选用12v大容量铅酸盐电池，满足便携式设计需求。
二、恒流源工作过程:
恒流源上电后，控制器2通过电源检测与控制器检测各路电源供电是否正常，如果有故障，启动报警，提示系统存在故障。如果检测正常，可通过参数设置单元1设置激励频率、电流等参数，然后通过串口下传波形参数及控制命令。控制器2根据所接收数据设置频率、波形、电流等参数，启动直接数字式频率合成器产生波形数据，以并行方式输出至高速da转换单元，在da转换单元3输出端得到了单极性正弦信号。利用高阶椭圆滤波器滤除高频干扰，并经过电压抬升电路得到了双极性正弦信号。在控制器协调下，可通过幅度调节单元5调节信号的电压幅度。再经过功率放大单元6，得到了电流幅度可控的激励信号。控制器2通过实时采集电流幅度和相位两个参数，求出输出电流的幅值，并与设定值做差值，得到电流误差，作为控制器的输入量。控制器2通过幅度调节单元5调节输出电压幅值，从而实现对输出电流幅值的调节。这种采样和控制方法，大大提高了恒流源调节速度，提升了恒流控制的稳定性与快速性。
基于电流幅度和相位双参数反馈的快速恒流控制方法。
基于电流幅度和相位双参数反馈的快速恒流控制方法通过采集取样电阻电压获取电流幅度，通过采集取样电压和激励电压相位差获得电流相位，利用同一采集时刻的瞬时电流值和相位值得到采样时刻的电流幅值。电流采样速度只与采样速率有关，而和信号频率无关，相对于常规的有效值采样和峰值采样方法，该方法下的电流采样速度获得了很大提升，尤其是对于低频信号的恒流控制，其快速响应电流变化的优势更加明显。
具体的，首先由控制器(2)和da转换单元(3)产生正弦信号us：
式中a是正弦波幅值，ω是角频率，
us的相位、频率均可通过控制器精确调节。us经幅度控制单元5及功率放大单元6放大，得到具有高电压、大电流驱动能力的激励信号，该信号加载于负载7，也就是激励线圈，驱动其工作，产生漏磁检测所用激励磁场。低频漏磁检测所用激励线圈带有铁心，并与被测试件构成闭合磁路，线圈中电流和电压存在相位差，记作
由式(a)知，t时刻us的相位为
控制器通过ad转换单元10对ur进行实时采集，设ta时刻的电压采样值记作ur(ta)，对于ta时刻有：
经变换可得：
由式(d)知，ω、ta、
通过采集电流幅度和相位两个参数，可以用更少的采样数据求出输出电流的幅值，以该电流与设定值做差值，得到电流误差，作为控制器2的输入量。控制器2以电压幅度为调节量，对输出电流进行调节。这种采样和控制方法，大大提高了恒流源调节速度，提升了恒流控制的稳定性与快速性。
相位差测量的具体实施
电流采样及相位采样单元电路如图2所示，u4和u7连接功率放大单元输出端，con2端子连接负载，rs是取样电阻，取样电流的波形如图3(d)所示。r23-r26是分压电阻，对rs两端的高压共模电压分压，将其限制在运算放弃供电电压范围以内。a8是仪用运算放大器，其输出端电压记作u8，波形如图3(e)。a8的放大倍数可通过电阻r50调节，放大倍数au＝1+49.9k/r50。d7和d8是双向稳压二极管，可吸收电路中的高峰尖脉冲，保护a8不受损坏。a10及外围电路构成了同相电压过零比较电路，可将输入的双极性正弦信号u8变换成0-3.3v的同频单极性方波u10，如图3(f)。us波形如图3(a)，r35和r36构成分压电路，将输入信号us分压后得到电压u12，如图3(b)。a11及外围电路结构类似，不在赘述，其输出波形如图3(c)。从图3(c)和图3(f)可看出方波脉冲的下降沿时刻分别为t1和t2，将u10和u11输入至fpga，容易获得其下降沿的时间差t1-t2。此时间差即为电压us和电流ir的过零时间差△t。已知激励信号的周期t，可计算us和ir的相位差
对称式功率放大单元电路如图4所示，包括三级电路，第一级电路由集成运算放大器a1、电阻r1、r2和r3构成同相比例运算电路，其放大倍数为：
第三级电路由高电压大功率线性运放a3、a4及外围电阻构成对称式功率放大电路。具体地，设a部分电路输入电压为u2，输出电压为u4，运算放大器a3同相输入端电压为u3。ra是a3的限流电阻，对输出电流取样，为a3的限流采样端cl提供采样电压。实际使用中ra取值很小(小于0.1欧姆)，因此在分析该部分运算关系时，可忽略其阻值。根据运算放大器工作在线性工作区“虚短”和“虚断”的概念，推导u2、u3、u4与电阻r7-r9的关系，得到下列关系式：
根据负载大小及恒利源对输出电流大小的要求，确定r8和r9的阻值。b部分电路工作原理与a部分完全相同，在此不再赘述。虚线框a和b上下两部分电路参数一致，且其输入端信号幅度大小相等，相位相反，在两部分电路的输出端采用浮地差分方式连接负载，实现了电压输出幅值的倍增。
实施例3
参见图5与图6，一种漏磁检测方法，
步骤一，设置激励源，且对其进行参数设置；
步骤二，通过步骤一的激励源激发漏磁检测模块产生激励磁场，生成漏磁检测信号；
步骤三，对步骤二产生的信号进行调理采集、整形，并上传至上位机；
激励源为前述的快速恒流控制方法生成的恒流源。
通过设计硬件限流、软件过流自动保护和电源欠压自动关断等多重保护，提高了恒流源工作的可靠性。
利用恒流激励源产生恒定低频交流激励信号，施加于激励线圈，在激励线圈和钢板试件组成的闭合回路中产生交变磁场。利用信号调理模块接收多路检测线圈输出信号并进行滤波、放大处理。利用数据采集模块卡采集经调理后的多路检测信号，并送至上位机采集软件，有上位机软件进行数据处理与解释。
通过小幅度改变线圈提离值，模拟带有防腐涂层的钢板检测中涂层不均匀的工况。利用所述激励源，针对裂纹缺陷试件[缺陷描述：长度5cm，宽度2mm，深度4mm]，开展恒压源和恒流源两种激励方式的低频交流漏磁检测实验。重点研究、比较提离值小幅度变化对两种检测方式检测精度的影响。
低频漏磁实验实施步骤：
1.设定线圈初始提离值为3mm，设置激励源输出频率为25hz，电流为2a，启动恒流输出模式。
2.在无缺陷处，利用检测线圈采集检测信号峰值及激励信号与检测信号的相位差，并存储数据。
3.沿裂纹缺陷垂直方向移动激励线圈至缺陷正上方，利用检测线圈采集检测信号峰值及激励信号与检测信号的相位差，并存储数据。
4.依次改变线圈提离值(1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.5mm，4.0mm、4.5mm)，重复进行实验步骤2-3，得到另外六组实验数据。
5.重复设定线圈初始提离值为3mm，设置激励源输出频率为25hz，电压峰峰值为60v，启动恒压输出模式。
6.重复实验步骤2-4，得到恒压激励模式下的七组实验数据。
实验处理及结论：
以3mm提离值为参考(假定防腐涂层均匀处厚度为3mm)，对上述实验所测数据进行计算处理，得到如图6所示的曲线。曲线中横坐标描述了提离值的变化，纵坐标描述了缺陷处检测信号相比于3mm提离值无缺陷处测量值的电压变化率。从上到下三条曲线分别描述了恒压激励条件下缺陷处电压变化率、恒流激励条件下缺陷处电压变化率和恒流激励条件下检测电压变化率的提高率。
恒流源激励模式下，在提离值小幅度变化范围内，缺陷处检测电压幅值变化更明显，即本专利所述恒流激励源有效提高了低频交流漏磁检测的检测精度和稳定性。
实施例4
一种漏磁检测装置，包括依次设置的参数设置模块、激励源模块、漏磁检测模块、信号处理模块、信号采集模块、上位机；漏磁检测模块包括激励线圈，所述激励源模块为基于前述快速恒流控制方法的激励源发生模块。
低频漏磁检测中，通过增加激励电流，可提高检测灵敏度，但是随着激励电流的增大，励磁回路将出现磁饱和，此时回路等效电阻变的很小，电流出现剧增。如果缺乏行之有效的保护措施，极易损坏激励线圈和激励源。为此，通过软件和硬件结合的方式，实现了多级保护。通过在功率放大单元设置限流电阻，实现基本的限流保护；通过电流反馈网络实时采集输出电流信息，可利用控制器直接关断功率放大输入信号，实现保护过流关断保护。另外，设计了电源检测与控制器，控制器通过该单元实时检测供电电压，当检测到电源欠压、失压等故障时，及时切断供电电压，防止功率放大及恒流控制器因供电不平衡造成功率元件损坏。
采用大功率恒流源作为低频漏磁检测激励源，通过稳定激励电流保证了激励磁场的稳定性，提高了检测精度和灵敏度。
采用恒流激励方式开展低频漏磁检测实验，克服了因激励频率变化、提离值变化、线圈发热及环境等因素造成的激励电流变化，有效保证了激励磁场的稳定，因此可提高低频交流漏磁检测的精度和稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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