基于相位特性的acfm系統電磁兼容性分析

交流磁體檢測（acfm）是一種新興的損傷檢測技術。該技術的原理為:在工件表面感應出均勻交變電流,檢測工件表面磁場的變化,從而實現缺陷的評定。ACFM探測線圈產生的感應電壓作為檢測信號經放大電路、相敏檢波電路、濾波器、幅度鑒別器和A/D轉換器變成計算機能夠識別的數字信號通過軟件處理,實現對裂紋缺陷的定量、可視化檢測。其中,ACFM探頭激勵線圈的激勵源由振蕩器提供,相敏檢波電路的參考電壓由振蕩器產生的激勵信號經移相器移相得到。ACFM檢測儀電路總框圖如圖1。檢測探頭是ACFM智能裂紋檢測系統的重要組成部分,在完成信號拾取的同時,由于本身含有磁性元件,產生的電磁干擾向信號處理電路散發非功能性電磁干擾能量,干擾嚴重時,使系統設備的性能降級甚至完全喪失功能。此外,后續硬件各個電路模塊在工作過程中作為干擾源和磁敏元件同時存在,電磁干擾問題突出,電磁兼容性成為ACFM檢測系統安全可靠性的重要問題。本文采用數值計算與實驗測量相結合的方法,通過電磁干擾源產生的機理以及抑制措施,電磁干擾傳播特性,敏感設備的敏感度等三方面的研究,對ACFM電磁兼容性進行預測和分析。ast,ACFM系統電磁兼容性預測方程可用如下模型表示。式中,ΔA為干擾裕量(也稱安全系數);Y(t,f,θ)為發射源傳輸到接收設備上的功率;S(t,f,θ)為磁敏設備敏感度閾值。如果ΔA<0,表示電磁兼容,ΔA>0,則表示電磁不兼容。若電磁不兼容時,Y(t,f,θ)對磁敏設備造成損傷或失效;若電磁兼容時,Y(t,f,θ)不對設備造成失效或損傷,此時磁敏設備能夠有效抑制、抵抗干擾。acfm低頻可靠性預測1acfm系統模型分析ACFM電路模塊上的負載多種多樣,既有阻性,感性和容性負載,還有高頻振蕩信號源,它們不僅對外是潛在的干擾發射源,同時也是磁敏設備;另外,由于ACFM是通過檢測含缺陷構件表面的電磁場畸變來判別裂紋的,整個系統處在人工激勵磁場和自然磁場相互耦合而成的復雜電磁環境中,由此產生的電磁耦合干擾也會影響ACFM電子模塊的正常運行。ACFM電磁場數值模型的描述是預測分析的技術關鍵,其中預測準確性的技術難點在于電磁場的分布計算和確定邊界條件。有限元模型及數值計算結果如圖2、圖3。ACFM探測線圈除了檢測到能判定缺陷的特征檢測構件表面電磁場的畸變,同時能感應到更強的由激勵線圈產生的激勵場。通過分析ACFM理論模型和有限元數值模型,可得由構件缺陷引起的畸變場相對激勵線圈產生的激勵電磁場相差兩個數量級,其中,激勵線圈感應的激勵磁場頻率為6000Hz的諧性場。所檢測的缺陷檢測信號基本被淹沒在激勵線圈產生的感應電磁場中。自然環境磁場可由磁檢測設備進行檢測。如果在電磁環境中有多個電磁干擾源,敏感設備位置上綜合的電磁環境干擾場強符合線性疊加原理。在實驗室條件下,0～20kHz自然環境噪聲頻譜圖如圖4。由圖4可知,ACFM自然環境磁場干擾的頻率在0～20kHz,基本服從均勻分布。ACFM系統主要干擾源按幅值劃分如下:磁勵線圈產生的激勵場對探測線圈影響最大,其次為含缺陷構件的感應場,最后是高頻耦合場和環境噪聲磁場。缺陷構件由肌膚效應產生的感應電磁場是需提取的有用信號。2屏蔽效能分析對ACFM系統的電磁耦合途徑進行預測時,干擾源與ACFM檢測系統磁敏感模塊之間的耦合方式為輻射耦合、電容耦合、電感耦合、電阻耦合以及相互間的交錯作用。電磁耦合途徑可用下式表示。ACFM電磁耦合途徑在工程應用上可以用屏蔽效能來進行綜合評定。屏蔽效能可定義為:在電磁場中同一地點無屏蔽時的電磁場強度與加屏蔽體后的電磁場強度之比或其分貝數。ACFM檢測系統中探測線圈處在ACFM激勵線圈的強感應干擾下,需在激勵線圈與探測線圈之間加屏蔽層,降低激勵場對探測線圈的干擾。帶有屏蔽層的ACFM有限元模型如圖5,屏蔽效能沿Y方向變化圖如圖6。由圖6可知,采用鐵磁性材料作屏蔽層對垂直入射的電磁場屏蔽效果良好,可減弱探測線圈受激勵場的干擾,計算時取屏蔽效能為20dB。3acfm組成磁敏設備接收電磁信號的頻率選擇模型可描述為:式中,Δf表示磁敏設備的全頻帶;G(Δf)表示磁敏設備相對于Δf的接收能力;Δf0表示工作頻帶;G(Δf0)表示設備對G(Δf0)的接收能力;Gi表示設備對工作頻帶外信號的接收能力。ACFM檢測系統中的干擾源主要為高頻干擾,另外還存在一定的低頻干擾,如探頭的提離抖動。在設計后續信號處理模塊時,采用2階壓控電壓源有源帶通濾波單元來濾除高頻噪聲。ACFM信號處理模塊的幅頻特性如圖7。取工作頻率ωn=6000Hz,可以保證ACFM信號處理模塊能有效抑制高頻干擾噪聲。(2)ACFM系統相位特性分析針對ACFM噪聲源的特點,對于在ACFM數據處理模塊中落在敏感設備工作頻帶內的噪聲頻率,利用噪聲干擾與有用信號之間存在相位差,ACFM數據處理模塊采用相敏檢波方法來抑制該類噪聲。相敏檢波消除干擾噪聲的原理是:如果控制信號和輸入信號相位差在0～90°之間,輸出從零逐漸增強到最大。故選擇控制信號和有用信號相差90°進行檢波,就能在輸出信號中消除干擾信號而保留有用信號(因為有用信號和干擾信號之間存在相位差)。ACFM信號處理模塊的抑制噪聲相敏檢波電路采用性能穩定的集成電路搭建而成,經仿真和試驗測試,其性能能夠滿足ACFM檢測的需要。輸入信號為5mV,6kHz的正弦波,參考信號為1.2mV,6kHz的正弦波。ACFM信號處理模塊的相位差與幅度抑制特性如圖8。由圖8可知,選擇合適的初始相位參考信號,可以有效地抑制工作頻帶內與有用信號不同相位的噪聲干擾。(3)ACFM檢測系統敏感度分析若系統中存在多個敏感設備,整個系統的敏感度可由敏感度最高的磁敏設備來評估。通過對探頭結構優化設計和施加屏蔽,ACFM探測線圈對電磁干擾噪聲的敏感性可忽略不計。故評估ACFM檢測系統的敏感度通過評價ACFM信號處理電路模塊的敏感度來完成。ACFM信號處理電路模塊的敏感度由熱噪聲電壓Nv和電路的頻帶寬度B決定,表示為:式中,SV為以電壓表示的模擬電路敏感度;NV為熱噪聲電壓,一般取NV=2GV(GV為靈敏度);B為電路的頻帶寬度;K為與干擾有關的比例系數。針對ACFM信號處理模塊具有頻率選擇和相位選擇的特點,式(5)修正為:式中,θ為參考信號與輸入信號的相位差;T為相敏檢波的抑制比,定義相位差為θ與90°的電路輸出幅度之比。式(6)用dB形式表示為:一般地,取K=1,f(B)=B,NV=2GV,式(7)可變為:由ACFM信號處理電路模塊的頻率特性和相位特性的計算可知:B=8kHz,取θ=0°時相敏檢波電路抑制噪聲能力最強,此時抑制比可達0.5,設備的靈敏度為-100dB。通過計算可得:ACFM信號處理電路模塊的敏感度為166.04dB,屬于中敏感設備。由于ACFM信號處理電路模塊是ACFM檢測系統中具有最高敏感度的設備,故ACFM檢測系統屬于中敏感設備,應該加屏蔽保護層。4acfm電容性預測基于ACFM干擾源、傳輸函數、磁敏設備敏感度的分析,采用有限元分析軟件ANSYS建立ACFM電磁場數值模型來求解干擾源、干擾途徑的麥克斯韋電磁方程,結合電磁兼容性預測方程,實現ACFM檢測系統的電磁兼容性預測。通過上述ACFM電磁場數值模型和屏蔽層屏蔽效能的分析求出電磁干擾設備上的電磁干擾量,與ACFM磁敏設備的敏感度閾值相比較,完成ACFM電磁兼容性預測(如式(9))。式中,ΔA為干擾裕量;U(t,f,θ)為干擾源;SE(t,f,θ)為屏蔽效能;S(t,f,θ)為磁敏設備敏感度閾值。通過實際測量,激勵線圈在磁敏設備上的干擾感應可達300mV,轉化dB形式取20lgU(t,f,θ)=49dB。另外,20lgSE(t,f,θ)=20dB;20lgS(t,f,θ)=166.04dB,可得:綜合式(9)和式(10)可得ΔA<0,則所設計的ACFM檢測系統滿足電磁兼容性要求。acfm激勵電磁的凈化效能在建立干擾源、傳輸函數、敏感度門限值模型的基礎上,采用數值模型分析與實驗測量相結合的方法,基于干擾源、傳輸函數、敏感度的分析,完成對ACFM檢測系統的電磁兼容性預測。主要結論如下:(1)ACFM主要干擾源是ACFM激勵電磁場,是頻率與ACFM工作頻率一致的諧性場;另外由邊界不連續、材料不均勻等產生的高頻耦合電磁場也不能忽視,除此之外還需考慮自然環境電磁噪聲。(2)采用屏蔽效能可以綜合評估電磁干擾源與電磁敏感模塊之間的耦合作用,在探測線圈與激勵線圈之間加