1技術背景

電場指紋法是20世紀90年代興起的無損檢測技術，是根據(jù)被測對象表面微小的電壓變化，對金屬結(jié)構(gòu)的缺陷、裂紋、腐蝕以及它們的擴展情況進行高精度檢測。這種方法可用來進行實時在線監(jiān)測，檢測精度和準確性都很高，并且可以辨別金屬腐蝕的類型。

但是，由于被檢測區(qū)域的金屬等效電阻非常小，因此，無論是從國外引進的設備，還是國內(nèi)研制的設備，都是通過大幅提高電流強度來提高數(shù)據(jù)采集設備對響應電壓的采集精度，激勵電流一般為20～250A。然而激勵電流過大，容易產(chǎn)生金屬材料的焦耳熱效應，給采集數(shù)據(jù)的溫度補償帶來一定困難，并且激勵電流的波動也會帶來不容忽略的影響。因此，電場指紋技術對于溫度補償及電流穩(wěn)定性都有很高的要求。此外，檢測設備通常需要單獨配置高輸出電流電源，設備的集成度不高，操作不便，而操作人員的人身安全問題也需高度重視。

近年來，無損檢測設備向智能化、一體化方向發(fā)展。為提高實驗室設備的智能化水平，筆者開發(fā)了基于PXIe總線技術的模塊化電場指紋檢測系統(tǒng)，將電場指紋檢測所需的各種硬件和外圍設備都集成在一個可移動的機箱內(nèi)，采用高精度數(shù)字萬用表，在保證數(shù)據(jù)采集精度的情況下減小了激勵電流，從而提高了電場指紋檢測效率和安全性。

2檢測系統(tǒng)的工作原理

2.1電場指紋法的基本原理

電場指紋法的基本原理可以用圖１所示的金屬管道缺陷檢測說明。在待測管道的表面布置一個采集電極矩陣，當向管道加載激勵電流后，在管道內(nèi)部及表面會建立起一個特定的直流電場。當有腐蝕缺陷產(chǎn)生時，電力線在一定程度上受到干擾而發(fā)生變形，在腐蝕缺陷區(qū)域附近的電信號會發(fā)生細微的變化。通過比較管道表面的這種局部電場特征曲線的微小變化，可以分析缺陷狀況，為判斷缺陷的深度、取向等問題提供精確的數(shù)據(jù)支持。

此外，通過獲取金屬表面各電極間的電位值隨時間的變化，可以進一步判斷管道腐蝕區(qū)域的減薄量。電場指紋無損檢測技術的獨特之處，是將檢測電位變化與管道初始狀態(tài)的電位值進行比較。在初始狀態(tài)，管道的幾何形狀未發(fā)生任何變化，也沒有任何腐蝕情況的發(fā)生，可認為是非腐蝕狀態(tài)的參考狀態(tài)?？梢园堰@種狀態(tài)看作是管道的“指紋”，電場指紋無損檢測技術的名字由此而來。

圖1FSM技術示意圖

2.2PXIe總線技術

PSI是一個基于PC技術的模塊化I/O的標準，為基于PC的架構(gòu)添加了集成的定時和同步功能、工業(yè)級的堅固設計，以及更多的通道數(shù)。在PXI標準設計中，需要一個專用的定時和觸發(fā)總線，以進行不同模塊之間的同步。而PXIe技術是PXI平臺的最新版本，除了PXI現(xiàn)有的定時和同步功能，PXIe還提供了附加的定時和同步功能。其采用差分時鐘和同步，使PXIe系統(tǒng)中儀器時鐘的抗噪聲性能得以提高，并以更高的速率傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了更高精度的測量。

基于以上優(yōu)點，我們利用PXIe總線模塊化、集成性好、穩(wěn)定性強的特點，根據(jù)電場指紋技術原理設計腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)采集的同步性和實時性，提高系統(tǒng)的安全性和測試速度。

3模塊化電場指紋檢測系統(tǒng)的搭建

3.1硬件系統(tǒng)

本監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分遵循通用化、模塊化、標準化的設計原則搭建，包括電源控制、數(shù)據(jù)采集和溫度補償?shù)饶K。

3.1.1電源控制模塊

電場指紋檢測技術需要為采集電極矩陣提供恒定且高精度的電流激勵，以便采集到無誤差的電壓。本文選擇NI公司的PXIe－4112板卡作為檢測系統(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)生所設置的恒定直流電的同時，實時顯示輸出電流的大小，以便確認實際穩(wěn)定工作時提供的電流符合檢測要求。由于電源模塊集成在PXIe機箱內(nèi)，無需外接電源對被測金屬結(jié)構(gòu)進行激勵，因而提高了檢測系統(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之間的電阻值只有幾十微歐，當激勵電流流經(jīng)金屬管道之后，采集到的響應電壓一般只有幾十微伏（1A的激勵電流）。在這種情況下，因為管道被腐蝕而引起的電位差處于微伏的數(shù)量級，這就對數(shù)據(jù)的采集精度、信號提取和噪聲過濾等方面有很高的要求。本文的數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)字萬用表模塊PXIe－4081及低噪聲程控矩陣開關模塊PXI－2535組成。

PXIe－4081是精準的數(shù)字萬用表，提供高分辨率數(shù)字萬用表和數(shù)字化儀的測量功能。作為數(shù)字萬用表使用時，PXIe－4081可提供快速、準確的DC電壓測試，分辨率可達10nV。PXI－2535為低噪矩陣開關模塊，可實現(xiàn)采集電極矩陣中電極對之間的快速切換，切換模式可根據(jù)需求自主編程設定。

本文將PXIe－4112、PXI－2535和PXIe－4081搭配使用，以創(chuàng)建±12VDC的高密度自動化測試系統(tǒng)。由于數(shù)字萬用表模塊的電位測量精度極高，無需供給大電流就可以準確地采集到所需電位信息，提高了設備的安全性和檢測效率。

3.1.3溫度補償模塊

電場指紋技術采集的是金屬管道本身電阻與激勵電流乘積而得到的電壓信號，而金屬材料的電阻率會隨溫度而變化。因此，恰當?shù)臏囟妊a償對保證測量精度非常重要。本文選擇NI公司的9217板卡進行溫度測量，并通過軟件編程進行溫度補償。

NI9217采用3線測量，可提供每通道1mA的電流激勵，其整個操作溫度范圍內(nèi)的精度小于1℃。NI9217包含可溯源至NIST的校準，并具有通道－地面接地雙重隔離屏障，實現(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

在檢測現(xiàn)場，通常會使用多種不同類型的傳感器來獲取對腐蝕過程有影響的環(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。通過同步采集這些模擬量信號并建立其與腐蝕速度的關聯(lián)，可以準確地判斷和分析不同環(huán)境因素的變化對腐蝕過程的影響。

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時測量腐蝕環(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，搭配不同傳感器來進行連接設置，并與其他模塊集成在一個機箱內(nèi)，保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

3.2軟件系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)的測控軟件采用LABVIEW開發(fā)環(huán)境進行編寫。LABVIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，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)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LABVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(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發(fā)完成，有很好的可擴展性，并且操作簡單。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的數(shù)據(jù)流，其他為溫度等環(huán)境參數(shù)信號的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流間互不干擾，時間上同步采集并進行存儲。為了能夠精確地定位局部腐蝕，根據(jù)電場指紋技術的檢測原理，在軟件中設置了初次掃描和重復掃描相結(jié)合的模式進行數(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，還設計了友好的人機交互界面（見圖3），提高了無損檢測實驗教學的效率。

3.3系統(tǒng)驗證

圖2數(shù)據(jù)采集流程圖

圖3檢測系統(tǒng)軟件的人機交互界面

通過多物理場耦合數(shù)值仿真軟件及實驗驗證的方法驗證檢測系統(tǒng)的采集精度。檢測材料為常見的金屬材料Q235鋼。

3.4模塊化電場指紋檢測系統(tǒng)的優(yōu)點

(1)低激勵、高精度、一體化。本系統(tǒng)成功運用PXIe總線技術，將電場指紋檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步性、設備集成性大大提高，在提高數(shù)據(jù)采集精度的同時能夠保證采集速率，提高了實驗效率。應用低至1A的激勵電流就可以準確采集數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的安全性這對實驗教學非常重要。

(2)可擴展性好。用戶可根據(jù)實驗目的和測試需求，對本系統(tǒng)的軟硬件進行修改和擴展，并配置不同的環(huán)境參數(shù)傳感器，以對比各種自然環(huán)境和工藝環(huán)境條件下金屬設備、構(gòu)件或材料的腐蝕過程和規(guī)律，引導學生探索環(huán)境參數(shù)變化對腐蝕速度的影響。

(3)簡單、方便、精確。檢測過程的操作簡單，軟件易于使用，初掃和復掃相結(jié)合的掃描方式能夠及時、精確地判讀局部腐蝕的位置及其特征參數(shù)，有助于提高實驗教學效率，使學生更多關注實驗內(nèi)容，而不是煩惱如何操作儀器。

4結(jié)語

本文研制的模塊化電場指紋檢測系統(tǒng)將電場指紋技術與PXIe總線技術相結(jié)合，提高了電場指紋檢測系統(tǒng)的集成性、精確性和安全性，符合無損檢測設備的發(fā)展趨勢，能有效配合無損檢測相關課程的實驗教學，顯著提高實驗效率，有益于推廣電場指紋技術和豐富無損檢測教學手段。

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