管道運(yùn)輸已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和城鎮(zhèn)生活的大動脈，被稱之為生命線工程。

    FSM（Field Signature Method）是一種新型的用于檢測管道腐蝕和裂紋的無損檢測技術(shù)，是基于對局部典型區(qū)域施加電流，通過測量管道表面微弱的電壓差進(jìn)行監(jiān)測。鎖相放大器是最常用的微弱信號檢測儀器之一，適用于檢測正弦信號的幅值及相位。

    1.FSM原理

     FSM是用于監(jiān)測管道腐蝕和裂紋的無損檢測技術(shù)，根據(jù)測量電極間的微小電位差來判斷管道壁厚度的變化。為了消除溫度和電流的變化，通常需要緊貼管道外部安裝一塊同質(zhì)參考板，該參考板與被測管道之間是絕緣的，上面設(shè)置一對或數(shù)對參考電極，如圖1。

    圖1測量電極矩陣列和參考電極的示意圖

    任何一對測量電極之間區(qū)域的局部腐蝕程度由指紋系數(shù)（FC值）判斷。

    2.FSM中鎖相放大器的應(yīng)用

    現(xiàn)有的FSM系統(tǒng)主要基于直流壓降（DCPD，DC Voltage Drop）檢測技術(shù)，為了提高信噪比，需要用大電流。由于檢測環(huán)境多為易燃易爆場所，對安全性要求高，供電電壓不能太大，因此考慮在FSM系統(tǒng)中采用交流壓降（ACPD，AC Voltage Drop）檢測技術(shù)，即使注入的電流很小（1A-5A），也能夠獲得足夠大的壓降值。

    在管道腐蝕監(jiān)測過程中，在管道外表面施加激勵電流后，要檢測到管道內(nèi)部的腐蝕情況。因此，需要保證激勵電流在管道上是均勻分布的，才能更好的檢測管道的腐蝕情況。

    3.系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

    整個測量系統(tǒng)基于鎖相放大技術(shù)，鎖相放大器是整個系統(tǒng)的核心部分，它由信號通道、參考通道、相關(guān)器3部分組成選擇數(shù)字雙鎖相放大器作為設(shè)計目標(biāo)，可以有效的消除相位的影響，F(xiàn)PGA的并行架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)兩路信號的同時處理。圖2顯示了鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)。

    圖2 鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)

    3.1正交雙鎖相原理

    由于信號電壓要比被測量信號的噪聲小很多，所以采用互相關(guān)檢測技術(shù)。互相關(guān)檢測技術(shù)所產(chǎn)生的參考信號是與被測信號是同頻率同周期的無噪聲的干凈信號。互相關(guān)檢測的原理圖如下圖3所示。

    圖3 互相關(guān)檢測的原理框圖

    在信號幅值固定的情況下，相位的差異會對輸出結(jié)果產(chǎn)生很大影響，因此在測量時需要保證參考信號與被測信號同頻同相。但在實(shí)際應(yīng)用中，所要測量的信號和參考信號的輸入通道是不同的，兩個信號之間的相位差是很難預(yù)知的。采用正交雙相鎖相放大的方案則可以解決這個問題，其基本原理框圖見圖4。

    圖4 正交雙相鎖相放大器的原理框圖

    與單路徑鎖相放大器相比，正交雙相鎖相放大器使用的是兩個正交的同頻參考信號，分別和所要測量的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。其中，參考信號中的一路一般由另一路移相90度得到，這樣保證兩路參考信號本身是同頻的。

    3.2系統(tǒng)電路的構(gòu)成

    圖5給出測量裝置組成結(jié)構(gòu)圖。該裝置主要由信號通道模塊、激勵模塊以及FPGA模塊組成。信號通道模塊主要包括放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，是用來對被測電壓信號放大和進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 激勵模塊是用來產(chǎn)生同頻率同相位的無雜質(zhì)干凈的參考信號，F(xiàn)PGA模塊包含參考信號生成模塊、相關(guān)解調(diào)器模塊、矢量計算模塊以及A/D轉(zhuǎn)換控制模塊。

    圖5 基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器結(jié)構(gòu)框圖

   4. 實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)通過平板來代替金屬管道進(jìn)行測量驗(yàn)證低頻鎖相技術(shù)在管道上監(jiān)測的準(zhǔn)確性。采用一個1000mm×150mm×11mm的20號碳鋼鋼板，在平板的一面布上行列間距為30mm×30mm的電極陣列，如圖6所示。

    圖6 20號碳鋼鋼板

    20號碳鋼鋼板的電導(dǎo)率σ為5.6×S/m，相對磁導(dǎo)率為120，磁導(dǎo)率為H/m， 根據(jù)公式（2）可以通過頻率的大小計算得出激勵電流貫穿管道的深度，如表1所示。

    表1   不同頻率激勵電流的貫穿深度

    隨著頻率的不斷增大，貫穿深度也隨之減小，電流大部分都集中在管道表面。當(dāng)貫穿深度減小時，激勵電流通過管道的橫截面積也隨之減小。在趨膚效應(yīng)的影響下，頻率增大時，貫穿深度隨之減小，激勵電流流經(jīng)的管道橫截面積也隨之減小，電阻將增大，致使功率損耗也將增大。

    如圖6所示，對平板分別施加0.8A、1.0A、1.2A的激勵電流，同時將輸入激勵的頻率設(shè)置為1Hz—10Hz分別進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)數(shù)為100。

    通過使用美國SRS公司生產(chǎn)的SR850儀器和實(shí)驗(yàn)用電路分別對平板進(jìn)行測量比較。SR850可以測量的頻率范圍在1mHz-102KHz之間，測量的電壓靈敏度在2nV，具有很高的精度及穩(wěn)定性。對測量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如下圖7所示。

    圖7 不同頻率不同電流情況下的曲線圖

    表2  與SR850進(jìn)行數(shù)據(jù)對比

    根據(jù)圖7可知，當(dāng)施加的激勵電流一定時，隨著頻率的增加，電壓值也隨之增加。在頻率低于5Hz時，測得電壓變化較為劇烈；在頻率高于5Hz時，測得電壓較為平緩。由此可知，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)符合“趨膚效應(yīng)”的規(guī)律，隨著鐵板貫穿深度的增加，電壓變化也越平緩。

    向平板施加1.2A激勵電流，將測得的數(shù)據(jù)與SR850的測得值進(jìn)行比較，如表2所示。從結(jié)果可以看出，兩者的最大誤差為0.13μV，有較高的測量精度。相對誤差正最大為0.96%，負(fù)最大為0.88%。由此可知，采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)可以相對準(zhǔn)確的在平板上進(jìn)行測量，同時能保證系統(tǒng)的精度及安全性。

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