管道運輸已經成為現代工業和城鎮生活的大動脈，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，是基于對局部典型區域施加電流，通過測量管道表面微弱的電壓差進行監測。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是用于監測管道腐蝕和裂紋的無損檢測技術，根據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參考板，該參考板與被測管道之間是絕緣的，上面設置一對或數對參考電極，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域的局部腐蝕程度由指紋系數（FC值）判斷。

    2.FSM中鎖相放大器的應用

    現有的FSM系統主要基于直流壓降（DCPD，DC Voltage Drop）檢測技術，為了提高信噪比，需要用大電流。由于檢測環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系統中采用交流壓降（ACPD，AC Voltage Drop）檢測技術，即使注入的電流很小（1A-5A），也能夠獲得足夠大的壓降值。

    在管道腐蝕監測過程中，在管道外表面施加激勵電流后，要檢測到管道內部的腐蝕情況。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.系統原理與結構

    整個測量系統基于鎖相放大技術，鎖相放大器是整個系統的核心部分，它由信號通道、參考通道、相關器3部分組成選擇數字雙鎖相放大器作為設計目標，可以有效的消除相位的影響，FPGA的并行架構能夠實現兩路信號的同時處理。圖2顯示了鎖相放大器的基本結構。

    圖2 鎖相放大器的基本結構

    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，所以采用互相關檢測技術。互相關檢測技術所產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。互相關檢測的原理圖如下圖3所示。

    圖3 互相關檢測的原理框圖

    在信號幅值固定的情況下，相位的差異會對輸出結果產生很大影響，因此在測量時需要保證參考信號與被測信號同頻同相。但在實際應用中，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行相關運算。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系統電路的構成

    圖5給出測量裝置組成結構圖。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轉換器，是用來對被測電壓信號放大和進行模數轉換， 激勵模塊是用來產生同頻率同相位的無雜質干凈的參考信號，FPGA模塊包含參考信號生成模塊、相關解調器模塊、矢量計算模塊以及A/D轉換控制模塊。

    圖5 基于FPGA的數字鎖相放大器結構框圖

   4. 實驗

    實驗通過平板來代替金屬管道進行測量驗證低頻鎖相技術在管道上監測的準確性。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號碳鋼鋼板的電導率σ為5.6×S/m，相對磁導率為120，磁導率為H/m， 根據公式（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。在趨膚效應的影響下，頻率增大時，貫穿深度隨之減小，激勵電流流經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置為1Hz—10Hz分別進行采樣，采樣點數為100。

    通過使用美國SRS公司生產的SR850儀器和實驗用電路分別對平板進行測量比較。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定性。對測量所得數據進行擬合，結果如下圖7所示。

    圖7 不同頻率不同電流情況下的曲線圖

    表2  與SR850進行數據對比

    根據圖7可知，當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，實驗測量數據符合“趨膚效應”的規律，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，將測得的數據與SR850的測得值進行比較，如表2所示。從結果可以看出，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%，負最大為0.88%。由此可知，采用數字鎖相放大技術可以相對準確的在平板上進行測量，同時能保證系統的精度及安全性。

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責任編輯：王元

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