Вихретоковый дефектоскоп на базе Arduino Due

Последнее время проекты на базе платформ Arduino получают все большую популярность. Ведь этот электронный конструктор служит отличной платформой для быстрой разработки устройств различной сложности. Её популярность разрастается по всему миру благодаря простому и удобному программированию и открытой архитектуре, исходному коду.

В данной статье к вашему вниманию представляется разработанная автором модель вихретокового дефектоскопа на базе платформы Arduino Due, которая была использована совместно с трансформаторным преобразователем диференциального типа.

Рисунок 1. Структурная схема дефектоскопа

Блок преобразования и предварительной обработки (БППО) выполнен на плате микроконтроллера Arduino Due. Arduino Due - плата микроконтроллера на базе процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3. Это первая плата Arduino на основе 32-битного микроконтроллера с ARM ядром. На ней есть 54 цифровых вход / выхода (из них 12 можно задействовать под выходы ШИМ), 12 аналоговых входов, 4 UART (аппаратных последовательных портов), генератор тактовой частоты 84 МГц, связь по USB с поддержкой OTG, 2 ЦАП (цифроаналоговых преобразователя), 2 TWI, разъем питания, разъем SPI, разъем JTAG, кнопка сброса и кнопка стирания. Плата содержит все, что необходимо для поддержания микроконтроллера. Чтобы начать работу с ней, достаточно просто подключить ее к компьютеру кабелем micro-USB или подать питание с AC/DC преобразователя или батарейки.

На базе платы было выполнено низкочастотный генератор (Г) синусоидального тока и оцифровано полученный сигнал вихретокового преобразователя, пропущенный через цифровой фильтр.

Фильтр нижних частот сигнала генератора

Для ограничения частотного спектра с выхода генератора было применено активный фильтр нижних частот.

Фильтр был смоделирован и исследован с помощью приложения Filter wizart программного пакета Multisim и программы Filter Pro компании Тexas Иnstruments. На базе двухканального операционного усилителя - LM2904N.

 В программе нам необходимо задать топологию и вид фильтра, частоту пропускания, частоту среза, ослабление сигнала в этих частотах, нагрузку на

Рисунок 2. Интерфейс приложения «Filter wizart»

фильтр. После этого программа проанализирует возможность выполнения такого фильтра и предложит построить его схему.

После построения фильтр было исследовано в программе «Filter Pro» для определения точных номиналов элементов схемы и построения АЧХ фильтра.

Рисунок 3. АЧХ фильтра

Построеноя схема была проверена в среде Multisim, поочередно подавая на неё сигнал с частотой полосы пропускания и за ее пределами.

В результате моделирования характеристики фильтра были подтверждены.

Схема усиления сигнала генератора

Полученное значение напряжения сигнала генератора не может превышать 3.3В, поэтому на втором канале микросхемы операционного усилителя LM2904N было усиление сигнала после ФНЧ в 2.5В до 5В. То есть использована схема неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления равным двум.

Кп = Uout/Uin + 1 = Rоос/Rвх + 1 = 2                               Rоос = 1 kΩ, Rвх = 2 kΩ

Измерительный усилитель избран на основе микросхемы AD623, что показывает превосходные характеристики, не смотря на однополярный режим питания и низкое потребление. Схему подключения и зависимость коэффициент усиления от значения резистора Rg были взяты из технической спецификации микросхемы и было проверено в среде  Multisim.

Питание схемы происходит через usb соединение компьютера и платы Arduino Due, из которой питаются остальные схемы из выводов 5V и GND. Выводы обеспечивают питание фильтра нижних частот и усилительных микросхем в однополярном режиме со стабилизированным напряжением в 5В с максимальной силой тока потребления до 800мА. В ходе проектирования применённые операционные усилители хорошо показали себя при однополярном режиме питания, поэтому питания напрямую от платы Arduino Due оказалось вполне достаточным.

Рисунок 4. Измерительный усилитель (ИУ)

Для разработки платы для дополнения платформы Arduino Due было использовано программный пакет для разводки печатных плат Altium Designer 15, который был дополнен необходимым из библиотеки элементов компании Тexas Иnstruments и Analog Devices.

Рисунок 5.  Разводка платы

Для начала было создано схему подключения. Так как при проектировании приходится использовать большое количество соединений, целесообразно применить проводники различной толщины и цвета, подписывать проводники. Это помагает разработчику не запутаться в соединениях и быстрее найти ошибку после компиляции схемы.

Далее, используя мастер печатных плат и автотрассировки, задавая необходимые параметры платы (такие как ее размеры, ширину дорожек и тп), можно легко изготовить плату с помощью ЛУТ (лазерно-утюжной технологии) или используя фоторезистивные пленки. Также, перед изготовлением плату можно просмотреть и видоизменить в 3D режиме.

Полученный сигнал отправляется на портативный компьютер (ПК) и представляется в виде осцилограммы. Написанная автором программа взаимодействует с платформой Arduino, позволяя регулировать частоту сигнала, рисовать график входного сигнала, фиксировать уровень соответствующий бездефектной области контролируемого изделия. По изменению амплитуды и фазы сигнала относительно бездефектной области, можно определить наличие дефекта в области нахождения преобразователя.

Рисунок 6. Программа для работы с дефектоскопом

Основными преимуществами данного устройства является его мультиплатформенность, ведь программный интерфейс был написан на языке Java, и широкий спектр возможностей для улучшений, используя доступные на рынке всевозможные дополнения для Arduino.

Список литературы

1. Статистическая фазометрия / Куц Ю.В., Щербак Л.М.//Тернополь, 2009.- 383с.

2. Цифровая обработка сигнала: Второе издание /Ричард Лайонс // Москва:      Изд-во «Бином-Пресс», 2006  – 656 с.