管道运输已经成为现代工业和城镇生活的大动脉，被称之为生命线工程。

    FSM（Field Signature Method）是一种新型的用于检测管道腐蚀和裂纹的无损检测技术，是基于对局部典型区域施加电流，通过测量管道表面微弱的电压差进行监测。锁相放大器是最常用的微弱信号检测仪器之一，适用于检测正弦信号的幅值及相位。

    1.FSM原理

     FSM是用于监测管道腐蚀和裂纹的无损检测技术，根据测量电极间的微小电位差来判断管道壁厚度的变化。为了消除温度和电流的变化，通常需要紧贴管道外部安装一块同质参考板，该参考板与被测管道之间是绝缘的，上面设置一对或数对参考电极，如图1。

    图1测量电极矩阵列和参考电极的示意图

    任何一对测量电极之间区域的局部腐蚀程度由指纹系数（FC值）判断。

    2.FSM中锁相放大器的应用

    现有的FSM系统主要基于直流压降（DCPD，DC Voltage Drop）检测技术，为了提高信噪比，需要用大电流。由于检测环境多为易燃易爆场所，对安全性要求高，供电电压不能太大，因此考虑在FSM系统中采用交流压降（ACPD，AC Voltage Drop）检测技术，即使注入的电流很小（1A-5A），也能够获得足够大的压降值。

    在管道腐蚀监测过程中，在管道外表面施加激励电流后，要检测到管道内部的腐蚀情况。因此，需要保证激励电流在管道上是均匀分布的，才能更好的检测管道的腐蚀情况。

    3.系统原理与结构

    整个测量系统基于锁相放大技术，锁相放大器是整个系统的核心部分，它由信号通道、参考通道、相关器3部分组成选择数字双锁相放大器作为设计目标，可以有效的消除相位的影响，FPGA的并行架构能够实现两路信号的同时处理。图2显示了锁相放大器的基本结构。

    图2 锁相放大器的基本结构

    3.1正交双锁相原理

    由于信号电压要比被测量信号的噪声小很多，所以采用互相关检测技术。互相关检测技术所产生的参考信号是与被测信号是同频率同周期的无噪声的干净信号。互相关检测的原理图如下图3所示。

    图3 互相关检测的原理框图

    在信号幅值固定的情况下，相位的差异会对输出结果产生很大影响，因此在测量时需要保证参考信号与被测信号同频同相。但在实际应用中，所要测量的信号和参考信号的输入通道是不同的，两个信号之间的相位差是很难预知的。采用正交双相锁相放大的方案则可以解决这个问题，其基本原理框图见图4。

    图4 正交双相锁相放大器的原理框图

    与单路径锁相放大器相比，正交双相锁相放大器使用的是两个正交的同频参考信号，分别和所要测量的信号进行相关运算。其中，参考信号中的一路一般由另一路移相90度得到，这样保证两路参考信号本身是同频的。

    3.2系统电路的构成

    图5给出测量装置组成结构图。该装置主要由信号通道模块、激励模块以及FPGA模块组成。信号通道模块主要包括放大器和A/D转换器，是用来对被测电压信号放大和进行模数转换， 激励模块是用来产生同频率同相位的无杂质干净的参考信号，FPGA模块包含参考信号生成模块、相关解调器模块、矢量计算模块以及A/D转换控制模块。

    图5 基于FPGA的数字锁相放大器结构框图

   4. 实验

    实验通过平板来代替金属管道进行测量验证低频锁相技术在管道上监测的准确性。采用一个1000mm×150mm×11mm的20号碳钢钢板，在平板的一面布上行列间距为30mm×30mm的电极阵列，如图6所示。

    图6 20号碳钢钢板

    20号碳钢钢板的电导率σ为5.6×S/m，相对磁导率为120，磁导率为H/m， 根据公式（2）可以通过频率的大小计算得出激励电流贯穿管道的深度，如表1所示。

    表1   不同频率激励电流的贯穿深度

    随着频率的不断增大，贯穿深度也随之减小，电流大部分都集中在管道表面。当贯穿深度减小时，激励电流通过管道的横截面积也随之减小。在趋肤效应的影响下，频率增大时，贯穿深度随之减小，激励电流流经的管道横截面积也随之减小，电阻将增大，致使功率损耗也将增大。

    如图6所示，对平板分别施加0.8A、1.0A、1.2A的激励电流，同时将输入激励的频率设置为1Hz—10Hz分别进行采样，采样点数为100。

    通过使用美国SRS公司生产的SR850仪器和实验用电路分别对平板进行测量比较。SR850可以测量的频率范围在1mHz-102KHz之间，测量的电压灵敏度在2nV，具有很高的精度及稳定性。对测量所得数据进行拟合，结果如下图7所示。

    图7 不同频率不同电流情况下的曲线图

    表2  与SR850进行数据对比

    根据图7可知，当施加的激励电流一定时，随着频率的增加，电压值也随之增加。在频率低于5Hz时，测得电压变化较为剧烈；在频率高于5Hz时，测得电压较为平缓。由此可知，实验测量数据符合“趋肤效应”的规律，随着铁板贯穿深度的增加，电压变化也越平缓。

    向平板施加1.2A激励电流，将测得的数据与SR850的测得值进行比较，如表2所示。从结果可以看出，两者的最大误差为0.13μV，有较高的测量精度。相对误差正最大为0.96%，负最大为0.88%。由此可知，采用数字锁相放大技术可以相对准确的在平板上进行测量，同时能保证系统的精度及安全性。

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责任编辑：王元

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