在钢管漏磁检测过程中，模拟信号处理电路以及数字信号处理软件是实现钢管漏磁检测功能的重要组成部分。传感器输出信号较为微弱，从传感器至信号放大器之间的距离不宜过长，因此，漏磁检测信号处理系统一般配置有前置放大器和后置放大器两类信号处理电路。前置放大器布置在位于检测传感器附近的检测设备内部，传感器产生的微弱信号首先经过前置放大器进行初步的信号放大和滤波，之后，利用长距离信号线将信号传输至位于操作室内的后置放大器内，进行进一步的信号调理，并将检测信号调整为在与A-D采集卡输入相匹配的幅值范围内。
1.滤波放大电路
磁敏感元件将漏磁场信号转变为电信号后，由于信号微弱且存在噪声，因此需要进行相应的放大滤波处理。下面介绍一种漏磁检测放大滤波电路。
根据缺陷漏磁信号和传感器的特性，信号调理电路如图3-20所示。放大芯片采用TI的TLC2262CP，该芯片具有输入阻抗高、低噪声、功耗小的特点，其带宽为100kHz，远远满足对低频微小信号的调理。调理电路由2级运算放大器组成，构成一个具有一定放大倍数的带通滤波器。第一级对微小信号进行一次放大和低通滤波，第二级对信号进行二次放大和带通滤波，有效地提高了检测信号的信噪比，增加了缺陷的检测能力。由于TLC2262CP采用5V单电源工作模式，需要一个2.5V的基准电压，因此选取LM336BZ芯片作为2.5V电源芯片，该芯片功耗小，精度高，其输出电压接到TLC2262CP的同相端作为2.5V参考电压。两级电路之间的耦合采用极性电容。
图3-20 放大滤波电路机构原理图
图3-20所示为单通道信号处理电路，该调理电路主要应用于感应线圈，并在较低的速度下进行检测的工况。在设计漏磁检测传感器滤波放大电路时主要考虑以下几个因素：
（1）传感器的原始电压或电流输出范围 为使得检测信号经过放大后既能够获得较高的幅值又不至于超出采集卡的输入范围，必须考虑传感器的原始输出幅值，进而设计相应的放大倍数。传感器的原始信号输出幅值与很多因素有关，如传感器的灵敏度、磁化强度、缺陷特性等，因此在设计漏磁检测信号放大电路时，应该综合考虑各方面的因素，设计出合理的放大倍数。
（2）检测速度 不同的检测速度产生不同的检测信号频率，信号频率又涉及采样频率以及滤波电路的截止频率。因此，在设计漏磁检测信号处理电路时，必须保证在最低和最高检测速度下，既能够满足采样定理使原始信号不失真地进入计算机，又要保证经过滤波电路之后，最大限度地保留缺陷信息而滤去背景噪声。
（3）钢管的生产工艺 在漏磁检测过程中，不同生产工艺制造的钢管产生的背景噪声信号不同，如钢管的内螺旋、青线以及表面氧化皮均会产生固定频率的背景噪声。如果能够得出背景噪声的规律，在设计滤波电路时可针对性地选用合适的滤波器并设置相应的截止频率，最终获得较好的信噪比。
漏磁检测属于弱磁检测，特性良好的放大滤波电路是实现高精度检测的基础。在设计放大滤波电路时，应该综合考虑各方面的因素，包括传感器、检测速度和工件等，最终设计出适用于特定构件和工况的处理电路。
2.信号采集
采集卡的采集启动与停止由钢管的位置决定，当钢管管头进入检测主机时，探头合拢，A-D采集卡开始采集数据；当钢管尾端离开检测主机时，探头张开，停止采集数据。采集卡将检测数据传输给计算机进行数字信号后处理，采集卡与计算机之间的信号输送方式类型很多，包括USB总线、并行总线、串行总线和网线等。
（1）基于串行口的数据采集器 基于串行口的数据采集器以串行A-D芯片为核心，通过外围辅助电路实现控制A-D采样，并通过RS-232标准接口与计算机通信。基于串行口的数据采集器的特点包括：装置尺寸较小，稳定性、抗干扰能力强，数据传输速率相对较低。
（2）基于并行口的数据采集器 基于并行口的数据采集器通常是基于EPP（Enhance Parallel Port增强型的并行口）协议设计而成的，EPP并行口具有8位双向数据/地址端口，通过地址读写的方式来控制端口地址的选择。基于并行口的数据采集器的特点包括：数据传输速率高、硬件设计与软件操作方便。
（3）基于USB的数据采集器 USB（串行总线架构）是Intel公司开发的新一代总线结构，使得计算机的冲突大量减少且易于改装。USB的工业标准是对PC现有体系结构的扩充，USB具备的特点包括，终端用户的易用性：接口连接的单一模型，电气特性与用户无关和自我检测外部设备；广泛的应用性：传输速率范围大，支持同步/异步传输模式，支持多个设备同时操作；灵活性：可以选择设备的缓冲区大小，通过协议对数据流进行缓冲处理；健壮性：协议中使用出错处理/差错恢复机制，支持实时热拔插，并可认定有缺陷设备。
根据各类数据采集器的特点，漏磁检测系统主要使用基于USB的数据采集器，原因主要有：
1）即插即用与设备自检的特性降低了维护和使用的难度。
2）灵活开发、易于扩展可以满足漏磁检测的各类应用要求。
3）由于漏磁检测设备都有小型化的发展趋势，系统经常运行在笔记本式计算机上，而笔记本式计算机的发展趋势是不再直接支持串行口和并行口，USB数据采集器可以保证系统软、硬件接口的广泛适用性。
4）在小型化的漏磁检测设备中，USB数据采集器不需要外接电源，方便携带使用也是一个重要的因素。
5）目前主流USB设备都支持USB2.0版本，其具有更多的特性，如接口传输速率最高可达480MB/s，是串口的4000多倍，有利于应用扩展需要。
根据采样定理，在进行模拟/数字信号的转换过程中，采样频率应大于信号最高频率的2倍，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
在钢管漏磁检测过程中，有两种信号采样方式，一种是等时间采样，另一种是等空间采样。等时间采样，也即每隔相同的时间间隔进行一次信号采集，时间间隔为采样周期。当采用等时间采样方式时，一旦采集卡开始采集信号，无论钢管在何处位置或者运行速度如何变化，信号系统将一直按照相同的采样周期采集信号。此种方式控制比较简单，成本较低。然而，当钢管在运行过程中速度发生变化时，采样点数与钢管长度之间无法形成良好的对应关系，从而会降低缺陷定位精度。
等空间采样，也就是每隔相同的空间距离进行一次信号采集。根据钢管漏磁检测精度和分辨率要求，一般在钢管表面每间隔0.5mm需要进行一次信号采集。等空间采样的信号采集控制与钢管的位置有关，假如钢管在前进过程中由于机械问题突然停止，那信号系统也停止采集。等空间采样可以保证采样点数与钢管长度形成一致的对应关系，可实现对缺陷的精确定位。为实现等空间采样，钢管漏磁检测系统需要配置一个历程编码轮，用于监测钢管的位置并输出脉冲，以控制信号采集，结构相对复杂。图3-21所示为漏磁检测信号采集流程。
图3-21 漏磁检测信号采集流程
钢管自动化漏磁检测中，A-D采集卡的各项性能指标参数要求较高。首先，多通道检测是实现高速高精度检测的基础。一方面，检测速度要求越快，通道数必须相应增加才能满足检测覆盖率的要求；另一方面，多通道冗余检测是提高钢管漏磁检测精度的基础，通道数越多，获取的缺陷信息越多，进而才能实现缺陷的定量检测。然后，采集卡的采样频率必须满足采样定理，才能在计算机中复原原始漏磁信号的波形特征。漏磁检测原始电信号频率与缺陷漏磁场分布以及钢管运行速度有关，因此，在设计采集卡的采样频率时，必须以最高运行速度作为设计基准。此外，A-D转换精度也是采集卡的一个重要指标，精度越高，数字信号就越能够逼近原始模拟信号波形。下面给出钢管漏磁检测系统常用的采集卡性能参数，见表3-2。(www.xing528.com)
表3-2 数据采集卡主要参数要求
图3-22所示为采集卡内部结构，模拟量信号通过多路开关与A-D转换器转为数字信号，并通过光栅隔离经高速FIFO以及USB总线之后进入计算机进行相关数字信号处理。
图3-22 采集卡内部结构
3.软件平台信息流控制
软件平台信息流控制的主要内容包括：信号采集实时反馈和网络交互流程与应用层协议。
（1）信号采集实时反馈 信号采集过程中经常需要对检测信号判断出的缺陷给予外部设备反馈输出，这个反馈输出一般将与缺陷的位置相对应。这个过程如果在服务器端完成，由于网络延时和服务器端处理延时将导致反馈输出不够及时，缺陷位置的确定也将受到影响。因此，信号采集过程中一般在客户端对检测信号立即进行缺陷判断并进行反馈输出，但反馈并不一定是即时输出的，通常会经过一个固定延时后输出，使得布置在检测设备后面的喷枪能对缺陷进行精确标记。常用的延时方式一般有两种，如图3-23所示。
图3-23 信号采集实时反馈示意图
软件延时是在客户端软件中设计一个软件延时器。它可以接收一个队列的延时输出，并根据不同的检测通道和检测规格进行不同的延时。软件延时实现简单，但在检测工作过程中明显加重了客户端负担。
硬件延时的核心是一个延时下位机。延时下位机也维护一个延时队列，它接收客户端经数据采集器数字口发出的信号，包括规格信号、位置信号等，经过延时后向设备输出。硬件延时结构简单、清晰，但增加了系统复杂性并需要占用数据采集器多个数字接口。
（2）网络交互流程与应用层协议 软件平台网络交互流程是实现服务器端对采集系统整体控制、采集信号传输的重要环节，主要包括网络连接、终端注册、服务命令控制、数据传输等几部分。具体的交互流程是：服务器启动，开始监听网络；客户端启动，与服务器建立TCP连接；客户端向服务器注册申请占用通道的范围；服务器向客户端发送更新参数；服务器端发送控制指令；客户端开始工作，向服务器端提供数据或其他信息。
另外，客户端在连接中断后会定时重连，系统在关闭时自动释放连接。图3-24所示为信号采集过程中服务器与某一个客户端网络交互流程示意图，假设采集过程没有人工中断，且所有操作都成功返回。
4.软件平台统一数据接口
软件平台统一数据接口是服务器管理所有客户端上传数据的接口，图3-25所示为软件平台统一数据接口的系统交互示意图。软件平台统一数据接口接收客户端的通道范围注册，并根据网络应用层协议缓存客户端的检测数据。服务器程序首先处理软件平台统一数据接口中的数据，然后进行图形化显示、标定处理、压缩存储以及结果统计等工作。
图3-24 信号采集过程网络交互流程示意图
图3-25 软件平台统一数据接口的系统交互示意图
软件平台统一数据接口由以下几个部分组成：
（1）通道注册器 负责客户端通道范围注册、管理以及数据接收的通道校验。
（2）数据过滤器 负责客户端数据进入服务器前的数据过滤，如在等空间采样中，数据过滤器将实现有效信号的获取，以减小数据统一接口的冗余，并方便数据处理层的二次处理。
（3）数据管理器 负责对客户端的数据按通道缓存，一个最简单的实现即是在内存中使用一个二维数组和一个数据下标数组。另外，数据管理器还需要管理数据循环存储和数据调度。数据循环存储一般发生在一次检测数据已达到软件平台指定数据长度的最大值时，数据管理器根据工作模式和状态决定停止数据采集或清空数据缓存。数据调度发生在需要将一些逻辑相关的数据通道进行整合或拆分时。图3-26所示为软件平台统一数据接口的组成。
图3-26 软件平台统一数据接口的组成
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