CN101178385B - 基于应变片的电涡流无损检测系统 - Google Patents

基于应变片的电涡流无损检测系统 Download PDF

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Abstract

一种基于应变片的电涡流无损检测系统，属于无损检测领域。该检测系统包括信号发生器(1)、功率放大电路(2)、激励线圈(3)、霍尔传感器(4)、信号放大电路(5)、应变片(6)、磁敏传感器(7)、放大电路(8)、数据采集卡(9)、PC机(10)、报警电路(11)。本检测系统利用磁敏传感器检测应变片上磁场的变化来检测应力的大小，并结合霍尔传感器采集的电涡流信号，均送入PC机中，PC机记录数据并以文件的形式存入，然后对数据进行处理，最后以图形的形式显示缺陷的形状和大小、被测试件的应力及残余应力的大小。该检测系统还可长期可靠工作、灵敏度高、抗干扰能力强、响应速度快、不受油水等介质的影响。

Description

基于应变片的电涡流无损检测系统
技术领域：本发明属于无损检测领域，尤其涉及利用应变片、电涡流传感器进行无损检测的方法。
背景技术：涡流无损检测技术是飞机结构无损评估的一种重要方法。随着服役时间的增加，飞机极易在结构内部产生小裂纹、层状结构第二层之后和紧固件周围产生裂纹，这些缺陷的存在使得飞机结构遭到了严重的破坏，造成飞机的维护成本逐年上升。及时发现缺陷并对缺陷进行定量评估对于确保飞机安全运行具有非常重要的意义，但对于飞机多层结构中的检测问题至今并未得到真正解决。传统涡流采用单一频率的正弦波激励，当缺陷的深度变化时，需随之改变激励频率以达到最佳的测试效果，因此不便于使用。多频涡流由于需要多个检测通道，对系统要求较高。同时，无论单频还是多频涡流，都对测试信号采用稳态分析的方法，使得信号在时域的一些重要信息被忽略。脉冲涡流是近几年发展起来的一种新的无损检测方法，可以用来对表面和近表面裂纹进行定量检测。由于脉冲涡流的频谱很宽，因此只需一次扫描就可以检测出被测试件上不同深度的裂纹。
发明内容：基于应变片的电涡流无损检测系统，同时可以利用交流电源为应变片电桥供电，由于任何一种通电导体中都会有电感，而应变片又对应力的变化非常敏感，因而可以利用磁敏传感器检测应变片上磁场的变化来检测应力的大小，而应变片的粘贴又具有一定的方向性，因而应用该方法不仅可以检测到应力的大小，还可以判断应力的方向。因此该系统可以定量检测出飞机结构不同深度的裂纹，同时可以检测出飞机材料的应力及残余应力，可以及早对飞机结构进行预测。本发明是为了解决现在利用单频或多频涡流对测试信号采用稳态分析的方法，使得信号在时域的一些重要信息被忽略，另外不能对飞机结构的状态做出尽早的预测，而提出一种利用应变片传感器和脉冲涡流传感器进行无损检测的系统：该系统是通过信号发生器产生脉冲信号，经功率放大器放大来驱动激励线圈，通过霍尔传感器检测缺陷信号，并对该信号放大进入数据采集卡；同时，应变片为差动式结构，利用交流电源为应变片供电，磁敏传感器放置在应变片中间，利用磁敏传感器检测应变片上磁场的变化；磁敏传感器的输出信号和霍尔传感器的输出信号分别经过电路放大，放大后的信号进入数据采集卡。然后利用PC机强大的数据处理能力对上述信号进行记录并进行处理。
本系统包括信号发生器、功率放大电路、激励线圈、霍尔传感器、信号放大电路、应变片、磁敏传感器、放大电路、数据采集卡、PC机、报警装置，其中信号发生器的输出连于功率放大电路的输入，功率放大电路的输出连于绕制在铁芯上的激励线圈，霍尔传感器置于激励线圈中间，与激励线圈和铁芯组成探头置于被测试件上，霍尔传感器的输出经信号放大电路连于数据采集卡的输入；所述应变片为两片，两片应变片按感受应力的方向粘帖在被测试件上、下两侧面或者前、后两侧面，两片应变片连于磁敏传感器的输入，磁敏传感器的输出经放大电路连于数据采集卡的输入，数据采集卡的输出连于PC机的输入，PC机的输出连于报警装置。
本系统的工作原理和工作过程：A、信号发生器产生一定频率的脉冲电压，该电压经过功率放大器驱动激励线圈，利用涡流的检测原理，施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播，假如有裂纹缺陷存在，势必使得磁感应强度B发生变化，由于脉冲包含很宽的频谱，磁感应强度变化量就包含有关裂纹的重要信息；B、霍尔传感器拾取该信号，将该信号放大；C、数据采集卡采集放大后的信号，进入PC机；D、PC机将该信号以文件的形式保存起来；E、对记录的数据进行处理，以图形坐标的方式显示出来，缺陷信号的形状、大小都能很容易的在计算机上读出。同样，两片应变片按感受应力方向粘帖在被测材料的两面，通以交流电源，在应变片上就会产生一定的磁场，磁敏传感器放置在两片应变片中间，用以拾取被测试件的应力及残余应力信号，将此信号进行放大，进入数据采集卡，可以将被测试件的应力及残余应力大小在PC机上存储并显示出来，可以很方便的对被测试件进行判断，试件的隐藏深度信息被发现，可以对试件进行早期诊断。PC机可以记录十个到数千个字节的信号，通过对数据文件中的数据作相应的数据处理后，可以以图形曲线的方式显示出缺陷形状、大小、应力及残余应力分布大小，并能对被测试件做出早期的诊断。如果试件上有缺陷或应力、或残余应力，PC机就会发出指令，相应的报警装置就会发出强烈的报警信号，提醒工作人员注意。
附图说明：图1是本发明的基于应变片的电涡流无损检测系统的原理框图；图2是功率放大电路原理图；图3是信号放大电路原理图。图1中的标号名称：1信号发生器、2功率放大电路、3激励线圈、4霍尔传感器、5信号放大电路、6应变片、7磁敏传感器、8放大电路、9数据采集卡、10PC机、11报警装置。
具体实施方式：基于应变片的电涡流无损检测系统如图1所示，它是通过信号发生器1产生脉冲电压，经过功率放大器2放大驱动激励线圈3，然后通过霍尔传感器4检测信号，经过放大器5信号调理，信号通过数据采集卡9进入PC机10；同时差动式应变片6检测被测试件的应力及残余应力信号，磁敏传感器7拾取该信号，通过放大器8信号调理，信号通过数据采集卡9进入PC机10。PC10机对上所述信号进行数据记录并处理。
具体工作过程为：A、信号发生器产生一定频率的脉冲电压，该电压经过功率放大器驱动激励线圈；B、霍尔传感器拾取缺陷信号；C、缺陷信号经过放大器信号调理；D、数据采集卡采集此信号，进入PC机；E、PC机记录数据并进行处理，以图形坐标的形式显示出来。同时应变片按感受应力方向粘帖在被测材料的两面，通以交流电，磁敏传感器放置在应变片中间，将被测试件的应力及残余应力信号通过放大器信号条理，数据采集卡采集后，也进入PC机，PC机记录数据并进行处理，以图形形式显示应力及残余应力大小。如果检测到试件上有缺陷或应力、或残余应力，PC机就会发出指令，相应的报警装置就会发出强烈的报警信号，提醒工作人员注意。亦即：
(1)信号发生器产生一定频率的脉冲电压，通过功率放大器驱动激励线圈，激励线圈会感应出脉冲涡流在被测试件中传播，假如有缺陷存在，就会使得磁感应强度B发生变化。
(2)用霍尔传感器将上述信号接收后送放大器放大，放大器增益在1分贝到1000分贝之间。激励线圈的线径在0.1毫米左右，匝数在150匝到300匝。线圈匝数、线径与探头结构有关，而探头是根据被测试件的结构及测量部位设计的。
(3)数据采集卡采集放大器放大后的信号后，进入PC机，PC机记录数据并以文件的形式存入，然后对数据进行处理，最后以图形的形式显示缺陷的形状、大小。数据采集的长度可预先设定。
同时，两片应变片按感受应力方向粘帖在被测试件的两面，通以交流电源，磁敏传感器放置在应变片中间，将被测试件的应力及残余应力大小信号通过放大器放大，经过数据采集卡，进入到PC机，同样PC机记录数据并以文件的形式存入，然后对数据进行处理，最后以图形的形式显示应力及残余应力的大小。电涡流和应变片传感器同时工作，PC机同时处理数据。
图1中信号发生器1的频率可以在2~100MHz的范围内，功率放大电路2如图2所示，功率放大器芯片有五个引脚，一号、二号引脚为信号输入端，三号引脚接负电压、五号引脚接正电压，四号引脚输出功率放大后的信号。功率放大后的信号与激励线圈3两个输入端相接，用于驱动激励线圈。霍尔传感器4接收变化的电压信号，该电压信号经过信号放大电路5输出，如图3所示。数据采集卡9采集此信号，最后进入PC机10。应变片6用于检测被测试件的应力及残余应力的大小，磁敏传感器7拾取该信号经过放大电路8放大，数据采集卡9采集此信号，最后也进入PC机10。PC机10记录数据并以文件的形式存入，然后对数据进行处理，最后以图形的形式显示缺陷的形状和大小、被测试件的应力及残余应力的大小。报警装置为11，当系统检测到被测试件上有缺陷或应力或残余应力信号时，PC机10就会发出指令，相应的报警装置11就会发出强烈的报警信号，以提醒工作人员注意。
电路工作原理如下：当通电之后，计算机运行专为本系统编写的程序，点击计算机程序开始按钮后，系统开始工作。信号发生器1产生一定频率的方波电压，经过功率放大电路2驱动激励线圈3，通过线圈3中产生的瞬时电流在被测试件上感应出瞬时涡流，并与快速衰减的磁脉冲一并在材料中传播，形成一个衰减的感应场，霍尔传感器4则检测出一系列电压——时间信号，该信号通过信号放大电路5放大输出，数据采集卡9采集此信号，传送给PC机10。数据采集卡9是一个多通道采集卡，采样频率最高可达到2MHz。同时，应变片6通以交流电，将在被测试件上产生一个应力或残余应力信号，磁敏传感器7拾取该信号，通过信号放大电路8放大后传送给数据采集卡9采集，最后将信号送入PC机10中，PC机10记录数据并以文件的形式存入，然后对数据进行处理，最后以图形的形式显示缺陷的形状和大小、被测试件的应力及残余应力的大小。当系统检测到被测试件有缺陷或应力或残余应力存在时，PC机10就会发出指令，相应的报警装置11就会发出强烈的报警信号，以提醒工作人员注意。

Claims (1)

1.一种基于应变片的电涡流无损检测系统，包括信号发生器(1)、功率放大电路(2)、激励线圈(3)、霍尔传感器(4)、信号放大电路(5)、应变片(6)、磁敏传感器(7)、放大电路(8)、数据采集卡(9)、PC机(10)、报警装置(11)，其中信号发生器(1)的输出连于功率放大电路(2)的输入，功率放大电路(2)的输出连于绕制在铁芯上的激励线圈(3)，霍尔传感器(4)置于激励线圈(3)中间，霍尔传感器(4)与激励线圈(3)和铁芯组成探头置于被测试件上，霍尔传感器(4)的输出经信号放大电路(5)连于数据采集卡(9)的输入；所述应变片(6)为两片，磁敏传感器(7)放置在两片应变片中间，两片应变片按感受应力的方向粘帖在被测试件上、下两侧面或者前、后两侧面，两片应变片连于磁敏传感器(7)的输入，磁敏传感器(7)的输出经放大电路(8)连于数据采集卡(9)的输入，数据采集卡的输出连PC机(10)的输入，PC机(10)的输出连于报警装置(11)。
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