CN101532816A - 基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置。该装置通过信号发生器产生激励信号，经过功率放大器放大后为内置GMR和磁钢的激励线圈提供激励信号。基于内置GMR和磁钢的检测线圈检测出涡流信号的大小，经检波电路检波后送入放大电路进行放大。放大电路的输出由基于单片机的数据采集电路采集到计算机中进行处理。该信号与被检测的多层导电材料的厚度有密切关系，经过采用改进BP网络进行反演计算，可得到各层导电材料的厚度。本装置适用于机械、印刷电路板、航空航天和国防等领域的多层导电结构的厚度检测。

Description

基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置。

背景技术

在石油、化工、冶金、造船、PCB生产、航空、航天等领域，需要对各种板材和各种加工零件进行测量，或者对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，测量多层导电材料的厚度，或者检测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。因此，厚度的检测具有极为广阔的应用市场。常用的厚度检测手段主要有超声波测厚、射线测厚、磁性测厚、激光测厚和涡流测厚等方法。超声波测厚的方法受到材料表面粗糙度、耦合剂及温度等因素的影响，一般价格昂贵，测量精度也不高。射线(X射线和β射线等)测厚的方法其装置复杂而昂贵，测量范围较小。因有放射源，使用者必须遵守射线防护规范。磁性测厚的方法一般适用于磁性基体上非磁性镀层的测量。激光测厚的方法易受表面粗糙度及反光强弱的影响，其静态测量精度一般较低。

采用涡流测量厚度是基于电磁感应的原理。交流信号在检测线圈中产生电磁场，检测线圈靠近导体时，就在其中形成涡流。对于涂层的厚度测量而言，检测线圈离导电基体越近，涡流就越大，其振幅和相位是导体与检测线圈之间非导电覆盖层厚度的函数。在测量导体材料的厚度时，涡流信号是导体厚度的函数。通过测量检测线圈输出信号的大小，并将这一信号进行转换处理，即可得到被测涂层的厚度值或者导体材料的厚度。

涡流检测能够无损地测量金属材料的厚度，或者磁性金属基体，如钢、铁、合金和硬磁性钢等材料上非磁性覆盖层(如锌、铝、铬、铜、橡胶、油漆等)的厚度，具有测量范围宽、反应快和精度高等特点。但是，常规的涡流检测仪采用普通线圈作为检测的传感器，它能够解决一些单层厚度的测量以及表层和亚表层缺陷检测等问题，却难以应用于多层材料的厚度或深层缺陷的检测，其主要原因是线圈式传感器对于多层材料的厚度或深层缺陷的敏感性和空间分辨率不够高。采用基于巨磁阻传感器的涡流检测装置，则可以很好地解决多层材料的厚度或深层缺陷的检测问题。

发明内容

本发明提供了一种基于巨磁阻传感器和智能算法的高灵敏度的多层厚度涡流检测装置。

基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置中的单片机系统分别与计算机、液晶显示器、键盘和程控放大器连接，单片机系统与信号发生器、功率放大器、激励线圈依次连接，检测线圈与检波电路和程控放大器依次连接。

所述的信号发生器电路为：AD9833芯片的第1脚通过第四电容接电源VDD，AD9833的第2脚接电源VDD，并通过第一电容接地，AD9833的第3脚通过并联的第二电容和第三电容接地，AD9833的第4脚和第9脚接地，AD9833的第5脚接有源晶振，AD9833的第6脚、第7脚和第8脚通过驱动芯片7407分别接单片机的SCLK、SDA和I/O端，AD9833的第10脚通过第一电阻和第五电容接地，第一电阻另一端通过第二电阻和第六电容接地，激励信号由第二电阻的另一端输出。

所述的程控放大器电路为：LMP8100芯片的第1脚、第9脚和第14脚悬空不接，LMP8100的第2脚、第7脚、第10脚和第11脚接地，LMP8100的第3脚、第4脚和第5脚分别接单片机的I/O1、I/O3和I/O2端，LMP8100的第6脚接下一级放大器，LMP8100第8脚接+5V电源，并通过并联的第一电容和第二电容接地，LMP8100的第12脚接检波电路的输出信号，LMP8100的第13脚通过第一电阻和第三电容接地，第一电阻的另一端通过第二电阻和第四电容接地，放大信号由第二电阻的另一端输出。所述的激励线圈和检测线圈都绕制在巨磁阻芯片和磁钢上。

木发明由于巨磁阻的检测线圈直接测量涡流信号的大小，受激励频率的影响不大，在低频下也有极高的灵敏度，与霍尔、磁通量闸门等磁场传感器相比，巨磁阻传感器具有体积小、成本低、测量范围宽、温度稳定性好、信噪比高、功耗低等优点。

附图说明

图1是基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置的原理框图；

图2是本发明的信号发生原理图；

图3是本发明的程控放大原理图；

图4是本发明的单片机系统的主程序流程图；

图5是本发明的单片机系统采集数据的中断服务程序流程图；

图6是本发明的单片机系统与计算机通信的中断服务程序流程图；

图7是本发明的计算机系统软件程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置中的单片机系统分别与计算机、液晶显示器、键盘和程控放大器连接，单片机系统与信号发生器、功率放大器、激励线圈依次连接，检测线圈与检波电路和程控放大器依次连接。所述的激励线圈和检测线圈都绕制在巨磁阻芯片和磁钢上。

如图2所示，信号发生器电路为：AD9833芯片的第1脚通过第四电容接电源VDD，AD9833的第2脚接电源VDD，并通过第一电容接地，AD9833的第3脚通过并联的第二电容C2和第三电容C3接地，AD9833的第4脚和第9脚接地，AD9833的第5脚接有源晶振OSC，AD9833的第6脚、第7脚和第8脚通过驱动芯片7407分别接单片机的SCLK、SDA和I/O端，AD9833的第10脚通过第一电阻R1和第五电容C5接地，第一电阻R1另一端通过第二电阻R2和第六电容C6接地，激励信号由第二电阻R2的另一端输出。

如图3所示，程控放大器电路为：LMP8100芯片的第1脚、第9脚和第14脚悬空不接，LMP8100的第2脚、第7脚、第10脚和第11脚接地，LMP8100的第3脚、第4脚和第5脚分别接单片机的I/O1、I/O3和I/O2端，LMP8100的第6脚接下一级放大器，LMP8100第8脚接+5V电源，并通过并联的第一电容C1和第二电容C2接地，LMP8100的第12脚接检波电路的输出信号，LMP8100的第13脚通过第一电阻R1和第三电容C3接地，第一电阻R1的另一端通过第二电阻R2和第四电容C4接地，放大信号由第二电阻R2的另一端输出。

本发明采用了基于巨磁阻芯片的高灵敏度、高分辨率的传感器，其放大电路的倍数可以在1～200倍的范围内选择，步长为10。工作频率可在1～10KHz的范围内连续调节，步长为50Hz。本装置适用于机械、印刷电路板、航空航天和国防等领域的多层导电结构的厚度检测。

由于GMR具有非线性和磁滞特性，本发明中通过采用磁钢引入一个偏置磁场，可以显著降低GMR的磁滞和非线性。

在进行测量时，先将传感器放置在被测件的上方，通过单片机系统的键盘设置信号类型、两个不同的激励频率和放大倍数，或者通过计算机进行设置，并确定待检测的层数，然后下载到单片机系统中起动检测。

信号发生器在单片机系统的控制下，先后输出两个不同频率的激励信号，经过功率放大器放大后，驱动内置巨磁阻芯片和磁钢的激励线圈，通过内置巨磁阻芯片和磁钢的检测线圈进行检测。检测线圈的输出信号在检波电路中进行低通滤波，可以有效地抑制噪声，避免功率放大器所引入的噪声的影响，提高信号的信噪比和测量精度。滤波后的信号经过程控放大器放大后，再传送到单片机系统中进行A/D转换。单片机系统采用中断的方式分别采集到在两个激励频率下相应测量结果的数字量，并将数据传送到计算机中进行预处理，然后采用改进BP网络进行反演计算。

在计算机中，首先对采集数据进行预处理。在具体的检测过程中，由于提离(探头底部到被测件表面的距离)的变化、材料属性的差异以及实际生产过程的干扰等因素的影响，采集的数据混有一些噪声信号。本发明中采用离散小波变换强制消噪法，有效地分离提离等干扰信号；采用基于香农熵准则的WPA法，有效地消除高频噪声。

BP网络采用典型的三层网络结构，即由输入层、隐含层和输出层组成。常规的BP网络存在易于陷入局部极小和学习速度慢的问题。本发明中采用变步长的学习速率，在加快学习速度的同时，保证了权值的稳定性；采用加动量项的BP算法，减小了权值的振荡，避免网络陷入局部极小。首先设置合适的初始步长，保证误差有收敛的趋势。经过数次迭代后，误差几乎不再变化，或在某值附近振荡，此时应适当地增大步长。当误差渐进到可接受的程度时，适当减小学习步长，使网络权值趋于最佳。

BP算法的动量改进公式为：

$\mathrm{\Δ}{W}_{\left(k\right)}^m=\mathrm{\β\Δ}{W}_{(k-1)}^m-(1-\mathrm{\β})\mathrm{\η}{S}^m{\left(a^{m-1}\right)}^T---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}{b}_{\left(k\right)}^m=\mathrm{\β\Δ}{b}_{(k-1)}^m-(1-\mathrm{\β})\mathrm{\η}{S}^m---\left(2\right)$

式(1)和式(2)为第m层网络的权值和偏置值的更新公式，其中k为学习历程，W为BP元的更新权值，β为动量系数，η为变动的学习速率，S为BP元的敏感性，a为网络的实际输出矢量，b为偏置值。使用动量项后，算法可以在减小振荡维持稳定的前提下使用更高的学习速度，而且当权值和偏置值的运动轨迹进入某个一致的方向后可以加速收敛。

根据预处理后得到的双频测量数据，调用数据库中标准样件的实测数据，采用改进BP算法进行反演计算，就能得出被测件的待检测参数。

Claims (4)

1.一种基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置，其特征在于，单片机系统分别与计算机、液晶显示器、键盘和程控放大器连接，单片机系统与信号发生器、功率放大器、激励线圈依次连接，检测线圈与检波电路和程控放大器依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置，其特征在于，所述的信号发生器电路为：AD9833芯片的第1脚通过第四电容接电源VDD，AD9833的第2脚接电源VDD，并通过第一电容接地，AD9833的第3脚通过并联的第二电容(C2)和第三电容(C3)接地，AD9833的第4脚和第9脚接地，AD9833的第5脚接有源晶振(OSC)，AD9833的第6脚、第7脚和第8脚通过驱动芯片7407分别接单片机的SCLK、SDA和I/O端，AD9833的第10脚通过第一电阻(R1)和第五电容(C5)接地，第一电阻(R1)另一端通过第二电阻(R2)和第六电容(C6)接地，激励信号由第二电阻(R2)的另一端输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置，其特征在于，所述的程控放大器电路为：LMP8100芯片的第1脚、第9脚和第14脚悬空不接，LMP8100的第2脚、第7脚、第10脚和第11脚接地，LMP8100的第3脚、第4脚和第5脚分别接单片机的I/O1、I/O3和I/O2端，LMP8100的第6脚接下一级放大器，LMP8100第8脚接+5V电源，并通过并联的第一电容(C1)和第二电容(C2)接地，LMP8100的第12脚接检波电路的输出信号，LMP8100的第13脚通过第一电阻(R1)和第三电容(C3)接地，第一电阻(R1)的另一端通过第二电阻(R2)和第四电容(C4)接地，放大信号由第二电阻(R2)的另一端输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置，其特征在于，所述的激励线圈和检测线圈都绕制在巨磁阻芯片和磁钢上。

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