CN101718735A - 一种基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统，包括亥姆霍兹线圈、检测线圈、抵消电路、锁相放大器、控制器及电源模块，其中：由亥姆霍兹线圈产生的时变均匀磁场；在磁场内设置一个或绕被测物体环形间隔布置的若干能切割磁力线的检测线圈；分时连续测量不同方向的感应电压，通过移相电路及调幅等电路的处理，将相位和幅值信号送给上位机。本发明由于激励磁场由亥姆霍兹线圈产生，提高了磁场强度和均匀度，有利于提高系统的灵敏度和测量深度，定位性好、分辨率高；用一个激励多个检测，有利于提高激励磁场的稳定性，减小温度对系统的影响；在每路检测信号的前置电路中加入移相电路和调幅电路，有利于增加信息提取量，提高测量精度。

Description

一种基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统

技术领域

本发明涉及电导率的测量技术，具体是一种可用于医学影像诊断或工业探伤的基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统。

技术背景

检测产品技术的好坏和物体内部的异常变化有很多方法，但归纳起来不外乎是二大类：其一是破坏法，其二是无损检测法。破坏法即是破开被检对象，检查其内部或表面质量的方法。虽然这种方法准确性很高，比较直观；但是在大多数情况下是行不通的：进行生产制造的目的，就是为了得到成品，不可能为了检查其质量的好坏，就做一个破坏一个；大部分被测物体不允许分解和破坏，如人体病变组织。

为了得到合格的成品和无创的检测，就必须谋求与破坏法完全相反的方法，这就是无损检测法。无损检测技术广义来讲，是指在不损坏被检对象的前提下，测定其有关参数的技术及其方法。例如：测量温度、压力粘度、流速、磁场强度等都属于无损检测范畴。无损检测技术(NondestructiveDetermination Technology，简称NDT)是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件、生物组织等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。

在被测物体内部电导率分布不同时，可以通过不同电导率诱导的涡流强度不同的机理，检测涡流产生的磁场强度对应不同电导率分布。涡流检测是利用电磁感应原理，通过测定被物体内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法。当线圈流过高频交变电流时会在其中产生交变磁场，如果该磁场靠近有电导率的物体，则在物体中能感应出电流，简称涡流。涡流的大小与物体的导电性、导磁性、几何尺寸及其中的缺陷形态有关。涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流的大小，其方向与线圈电流磁场相反，通过检测线圈将涡流磁场转换成电压信号。

现有的测量系统激励系统采用单边的一个激励线圈，磁场强度很快衰减，导致灵敏度不高，测量深度浅；磁场不均匀，导致定位、分辨率受限制。

发明的内容

本发明的目的是提供一种精度高、定位好、分辨率高及测量深度比较深的基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统。

为实现上述目的而采用的技术方案是这样的，即一种基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统，包括：亥姆霍兹线圈、检测线圈、抵消电路、锁相放大器、控制器及电源，其中：

1)、由亥姆霍兹线圈建立时变均匀磁场B；

2)、在上述时变均匀磁场内设置一个或绕被测物体环形间隔布置的若干能切割磁力线的检测线圈；

3)、由锁相放大器的OSC输出端输出的正弦信号，信号经过功率放大器向亥姆霍兹线圈提供激励电流；

4)、上述检测线圈的输出信号分别通过前置信号处理幅模块与多路选择器连接；所述前置信号处理幅模块由差分放大器I、调整幅值I和移相电路串联构成；多路选择器接收来自控制器的控制信号，其当前信号输出端与抵消电路模块的检测信号输入端连接；所述亥姆霍兹线圈的另一端通过采样电阻接地，采样电阻产生的电压通过输出端与所述抵消电路模块的基准信号输入端连接；抵消电路模块的正弦信号输出端连接锁相放大器的信号输入端。

5)、所述控制器通过RS232接口与锁相放大器的RS232接口进行数据交换，控制器通过IO口向多路选择器提供控制信号，其中每个传感器通道具有唯一的编码；控制器通过USB接口与上位机进行数据交换，将包括通道序号，信号幅值及信号相位的数据传给上位机。

上述电源模块输入市电，输出三组直流电源，其中+5V地线-5V这组给前置信号处理幅模块、多路选择器及抵消电路模块供电；+15V地线-15V这组给功率放大器供电；+5V地线这组给控制器供电。锁相放大器的供电由市电提供。

上述系统的工作原理是：本发明中激励线圈采用亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈是由两个完全相同的薄平行线圈组成，两线圈之间的距离与线圈的半径相等，线圈串联顺接。如果亥姆霍兹线圈中有交变电流通过，在两线圈间产生交变的均匀磁场，使测量腔内的磁场强度和方向都比较一致，物体放于线圈的腔内，多个线圈间隔(等间距)的围绕被测物周围(或单个线圈贴在被测物体表面)，在亥姆霍兹线圈产生的激励磁场下，分时连续测量不同方向的感应电压，再将其测量的信号相位和幅值送给上位机。

本发明由于所述结构而产生的技术效果是显著的：

(1)激励磁场由亥姆霍兹线圈产生，提高了磁场强度和均匀度，提高了系统的精度、定位好、分辨率高灵敏度和测量深度。

(2)用一个激励多个检测，更有利于提高激励磁场的稳定性，减小温度对系统的影响。

(3)在每路检测信号的前置电路中，加入移相电路和调幅电路，更有利于增加信息提取量，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明中激励、检测、物体的相对位置示意图，其中：(a)为侧视图，(b)为俯视图；图中1-亥姆霍兹线圈，2-被测物体；3-被测物体中的异物(如损伤、裂缝、病变等)；4-检测线圈。

图2本发明结构示意图，其中1-亥姆霍兹线圈，4-检测线圈；5-前置信号处理幅模块；6-多路选择器；7-抵消电路模块；8-抵消电路模块；9-锁相放大器；10-控制器；11-电源模块。

图3为前置信号处理模块示意图。

图4为抵消电路模块示意图。

图5为系统工作流程示意图。

图6为传统系统激励磁场在中心轴的分布图。

图7本发明激励磁场在中心轴的分布图。

具体实施方式

实施例1系统的具体构建

参见附图2：本发明包括亥姆霍兹线圈1、检测线圈4、抵消电路、锁相放大器、控制器及电源，其中：

1)、由亥姆霍兹线圈1构建时变均匀磁场B，在实施例中亥姆霍兹线圈1的参数：电感量67uH、直流阻抗234.8mΩ和分布电容3.7pF；

2)、在上述均匀磁场内设置单个或环形间隔布置的若干能切割磁力线的检测线圈4；若干个线圈，其线圈围绕环形布置，线圈的间距可以根据不同分辨调整不同的间距，如果要定位物体损伤位置，则要将若干个线圈布置在物体周围，线圈越多，其定位效果越好；如只需要检测物体有无裂缝，可以在0°、90°、180°、270°四个位置布置四个线圈；如只需要检测物体某一面有无异常，则可以在物体表面布置一个线圈。单个测量传感器由PCB板设计的平面螺旋线圈，其中PCB设计的线圈一致性较好，参数相对均匀，易于加工。

3)、由锁相放大器9(采用Signal Recovery公司的数字锁相放大器7280)的OSC输出端输出的正弦信号(本发明中用的是200kHz)，信号经过功率放大器8(采用APEX公司的PA09芯片)向亥姆霍兹线圈1提供激励电流，其电流峰峰值从100mA～5A可调，其中功率放大器8驱动亥姆霍兹线圈1采用了串联谐振方式。

4)、上述检测线圈4的输出信号分别通过前置信号处理幅模块5与多路选择器6连接；所述前置信号处理幅模块5由差分放大器I、调整幅值I和移相电路串联构成；多路选择器6接收来自控制器10的控制信号，其当前信号输出端与抵消电路模块7的检测信号输入端连接；所述亥姆霍兹线圈1的另一端通过采样电阻接地，采样电阻产生的电压通过输出端与所述抵消电路模块7的基准信号输入端连接；抵消电路模块7的正弦信号输出端连接锁相放大器9的信号输入端。

参见图3所述前置信号处理幅模块5由差分放大器I、调整幅值I和移相电路串联构成。传感器的两端分别连接到差分放大器I的In+和In-输入端，差分放大器I提取出差模信号；差分放大器I的输出连接到调整幅值I的输入，通过调整幅值I对信号的幅值进行调整；调整幅值I的输出连接到相移电路的输入，再由相移电路对信号的相位进行调整，得到模块的输出信号。其中差分放大器I用的TI公司的差分运放INA106；调整幅值I运用ADI公司的AD806芯片；移相电路运用ADI公司的AD712芯片。

参见图4所述抵消电路模块7由差分放大器II、调整幅值II、调整幅值III和滤波电路串联构成。基准信号和测量信号分别从基准信号输入端和测量信号输入端输入，通过调整幅值II和调整幅值III调整两路信号的幅值；调整幅值II和调整幅值III的输出分别接差分放大器II的两个输入端，通过差分放大器II进行相减；差分放大器II的输出连接到滤波电路的输入，再由滤波电路对信号滤波处理，得到模块的输出信号。其中调整幅值II和调整幅值III都运用ADI公司的AD806芯片；差分放大器II用的TI公司的差分运放INA106；滤波器运用ADI公司的AD712芯片。

5)、所述控制器10通过RS232接口与锁相放大器9的RS232接口进行数据交换，控制器10通过IO口向多路选择器6提供控制信号，其中每个传感器通道有唯一的编码；控制器10通过USB接口与上位机进行数据交换，将数据(通道序号，信号幅值、信号相位)传给上位机。控制器用Silicon Labs公司的C8051F034(自带有USB模块)和TI公司的MAX3232做RS232通信的电平转化，多路多路选择器6运用Philips公司的HC4094芯片和MAXIM公司的MAX4051A芯片。

参见流程图5，设检测线圈的个数n，系统上电，控制器10等待10分钟，将系统预热；将线圈位置数初始化，控制器10通过发送编码，让多路选择器6把当前线圈位置数相对应的通道打开，然后进入延时等待调零，延时结束线圈位置数加一，判断当前线圈位置的数是否大于n。如果不大于，返回等待对当前探头调零；如果大于，初始化调零结束。等待放入被测物体，将线圈位置数初始化，控制器10通过发送编码，让多路选择器6把当前线圈位置数相对应的通道打开，然后进入延时(让数据稳定)，通过RS232向锁相放大器9发命令，请求读取当前通道信号的幅值和相位，通过RS232接收来自相放大器9得数据，保存数据和当前的线圈序号。线圈位置数加一，判断当前线圈位置的数是否大于n。如果不大于，返回将通道数的编码发给多路选择器6，继续读数据；如果大于，所有通道的数据读取完毕，将每个通道的序号和对应的幅值和相位打包，通过USB接口与上位机进行数据交换将数据传给上位机。

实施例2传统系统和本发明激励磁场的对比

参见附图6，这是传统系统单边激励线圈的磁场分布图，其初始点的磁场强度0.0003T；在距离10mm的地方磁场强度为0.00008T；在距离20mm的地方磁场强度为0.00002T；在距离25mm的地方磁场已经接近零了。可以看出传统系统的有效测量距离比较浅，磁场衰减十分快，10mm以下的磁场就很弱了。

参见附图7，本发明亥姆霍兹线圈1产生的激励磁场在中心轴的分布图，其初始点的磁场强度0.000166T；在距离10mm的地方磁场强度为0.000172T；在距离20mm的地方磁场强度为0.000174T；在距离60mm的地方磁场强度为0.000176T；在距离100mm的地方磁场强度为0.000168T。在整个100mm的距离上磁场强度的最大摆动为0.000012T；如用20mm～80mm的距离作为测量腔，其摆动仅为0.000002T；显而易见，本发明的激励磁场平均强度强，场分布均匀，测量深度深。

Claims (4)

1.一种基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统，包括：亥姆霍兹线圈(1)、检测线圈(4)、抵消电路、锁相放大器、控制器及电源模块，其中：

1)、由亥姆霍兹线圈(1)建立时变均匀磁场(B)；

2)、在上述时变均匀磁场内设置一个或绕被测物体环形间隔布置的若干能切割磁力线的检测线圈(4)；

3)、由锁相放大器(9)的OSC输出端输出的正弦信号，信号经过功率放大器(8)向亥姆霍兹线圈(1)提供激励电流；

4)、上述检测线圈(4)的输出信号分别通过前置信号处理幅模块(5)与多路选择器(6)连接；所述前置信号处理幅模块(5)由差分放大器I、调整幅值I和移相电路串联构成；多路选择器(6)接收来自控制器(10)的控制信号，其当前信号输出端与抵消电路模块(7)的检测信号输入端连接；所述亥姆霍兹线圈(1)的另一端通过采样电阻接地，采样电阻产生的电压通过其电压输出端与所述抵消电路模块(7)的基准信号输入端连接；抵消电路模块(7)的正弦信号输出端连接锁相放大器(9)的信号输入端；

5)、所述控制器(10)通过RS232接口与锁相放大器(9)的RS232接口进行数据交换，控制器(10)通过IO口向多路选择器(6)提供控制信号，其中每个传感器通道具有唯一的编码；控制器(10)通过USB接口与上位机进行数据交换，将包括通道序号，信号幅值及信号相位的数据传给上位机。

2.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统，其特征是：所述前置信号处理幅模块(5)由差分放大器I、调整幅值I和移相电路串联构成。传感器的两端分别连接到差分放大器I的In+和In-输入端，差分放大器I提取出差模信号；差分放大器I的输出连接到调整幅值I的输入，通过调整幅值I对信号的幅值进行调整；调整幅值I的输出连接到相移电路的输入，再由相移电路对信号的相位进行调整，得到模块的输出信号。

3.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统，其特征是：所述抵消电路模块(7)由差分放大器II、调整幅值II、调整幅值III和滤波电路串联构成。基准信号和测量信号分别从基准信号输入端和测量信号输入端输入，通过调整幅值II和调整幅值III调整两路信号的幅值，通过差分放大器II进行相减，再由滤波电路对信号滤波处理。

4.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹线圈的电导率无损测量系统，其特征是：所述电源模块(11)输入市电，输出三组直流电源，其中+5V地线-5V这组给前置信号处理幅模块(5)、多路选择器(6)及抵消电路模块(7)供电；+15V地线-15V这组给功率放大器(8)供电；+5V地线这组给控制器(10)供电。锁相放大器(9)的供电由市电提供。

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