CN102353721A - 一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统，由激振与检振器结构和控制系统两部分组成；激振与检振器结构包括偏置线圈、激励线圈、检振线圈、线圈骨架、顶座、过线孔、电源模块、外设接口、激振检振控制模块、外壳、超磁致伸缩棒、固定弹簧、预压弹簧、端盖及冲击杆；主要特点是将激振检振一体化，偏置线圈、激励线圈分别为超磁致伸缩棒提供偏执磁场和激励磁场；顶座与外壳之间安装激振检振控制模块与电源模块；冲击杆与端盖之间通过预压弹簧形成悬架结构，端盖用螺纹连接外壳；本发明减少检测设备的数量、使用灵活和便于携带，测试交变应力范围大，灵敏度和响应快，检测精度高。

Description

一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统

技术领域

本发明属于无损检测和工程检测技术领域，具体来说是涉及一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统。

背景技术

弹性波层析成像技术又称为弹性波CT技术，可分为声波CT和地震波CT。该技术是利用弹性波在正常材料和缺陷(如蜂窝、不密实、离析或架空等)中传播速度(主要指纵波速度)的差异，通过走时数据的拾取和计算机反演成像技术来重建介质的速度分布图像，进而直观地再现介质内部的精细结构。随着电子及计算机技术的不断发展，弹性波层析成像技术也在不断成熟和完善，作为一门新颖的检测技术，与常规波速测定相比，具有较高的分辨率，更有利全面细致的对被测物进行质量评价，为波速成像开拓了新的路径，在混凝土厚度及内部缺陷检测、油气输送管道泄漏、锚杆锚固质量检测，木材弹性模量及缺陷检测以及岩溶勘查、采空区探测等工程物探中发挥着越来越重要的作用，并取得了显著的效果。

该技术使用不同数量的激振器和检振器，同一时刻单个激振器激发，所有检振器接受，形成一发多收的扇形透射，经过不同位置的激振器激发，所有检振器接受，将在被测区域形成致密的射线交叉网络。按照激发与接收时间互换原理，每条射线弹性波旅行时间将被唯一确定，射线通过异常体时，将产生时间旅行差，当多条致密交叉射线通过异常体时，就会对异常体的空间位置进行唯一确定，然后再根据射线的疏密程度及成像精度的要求，在施测范围内划分若干规则的成像单元，实现透视空间离散化，可认为每个成像单元的介质是均匀的，波速是单一的，通过对诸多成像单元波速的数学物理反演计算，可获得异常体波速的展布形态。

在弹性波检测中，产生振源的激振器和拾取弹性波的检波器是实现有效检测的关键。传统的激振器一般是用手锤或力棒敲击作为振源，但是这种方法力度不好把握，频率也往往达不到要求。液压式激振器价格较贵，体积较大。压电式激振器中的压电材料存在应变小、能量低的问题。目前，本技术领域中存在不足和问题是：

(1)在弹性波CT检测时需要多个激振器、检振器才能将被测材料的整个速度场进行层析成像，因此利用传统分离式的激振、检振装置进行弹性波CT检测时，必然存在检测设备数量多、检测成本高的问题。

(2)激振/检振器的控制部分独立于激振、检振器，整个检测过程采用以计算机作为控制核心的有线控制方式，在检测中，需要利用电缆将计算机与控制装置、多个激振器、多个检振器连接，因此，存在安装复杂、电缆布设成本高的问题。

(3)目前弹性波CT检测采用单个激振器瞬时激振，所有检振器同时检振的方法，虽然这种检测方式简单、易行，但由于激振产生的瞬时弹性波频率、幅度、相位等信息未知，再经存在缺陷的材料中传播时，出现波的折射、反射、衍射等现象，造成检振器检测的弹性波信号在进行信号处理时难度较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种结构紧凑，制造和使用成本低，便携性能好，更便于操作和使用，提高检测工作效率的基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统，由激振与检振器结构和控制系统两部分组成。所述激振与检振器结构包括偏置线圈1、激励线圈2、检振线圈3、线圈骨架4、顶座5、电源开关6、过线孔7、电源模块8、激振检振控制模块的外设接口9、激振检振控制模块10、外壳11、超磁致伸缩棒12、固定弹簧13、预压弹簧14、端盖15及冲击杆16；其特征是：所述线圈骨架、顶座用螺钉与外壳连接；线圈骨架上绕有检振线圈、偏置线圈和激励线圈；其中：偏置线圈、激励线圈分别为超磁致伸缩棒提供偏执磁场和激励磁场；所述顶座与外壳之间安装激振检振控制模块与电源模块；所述超磁致伸缩棒连接在冲击杆的定位槽中，冲击杆与端盖之间装预压弹簧，冲击杆与线圈骨架之间装固定弹簧，并且冲击杆与端盖之间通过预压弹簧形成悬架结构；所述端盖用螺纹连接外壳；所述激振检振控制模块通过过线孔将信号线与检振线圈、激励线圈相连；所述电源模块的电源线同样通过线圈骨架和上顶杆的过线孔与偏置线圈相连，并直接为偏置线圈供直流电。

所述激振与检振器控制系统包括两个部分激振检振控制电路27和外部的电脑28；其中：所述激振检振控制电路包括检振线圈3、限幅器17、适配放大器18、模拟数字转换器19、记忆单元20、无线传输模块22、微处理器单元23、数字模拟转换器24、功率放大器25、激励线圈2及现场总线通信模块21；所述微处理器单元经数字模拟转换器、功率放大器与激励线圈相接，并将微处理器单元的输出控制信号经功率放大后给激励线圈；所述微处理器单元经模拟数字转换器、适配放大器及限幅器与检振线圈相接；并由检振线圈采集到检测信号经限幅、适配放大和模拟数字转换后输入微处理器单元；所述微处理器单元还连接记忆单元、现场总线通信模块及无线传输模块；

所述外设接口9是现场总线通信模块的外设接口，外设接口与电脑等控制设备挂接在现场总线上；

所述电源模块(8)为限幅器、适配放大器、模拟数字转换器、微处理器单元、记忆单元、现场总线通信模块、无线传输模块、数字模拟转换器、功率放大器的提供电源，并且与偏置线圈相连并直接为偏置线圈供直流电。

所述无线传输模块由激振检振控制电路的无线收发模块和电脑的无线收发模块组成。

本发明与现有技术比较，其突出的实质性特点和显著的优点是：

(1)本发明将激振与检振器结构进行了集成，这样可以大大减少检测设备的数量、降低检测成本，同时与现有分离的激振、检振器技术相比，在灵活性和便携性上具有较大的突破。

(2)本发明将激振、检振控制系统与激振、检振结构一体化、利用无线、有线两种方式与计算机进行数据、指令的通信，当进行大功率激振时，采用有线方式连接，利用现场总线进行外部供电同时实现与计算机的有线通信，当进行正常小功率激振、检振时，采用无线方式通信，这样在检测过程中就大大减小了电缆布设费用、降低了安装的复杂度。与传统的检测系统相比，可以显著提高检测系统的自动化程度。

(3)本发明可控振源的激振器，即激振产生的弹性波信号的频率、方式、相位等信息已知，因此在处理检振器拾取的弹性波信号时，这些信息就为弹性波信号处理提供了可靠的参考标准，大大降低了信号处理的难度，提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制系统原理框图。

图3为本发明的控制系统流程图。

图中：偏置线圈1、激励线圈2、检振线圈3、线圈骨架4、顶座5、电源开关6、过线孔7、电源模块8、外设接口9、激振与检振控制模块10、外壳11、超磁致伸缩棒12、固定弹簧13、预压弹簧14、端盖15和冲击杆16。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的技术方案。

本发明一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统由激振与检振器结构和控制系统两部分组成。其中：

1、激振与检振器结构

图1所示，激振与检振器结构，它包括偏置线圈1、激励线圈2、检振线圈3、线圈骨架4、顶座5、电源开关6、过线孔7、电源模块8、外设接口9、激振检振控制模块(即激振检振控制电路板)10、外壳11、超磁致伸缩棒12、固定弹簧13、预压弹簧14、端盖15和冲击杆16；所述线圈骨架4、顶座5用螺钉与外壳11连接；线圈骨架4上绕有偏置线圈1、激励线圈2和检振线圈3；其中：所述顶座5与外壳11之间安装激振检振控制模块10与电源模块(电池)8；所述超磁致伸缩棒12连接在冲击杆16的定位槽中，冲击杆与端盖之间装预压弹簧14，冲击杆16与线圈骨架之间装固定弹簧13，并且冲击杆16与端盖之间通过预压弹簧形成悬架结构；所述端盖15用螺纹连接外壳11，并可用来调节冲击杆16对超磁致伸缩棒12预压力大小；所述激振检振控制模块10通过过线孔7将信号线与检振线圈、激励线圈相连。所述外设接口9(可采用航空接头)与控制系统的电脑等外部设备挂接在同一条现场总线上。

偏置线圈1、激励线圈2分别为超磁致伸缩棒提供偏置磁场和激励磁场。所述电源模块的电源线同样通过线圈骨架和上顶杆的过线孔与偏置线圈相连，并直接为偏置线圈供直流电。用偏置线圈产生偏置磁场，用激励线圈产生交变磁场。通过调节线圈中流过的电流即可方便地调节偏置磁场和驱动磁场的大小。超磁致伸缩棒在方向相反的磁场作用下，应变方向不会改变，因此若仅加一个交变磁场，超磁致伸缩棒的机械运动频率将为交变磁场的两倍，这种现象称为“倍频”效应。为了使超磁致伸缩棒机械运动的频率等于交变磁场的频率，避免“倍频”现象，就必须再加一个称为偏置磁场的直流磁场。

激励线圈2使超磁致伸缩棒产生激振动作，其原理是磁致伸缩效应(焦耳效应)，磁致伸缩效应指当磁性体的磁化状态改变时，其长度或体积会发生微小的变化，超磁致伸缩棒12通过偏置线圈1提供恒定的磁场，当外加激励线圈2电流变化时，超磁致伸缩棒所处磁场会发生变化，超磁致伸缩棒12会发生相应的变化，从而产生激振的动作。

检振线圈3是一种磁致伸缩的检振线圈，用于实现检振功能，其原理是超磁致伸缩材料存在逆磁致伸缩效应，即超磁致伸缩材料受到外界压力作用时，材料内部的磁化状态会沿着力的方向发生变化。检振线圈3由于电磁感应，产生了表示一定振动信息的感应电压。

所述的偏置线圈、激励线圈和超磁致伸缩棒组成激振模块。所述检振线圈和超磁致伸缩棒组成检振模块。

2、控制系统部分

图2所示，激振与检振器控制系统原理框图。该激振与检振器控制系统包括两个部分激振检振控制电路27和外部的电脑28。

激振检振控制电路27包括检振线圈3、限幅器17、适配放大器(如程控放大器、仪用放大器、PGA)18、模拟数字转换器(A/D converter)19、微处理器单元(如MCU)23、记忆单元(如FLASH、EEPROM等)20、无线传输模块22、数字模拟转换器(D/A converter)24、功率放大器(如音频放大器)25、激励线圈2及现场总线通信模块21。

所述微处理器单元23经数字模拟转换器24、功率放大器25与激励线圈2相接，并将微处理器单元23的输出控制信号经功率放大后给激励线圈2；

所述微处理器单元23经模拟数字转换器19、适配放大器18及限幅器17与检振线圈3相接；并由检振线圈采集到检测信号经限幅、适配放大和模拟数字转换后输入微处理器单元23；

所述微处理器单元23还连接记忆单元20并设有外设接口9；所述外设接口9是数据总线CAN通信模块21的外设接口，外设接口与外部控制设备或现场总线相连，若外设接口与电脑控制设备直接连接时，可实现单点的可控激振、检振；若外设接口与电脑控制设备、多个本发明装置连接在同一条现场总线相连上，可实现弹性波CT多节点有线检测。所述无线传输模块22由激振检振控制电路27的无线收发模块和电脑28的无线收发模块组成。

电源模块8为限幅器17、适配放大器18、模拟数字转换器19、微处理器单元23、记忆单元20、现场总线通信模块21、无线传输模块22、数字模拟转换器24、功率放大器25提供电源。电源模块8拟采用亚硫酸氯铝电池供电，当弹性波CT成像过程采用无线方式传输指令和数据时，电源模块8为激振检振控制电路27及偏置线圈1提供电源，如需大功率激振(如混凝土、桥墩缺陷检测)，电源模块8无法提供大电流，需要采用有线方式，利用现场总线供电，同时完成与电脑的通信。

检振线圈3用于实现检振功能，在弹性波CT检测中，激振器在被测材料表面激发出弹性波后，被测材料表面出现振动现象，本发明中的激振与检振器安装在被测材料表面，弹性波传播到检振点时，冲击杆16开始振动，并挤压超磁致伸缩棒12，在偏置线圈1提供的恒定磁场中，出现磁场的变化，检振线圈3由于电磁感应开始输出表示一定振动信息的电压信号。

限幅器17，提供瞬态或短时间过载的保护，避免因大的发射功率、直流电压瞬变或静电放电导致内部器件损坏。其原理是限幅器由非线性限幅器件和带通滤波器组成，非线性限幅器件将超过限幅电平的那部分幅度切去，然后经带通滤波器滤出其基波分量，使输出电压频率与输入电压频率保持一致。

弹性波在介质中传播时随距离的变化会发生变化，安装在材料表面的检振器节点，在不同位置上拾取的振动强度是不同的，相应的电压输出是不同的。为了提高模拟数字转换器19采样精度，满足采样的电压输入范围，需要适配放大器18将不同的电压信号进行合理放大，尽量达到满量程的一半以上。

模拟数字转换器19，用于将电压信号转换为电脑可识别的数字信号。

记忆单元20与微处理器单元23连接，为了减小微处理器单元23的运算量，检测系统采用后处理方式，即先将模拟数字转换器19采集的数据存储到记忆单元20，当设定的采集时间结束后，将所有数据发送到外部的电脑26，在电脑系统26上实现速度场的层析成像。

微处理器单元23是激振检振一体化控制系统27的控制核心部件，它与模拟数字转换器19、记忆单元20、现场总线通信模块21、无线传输模块22、数字模拟转换器24、及限幅器17、适配放大器18和功率放大器25连接。它用于实现激振、检振、数据传输、数据存储、参数配置的功能。

现场总线通信模块21、无线传输模块22实现微处理器单元23与电脑26的有线、无线两种通信。微处理器单元23开辟了现场总线通信模块21、无线传输模块22的缓存RAM，电脑26发送的命令自动存储到相应传输方式下的缓存RAM中，微处理器单元23通过读取缓存RAM，执行相应的操作。

在弹性波CT检测中，为了解决瞬时激振时振源信息未知的问题，同时满足不同场合下(混凝土、木材、采空区等)激振的要求，超磁致伸缩棒12需要产生激振方式、频率、幅度、时间可控制的弹性波信号。为此，用户通过电脑26将需要的激振方式(如正弦信号、脉冲信号、指数信号、脉冲指数调制的正弦信号等)、频率、幅度、时间发送给微处理器单元23，微处理器单元23通过读取缓存RAM，向数模转换器24端口输出相应频率、方式的数字信号。数模转换器24将数字信号转换为相应的模拟电流信号，通过功率放大器25将输出信号的幅度放大到参数配置的要求，经激励线圈2使超磁致伸缩棒12产生相应的激振信号。

如图3所示，控制系统软件流程图

本发明一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统的整个检测过程默认是无线方式传输，如果挂接在现场总线通信模块上，自动选择为有线方式。有线方式传输过程与无线方式相似。

该激振检振一体化系统加电后，配置在芯片中的配置文件自动加载到微处理单元23中。加载完毕后，微处理单元23开始判断片内无线传输缓存RAM的empty信号端是否使能，当empty信号端为高电平时，说明缓存RAM为空，电脑26没有发送指令，微处理单元23继续判断empty信号端，当empty信号端变为低电平时，说明缓存RAM出现了数据，电脑26已经发送指令，微处理单元23开始读取缓存RAM的内容。

无线传输模块发送的指令包括：模式选择和配置参数两方面。模式选择包括激振模式和检振模式；配置参数包括激振模式下信号发生方式(正弦信号、脉冲信号、指数信号、脉冲指数调制的正弦信号)、功率放大倍数、定时激振时间，检振模式下适配放大倍数、定时检振时间、限幅电压。

微处理器单元23通过读取无线传输缓存RAM，执行相应的指令。当判断为激振模式后，微处理单元23进一步根据无线传输发送的配置参数，对定时器、DDS、功率放大器进行初始化。定时器是微处理单元23内部生成的模块，用于设定激振器的激振时间，DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写，是微处理器单元23内部生成的模块，可以生成正弦信号、脉冲信号、指数信号、脉冲指数调制的正弦信号等各种方式的数字信号，通过软件设置，完成定时器定时时间、DDS信号发生方式、功率放大器25放大倍数的设置。设置成功后，定时器、DDS、数字模拟转换器24、功率放大器25、超磁致伸缩棒的激励线圈2同时启动，进行激振器的激振，同时微处理器单元23实时判断定时器的定时是否结束，当判断定时未结束时，继续执行激振操作，当判断定时结束后，激振动作停止，并清除无线传输缓存RAM的内容，返回到无线传输缓存RAM的empty信号端的判断状态。

当微处理单元32判断为检振模式后，微处理单元23进一步根据无线传输发送的配置参数，对定时器、限幅器17限幅电压、适配放大器18放大倍数进行设置。当设置成功后，限幅器17、适配放大器18、模拟数字转换器19同时启动，开始对检振线圈3拾取的弹性波进行采集。为了减小数据的存储量及向电脑系统26的数据传输量，在微处理器内部设定阈值，当模拟数字转换器19采集到得数据值大于设定阈值时，定时器定时功能以及记忆单元20开始启动，进行弹性波的采集、存储。同时微处理器单元23实时判断定时器的定时是否结束，当判断定时未结束时，继续执行检振操作，当判断定时结束后，检振动作停止，并清除无线传输缓存RAM的内容，返回到无线传输缓存RAM的empty信号端的判断状态。

Claims (3)

1.一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统，由激振与检振器结构和控制系统两部分组成；所述激振与检振器结构包括偏置线圈(1)、激励线圈(2)、检振线圈(3)、线圈骨架(4)、顶座(5)、过线孔(7)、电源模块(8)、激振检振控制模块的外设接口(9)、激振检振控制模块(10)、外壳(11)、超磁致伸缩棒(12)、固定弹簧(13)、预压弹簧(14)、端盖(15)及冲击杆(16)；其特征是：所述线圈骨架、顶座用螺钉与外壳连接；线圈骨架上绕有检振线圈、偏置线圈和激励线圈；其中：偏置线圈、激励线圈分别为超磁致伸缩棒提供偏执磁场和激励磁场；所述顶座与外壳之间安装激振检振控制模块与电源模块；所述超磁致伸缩棒连接在冲击杆的定位槽中，冲击杆与端盖之间装预压弹簧，冲击杆与线圈骨架之间装固定弹簧，并且冲击杆与端盖之间通过预压弹簧形成悬架结构；所述端盖用螺纹连接外壳；所述激振检振控制模块通过过线孔将信号线与检振线圈、激励线圈相连；所述电源模块的电源线同样通过线圈骨架和上顶杆的过线孔与偏置线圈相连，并直接为偏置线圈供直流电。

2.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统，其特征是：所述激振与检振器控制系统包括两个部分激振检振控制电路(27)和外部的电脑(28)；其中：所述激振检振控制电路(27)包括检振线圈(3)、限幅器(17)、适配放大器(18)、模拟数字转换器(19)、记忆单元(20)、无线传输模块(22)、微处理器单元(23)、数字模拟转换器(24)、功率放大器(25)、激励线圈(2)及场总线通信模块(21)；所述微处理器单元经数字模拟转换器、功率放大器与激励线圈(2)相接，并将微处理器单元的输出控制信号经功率放大后给激励线圈；所述微处理器单元经模拟数字转换器、适配放大器及限幅器与检振线圈相接；并由检振线圈采集到检测信号经限幅、适配放大和模拟数字转换后输入微处理器单元；所述微处理器单元还连接记忆单元、现场总线通信模块及无线传输模块；

所述微处理器单元还连接记忆单元并设有外设接口(9)；所述外设接口是现场总线通信模块的外设接口，外设接口与电脑及控制设备连接在同一条现场总线上；

所述电源模块(8)为限幅器、适配放大器、模拟数字转换器、微处理器单元、记忆单元、现场总线通信模块、无线传输模块、数字模拟转换器、功率放大器提供电源，并直接为偏置线圈提供电源。

3.根据权利要求2所述的一种基于超磁致伸缩材料的激振检振一体化系统，其特征是：所述无线传输模块(22)由激振检振控制电路(27)的无线收发模块和电脑(28)的无线收发模块组成。

Images