CN104730142B - 一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，包括三维机械位移平台、基于STM32的下位机控制器、霍尔传感器、差分放大电路模块、数据采集卡、上位机控制与数据分析处理软件、恒流源；将待测构件连接恒流源放置于三维机械平台上的样件台上，启动三维机械平台和霍尔传感器模块，然后根据样件尺寸大小对位移平台的运动参数进行设定，启动位移平台后带着霍尔传感器对被测导体表面的磁场大小进行扫描式采集，通过数据采集卡将传感器采集到的磁场信息发送给上位机，通过上位机显示出待测样件表面磁场分布的扫描图像。通过本发明可以对通电材料表面的磁场分布情况进行扫描成像，从而通过磁场的分布进一步分析材料的内部结构情况，对无损地检测材料内部完整度情况有一定的实用价值。

Description

一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统

技术领域

本发明涉及电磁学无损检测领域，具体的说，是一种对通电材料表面的磁场进行扫描式检测，进而分析待测样件内部结构情况的检测系统。

背景技术

随着机械制造业的不断发展，金属材料无论在工业应用还是特种应用中都得到了淋漓尽致的体现，越来越复杂、越来越高精密的结构得到广泛的应用。这种高精密、高复杂度的机械结构在国家工业发展，甚至国民经济的发展中占有举足轻重的作用。然而随着一些机械部件等服役时间的增加，其表面或内部难免会出现一定的安全隐患。

近几年快速发展起来的无损检测技术使得这一问题得以解决。无损检测是采用一种或多种激励方式在待测构件中产生出可以探测到的信息，由检测单元拾取这一信息，获得无损检测的信号，进而得出待测构件内部结构的测量方法。磁法无损检测是目前主要的无损检测方法之一。

目前使用磁法进行无损检测的方法主要有两种：1)磁粉探伤，是通过磁粉在缺陷附近漏磁场中的堆积以检测铁磁性材料表面或近表面处缺陷的一种无损检测方法；2)涡流检测，是把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应涡流存在，进而根据涡流磁场信息判定导体性质、状态的检测方法；3)通电磁扫描检测，是通过给待测构件两端通一稳恒电流，根据毕奥-萨法尔定律可知其表面会产生一定的磁场，通过对该通电导体表面磁场信息的扫描检测进而探测其内部结构的无损检测方法。

磁粉探伤需要将钢铁等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布来显示被探测物件表面缺陷和近表面缺陷。该探伤方法的特点是显示直观，但需要对待测构件进行磁化，耗时长、需要额外配置磁化设备，且该检测方法灵敏度偏低，只能检测出比较大尺寸的裂纹缺陷。涡流检测，把待测构件置于交变磁场之中，对构件进行激励，进而拾取激励涡流的磁场信息，从而判断待测构件的结构信息。该检测方法检测灵敏度相对较高，可在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁(包括管壁)等进行检测，但检测系统需要额外配置激励线圈对待测样件进行激励，根据不同的待测样件还需要选择不同的激励信号，对检测深度与检测灵敏度是相互矛盾的，对一种材料进行涡流检测时，须根据材质、表面状态、检验标准作综合考虑，然后再确定检测方案与技术参数等。

对于导电结构的表面缺陷检测，目前多采用检测通电导体表面磁场分布情况的方法。该方法需要在待测构件表面移动霍尔传感器，获得相应位置处的磁场值，通过磁场信息绘制磁场分布云图，进而直观的判断待测构件的结构完整性等情况。整个过程需要不断的移动霍尔传感器，且需要保证传感器测量信息与相应位置信息的一致性，由于人为移动的不确定性，就会造成在移动的过程中传感器所采集磁场信息与相应位置信息的不一致，从而导致所采集的磁场信息无效。这样对霍尔传感器的动态采集过程提出了更高的要求，在检测过程中需要连续采集确定位置处的磁场信息，并保证该磁场信息与最终绘制磁场云图上的位置对应一致，手动的扫描采集方法便带来了较大的测量误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，其具有高精度、高可靠性、高自动化程度的特点。

本发明一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，包括三维机械平台、传感器模块、恒流源、下位机、电机驱动板、上位机与电源模块。

所述三维机械平台包括三维机械运动滑台、样件台和光学平台；三维机械运动滑台与样件台均安装在光学平台上。传感器模块包括两个霍尔传感器与和差分放大器；两个霍尔传感器分别作为参考传感器与检测传感器安装传感器支架上下位置，且通过传感器安装架安装在三维机械运动滑块，由三维机械运动滑台中X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机控制实现空间X、Y、Z三轴位置调节。上述参考传感器仅用于检测环境背景磁场噪声，而检测传感器则直接在待测构件的表面进行磁场检测，检测被测通电构件表面的实际磁场大小和环境背景磁场噪声。

差分放大器用来将检测传感器检测到的待测构件表面实际磁场和环境背景磁场噪声的耦合信号与参考传感器检测到的环境背景磁场噪声信号进行差分放大；恒流源与待测构件相连，用于为待测构件供电。

下位机用来采集传感器模块输出的经差分放大后的磁场信号，并进行A/D转换后发送至上位机；同时，上位机发送的控制命令输出电机驱动板所需的脉冲信号和方向信号，通过电机驱动板将方向信号和脉冲信号转换成相应的相位控制指令，分别控制X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机工作。下位机通过RS232串口完成与上位机的通信，接受上位机发送的控制命令；上位机用来实现三维机械运动滑台的运动控制参数设定，同时接收下位机采集的经差分放大后的磁场信号，并对接受到的各个步进电机的运动位置信号进行保存和处理，绘制待测构件表面磁场分布的云图。所述电源模块用于为下位机、差分放大电器与电机驱动板供电。

针对上述一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统的扫描成像方法，通过下述步骤完成：

步骤1：系统启动；

开启电源模块，并启动下位机与上位机。

步骤2：将恒流源与待测样件两端连接，向待测样件上施加激励电流，随后将待测构件固定安装在样件台上。

步骤3：确定扫描区域；

a、确定扫描零点；

通过控制三维机械运动滑台单步运动来定位检测传感器的初始测量位置。

b、确定扫描终点；

确定检测传感器的探头运动过程中所要完成的扫描点个数，进而确定检测传感器的终止测量位置。

步骤4：调节探测传感器与待测构件8间的垂直距离，根据待测构件8的材料属性和所通电流大小，结合其表面磁场强度的大小，使得传感器检测端能够充分采集到待测构件上表面的磁场信息，参考端不受待测构件表面磁场的影响。

步骤5：开始扫描式检测；

在上位机中设定相关设置参数，包括根据待测构件尺寸大小来设定三维机械运动滑台X、Y、Z三个方向上的运动速度、扫描间距和扫描点个数，由上位机发送至下位机后，控制三维机械运动滑台带着检测传感器按照设定的参数检测扫描区域内各扫描点的磁场信息。

步骤6：记录并保存数据。

下位机将检测传感器的点阵式扫描位置信息传递到上位机，同时将与位置信息相对应的磁场信息传递给上位机；上位机接到相对应的位置信息和磁场信息后完成数据的记录并对数据进行保存。

步骤7：数据处理并绘制磁场云图；

当扫描区域磁场检测完毕后，上位机对保存的位置信息和磁场信息进行数据处理，并进行云图绘制。

本发明的优点在于：

1、本发明平面磁场扫描成像系统以三轴机械运动平台为传感器运动载体，通过上位机对下位控制器的运动控制，使得传感器能够在待测构件的表面完成准确的、快速的平面扫描式检测，另外上下位机的数据通信和运动平台的控制信息保证了扫描平面内磁场信息与相对应的位置信息的一致性，使得最终的检测结果更加准确、全面；

2、本发明平面磁场扫描成像系统采用检测传感器和参考传感器的双传感器探头模式，相当于搭建了传感器基线长度可调节的平面式梯度计，这种搭建方式有效减弱了传感器检测到的背景磁场噪声，从硬件电路的安排上实现了一定的降噪处理，使得检测到的磁场信息更加符合真实的磁场分布；

3、本发明平面磁场扫描成像系统采用计算机自动保存测量数据，发生停电意外测量数据不会丢失，并且检测系统简单、操作方便、一次性得出直观的检测云图，是高效、准确、可靠的检测方法。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为传感器支架及传感器安装示意图；

图3为本发明平面磁场扫描成像系统操作方法流程图；

图4为应用本发明平面磁场扫描成像系统进行检测的矩形待测构件结构示意图；

图5为应用本发明平面磁场扫描成像系统对矩形待测构件进行检测后所得数据经过分析得到的磁场云图。

图中：

1-三维机械平台 2-传感器模块 3-恒流源

4-下位机 5-电机驱动板 6-上位机

7-电源模块 8-待测构件 101-三维机械运动滑台

102-样件台 103-光学平台 201-霍尔传感器

202-传感器固定部分 203-差分放大器 202a-横杆

202b-连接块 202c-竖杆 202d-上部传感器安装梁

202e-下部传感器安装梁

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，包括三维机械平台1、传感器模块2、恒流源3、下位机4、电机驱动板5、上位机6与电源模块7，如图1所示。

所述三维机械平台1主要由三维机械运动滑台101、样件台102和光学平台103组成，三维机械运动滑台101与样件台102均安装在光学平台103上，光学平台103作为承载三轴机械运动平台和样件台102的工作平台，采用铝制无磁材料制作。三维机械运动滑台101是传感器模块2运动的执行结构，包括X轴滑台、Y轴滑台与Z轴滑台以及X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机。X轴滑台、Y轴滑台与Z轴滑台均为滚珠丝杠结构，Y轴滑台安装在X轴滑台的滑块上；Z轴滑台安装在Y轴滑台的滑块上；Z轴滑台的滑块上设计有垂直水平面的支架安装面，用来安装传感器模块中的传感器固定部分。上述X轴步进电机用来控制X轴滑台运动，实现支架安装面X轴上的位置调节；Y轴步进电机用来控制Y轴滑台运动，实现支架安装面Y轴上的位置调节；Z轴步进电机用来控制Z轴滑台运动，实现支架安装面Z轴上的位置调节；进而达到传感器模块2中三维机械运动滑台101上的传感器在空间X、Y、Z三轴上的位置调节。上述X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机的步距角为1.8°，驱动电流为1.5A，导程2mm。所述样件台102由铝制无磁材料制作的圆柱型台座，上表面用于放置待测样件。

上述传感器模块2包括两个霍尔传感器201、传感器固定部分202与差分放大器203。两个霍尔传感器201采用SS495A型号传感器，检测范围-650～+650Gauss，分别作为参考传感器与检测传感器安装在传感器传感器固定部分202上。传感器固定部分202由传感器支架与传感器夹具构成。其中，传感器支架用于搭载传感器夹具，传感器支架202具有两根横杆202a与一个连接块202b；其中两根横杆202a相互平行且水平设置，一端固定于Z轴滑台的支架安装面上。另一端通过连接块202b相连。传感器夹具用于两个霍尔传感器201的安装，具有两根竖杆202c、上部传感器安装梁202d；两根竖杆202c相互平行且竖直设置，安装在连接块202b两侧，两根竖杆202c底端通过下部传感器安装梁202e固定；顶端通过上部传感器安装梁202d相连。上述上部传感器安装梁202d与下部传感器安装梁202e的中心位置分别安装有参考传感器与检测传感器，使参考传感器仅用于检测环境背景磁场噪声，而检测传感器则直接在待测构件8的表面进行磁场检测，检测被测通电构件表面的实际磁场大小和环境背景磁场噪声。本发明中还设计下部传感器安装梁202e可沿两根竖杆202c在竖直方向移动，实现检测传感器上下位置的调节，优选两霍尔传感器的基线长度为10cm。差分放大器203与参考传感器与检测传感器相连，将检测传感器检测到的待测构件8表面实际磁场和环境背景磁场噪声的耦合信号与参考传感器检测到的环境背景磁场噪声信号进行差分放大，使得经过差分放大后的信号一定程度上减小了环境背景磁场噪声信号的干扰，保证差分放大后的输出信号主要来自于待测构件8表面的特征信号。同时需使经过差分放大后的输出信号与下位机4内部采集模块的输入信号量级相匹配，保证差分放大器203的输出信号能够正确有效地被下位机4采集。

所述恒流源3与待测构件8两端相连，可输出0～100A的稳恒电流，用于为待测构件8供电。当待测构件8两端通一稳恒电流后，形成相应的感应磁场，由毕奥-萨法尔定律结合待测样件的材料属性可得出待测构件8表面的磁场分布情况，而当待测构件8表面或内部结构出现缺陷时其表面的磁场分布会受到影响，这样一来就可以通过三维机械运动滑台101控制两个霍尔传感器201进行检测，得到磁场分布的异常情况。

所述下位机4采用STM32控制器，具有高性能32位ARM Cortex-M内核，工作频率为72MHz的微控制器，具有丰富的I/O端口和连接到两条APB总线的外设。STM32控制器具有1个12位的ADC模块，用来采集经差分放大后的磁场信号；同时，还具有3个16位通用定时器模块和3个GPIO管脚，分别对应X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机，根据上位机6发送的控制命令输出电机驱动板5所需的脉冲信号和方向信号，通过电机驱动板5将方向信号和脉冲信号转换成相应的相位控制指令，分别控制X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机工作，实现三维机械运动滑台101的运动控制；其中，脉冲信号用于驱动步进电机转动一定的角度，方向信号用于控制电机运动的正转和反转；另外，STM32控制器通过RS232串口完成与上位机6的通信，接受上位机6发送的控制命令，同时，向上位机6发送各个步进电机的转动角度与转动方向。

上位机6用来实现三维机械运动滑台101的运动控制参数设定，同时接收下位机4采集的经差分放大后的磁场信号，并对接受到的各个步进电机的运动位置信号(转动角度与转动方向)进行保存和处理，调用相关的图形绘制功能完成待测构件8表面磁场分布的云图绘制。

所述电源模块7属于开关电源，由直流220V电源供电，可输出5V、12V和24V。其中5V用于为下位机4供电；12V用于为差分放大电器供电；24V用于为电机驱动板5供电。

基于上述平面磁场扫描成像系统的测量方法，如图4所示，通过下述步骤完成：

步骤1：系统启动；

开启电源模块7，并启动下位机4与上位机6，完成本发明平面磁场扫描成像系统的启动，同时，检查两霍尔传感器与三维机械运动滑台101可正常工作。

步骤2：设置待测构件8；

将恒流源3与待测样件两端连接，根据待测构件8的材料特性和传感器的检测范围选择大小合适的激励电流，随后将待测构件8固定安装在样件台102上。

步骤3：确定扫描区域；

a、确定扫描零点；

根据待测构件8的尺寸大小，通过控制三维机械运动滑台101单步运动来定位检测传感器的初始测量位置，即磁场扫描零点；三维机械运动滑台101单步运动过程中需要设置合适的运行速度和加速度，保证其运动的稳定性。

b、确定扫描终点；

根据待测构件8的尺寸大小和设定的扫描点的间距，确定检测传感器的探头运动过程中所要完成的扫描点个数，进而确定检测传感器的终止测量位置，即磁场扫描终点。

步骤4：调节探测传感器与待测构件8间的垂直距离，根据待测构件8的材料属性和所通电流大小，结合其表面磁场强度的大小，从而不仅使得传感器检测端能够充分采集到待测构件上表面的磁场信息，参考端还能尽量不受待测构件表面磁场的影响。

步骤5：开始扫描式检测；

在上位机6中设定步骤3中确定的相关设置参数(包括根据待测构件尺寸大小来设定三维机械运动滑台X、Y、Z三个方向上的运动速度、扫描间距和扫描点个数)，设定完成后由上位机6发送至下位机4，控制下位机4启动扫描式检测，三维机械运动滑台101将带着检测传感器按照设定的运动参数检测扫描区域内各扫描点的磁场信息。

步骤6：记录并保存数据。

下位机4将检测传感器的点阵式扫描位置信息传递到上位机6，同时将与位置信息相对应的磁场信息传递给上位机6。上位机6接到相对应的位置信息和磁场信息后完成数据的记录并对数据进行保存。

步骤7：数据处理并绘制磁场云图；

当扫描区域磁场检测完毕后，上位机6对保存的位置信息和磁场信息进行数据处理，并进行云图绘制，从而直观的展示出待测构件8表面磁场的分布云图。

如图4所示，为本发明平面磁场扫描成像系统待测构件8的结构示意图。检测对象为一块矩形导体块，在该待测构件8的两个长边分别人为切出两个缺口，以此来模拟待测构件8非正常化的结构特征。将此待测构件8两端接上恒流源3，然后通过本发明的检测系统对其上表面区域的磁测分布情况进行点阵式扫描检测，进而得出实际的磁测分布情况。

如图5所示，为利用本发明检测系统对图4所示的待测构件8上表面区域进行磁测分布的点阵式扫描检测。将检测到的磁测数据进行一定的数据处理和分析后，进而得出的待测构件8表面磁测分布云图。通过云图可以直观的看出待测构件8的结构情况：其中缺陷区域的磁测分布于正常导体的磁测分布明显不同，通过这种云图效果展示可以最直接、直观的得出待测构件8的结构情况。

Claims (2)

1.一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，其特征在于：包括三维机械平台、传感器模块、恒流源、下位机、电机驱动板、上位机与电源模块；

所述三维机械平台包括三维机械运动滑台、样件台和光学平台；三维机械运动滑台与样件台均安装在光学平台上；传感器模块包括两个霍尔传感器与和差分放大器；两个霍尔传感器分别作为参考传感器与检测传感器安装在传感器固定部分，且通过传感器安装架安装在三维机械运动滑块，由三维机械运动滑台中X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机控制实现空间X、Y、Z三轴位置调节；上述参考传感器仅用于检测环境背景磁场噪声，而检测传感器则直接在待测构件的表面进行磁场检测，检测被测通电构件表面的实际磁场大小和环境背景磁场噪声；差分放大器用来将检测传感器检测到的待测构件表面实际磁场和环境背景磁场噪声的耦合信号与参考传感器检测到的环境背景磁场噪声信号进行差分放大；恒流源与待测构件相连，用于为待测构件供电；所述的传感器固定部分由传感器支架与传感器夹具构成；其中，传感器支架用于搭载传感器夹具，传感器支架具有两根横杆与一个连接块；其中两根横杆相互平行且水平设置，一端固定于Z轴滑台的支架安装面上，另一端通过连接块相连；传感器夹具用于两个霍尔传感器的安装，具有两根竖杆、上部传感器安装梁；两根竖杆相互平行且竖直设置，安装在连接块两侧，两根竖杆底端通过下部传感器安装梁固定；顶端通过上部传感器安装梁相连；上述上部传感器安装梁与下部传感器安装梁的中心位置分别安装有参考传感器与检测传感器，使参考传感器仅用于检测环境背景磁场噪声，而检测传感器则直接在待测构件的表面进行磁场检测，检测被测通电构件表面的实际磁场大小和环境背景磁场噪声；下部传感器安装梁可沿两根竖杆在竖直方向移动，实现检测传感器上下位置的调节，差分放大器与参考传感器与检测传感器相连，将检测传感器检测到的待测构件表面实际磁场和环境背景磁场噪声的耦合信号与参考传感器检测到的环境背景磁场噪声信号进行差分放大，使得经过差分放大后的信号减小环境背景磁场噪声信号的干扰，保证差分放大后的输出信号主要来自于待测构件表面的特征信号；同时需使经过差分放大后的输出信号与下位机内部采集模块的输入信号量级相匹配，保证差分放大器的输出信号能够正确有效地被下位机采集；

下位机采用STM32控制器，具有1个12位的ADC模块，用来采集传感器模块输出的经差分放大后的磁场信号，同时还具有3个16位通用定时器模块和3个GPIO管脚，分别对应X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机，根据上位机发送的控制命令输出电机驱动板所需的脉冲信号和方向信号，通过电机驱动板将方向信号和脉冲信号转换成相应的相位控制指令，分别控制X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机工作，实现三维机械运动滑台的运动控制；下位机通过RS232串口完成与上位机的通信，接受上位机发送的控制命令；同时，向上位机发送各个步进电机的转动角度与转动方向；其中，脉冲信号用于驱动步进电机转动角度，方向信号用于控制电机运动的正转和反转；

上位机用来实现三维机械运动滑台的运动控制参数设定，同时接收下位机采集的经差分放大后的磁场信号，并对接受到的各个步进电机的运动位置信号进行保存和处理，绘制待测构件表面磁场分布的云图；所述电源模块用于为下位机、差分放大电器与电机驱动板供电。

2.权利要求1所述一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统的扫描成像方法，其特征在于：通过下述步骤完成：

步骤1：系统启动；

开启电源模块，并启动下位机与上位机；

步骤2：将恒流源与待测样件两端连接，向待测样件上施加激励电流，随后将待测构件固定安装在样件台上；

步骤3：确定扫描区域；

a、确定扫描零点；

通过控制三维机械运动滑台单步运动来定位检测传感器的初始测量位置；

b、确定扫描终点；

确定检测传感器的探头运动过程中所要完成的扫描点个数，进而确定检测传感器的终止测量位置；

步骤4：调节探测传感器与待测构件（8）间的垂直距离，根据待测构件的材料属性和所通电流大小，结合其表面磁场强度的大小，从而使得传感器检测端能够充分采集到待测构件上表面的磁场信息，参考端尽量不受待测构件表面磁场的影响；

步骤5：开始扫描式检测；

在上位机中设定待测构件尺寸大小来设定三维机械运动滑台X、Y、Z三个方向上的运动速度、扫描间距和扫描点个数，设定完成后由上位机发送至下位机后，并控制三维机械运动滑台带着检测传感器按照设定的运动参数检测扫描区域内各扫描点的磁场信息；

步骤6：记录并保存数据；

下位机将检测传感器的点阵式扫描位置信息传递到上位机，同时将与位置信息相对应的磁场信息传递给上位机；上位机接到相对应的位置信息和磁场信息后完成数据的记录并对数据进行保存；

步骤7：数据处理并绘制磁场云图；

当扫描区域磁场检测完毕后，上位机对保存的位置信息和磁场信息进行数据处理，并进行云图绘制。