CN104820015A - 一种金属表面缺陷检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属表面缺陷检测系统及其检测方法，通过控制器产生方波信号以及发送给信号处理电路的控制信号；功率放大电路激发激励线圈在被测金属表面产生涡流效应；将差动线圈探头中的第一检测线圈和第二检测线圈产生感应信号通过信号处理电路进行做差、放大、滤波和峰值保持处理；输出直流电压信号；移动差动线圈探头的位置，重复上述过程，对被测金属表面进行扫描检测。本发明的金属表面缺陷检测系统及其检测方法能够对金属表面缺陷以较低的采样速度、较直观的检测结果进行检测，同时能够与漏磁检测方法进行集成复合检测，从而实现管道漏磁检测内外缺陷区分。

Description

一种金属表面缺陷检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及金属表面缺陷的无损检测领域，尤其涉及一种金属表面缺陷检测系统及检测方法。

背景技术

金属表面或近表面缺陷检测领域，常用涡流法进行检测。在线圈上接通交流电，产生垂直于金属工件的交变磁场，该工件表面感应出涡流同时产生与原磁场方向相反的磁场；若金属工件存在缺陷，将改变涡流场的强度及分布，使线圈阻抗发生变化，检测该变化可判断有无缺陷。涡流检测通常采用阻抗分析法，一般需要采样率很高的设备对线圈的感应电压进行检测，其检测结果不直观，不便与其他检测方法进行集成复合检测。

在金属管道腐蚀检测方法中，目前常用的方法之一为管道漏磁内检测方法。漏磁内检测方法仅能实现缺陷检测，不能进行内外壁缺陷区分。而内外壁缺陷区分对管道维修非常重要。因此亟需一种金属表面缺陷检测方法，与漏磁检测方法复合检测，以实现内外壁缺陷区分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于涡流检测的金属表面缺陷检测系统及检测方法，以较低的采样速度、较直观的检测结果对金属表面缺陷进行检测，同时与漏磁检测方法进行集成复合检测，从而实现内外缺陷区分。

根据本发明的一个方面，提供一种金属表面缺陷检测系统，所述系统包括控制器、功率放大电路、差动线圈探头、信号处理电路、模拟多路开关及模数转换器模块；

其中，控制器用于产生一定频率的方波信号，通过控制信号协助信号处理电路进行信号处理，读取模数转换器转换的数字信号并输出；功率放大电路用于提高方波信号的驱动能力，从而激励差动线圈探头；差动线圈探头用于在激励信号的激发下在被测金属表面产生涡流，并感应输出与涡流效应相关的感应信号；信号处理电路用于将差分探头线圈的输出感应信号调理成易于识别和解释的直流模拟电压信号；模拟多路开关用于将多路信号处理电路的输出模拟电压信号发送到模数转换器进行数字化转换；模数转换器用于将模拟电压信号转换为数字信号。

进一步的，系统的各个模块之间通过如下具体方式进行连接：控制器的I/O口与功率放大电路输入端相连，功率放大电路输出端与差动探头线圈的激励信号输入端相连，差动探头线圈感应信号输出端与信号处理电路的模拟信号输入端相连，信号处理电路的控制信号输入端与控制器的I/O口相连，信号处理电路的模拟信号输出端与模拟多路开关输入端相连，模拟多路开关的输出端与模数转换器的模拟信号输入端相连，模数转换器的数字信号输出口与控制器数字接口相连。

进一步的，所述功率放大电路包括用于方波信号功率放大的数字反相器、用于限制所述差动线圈探头中激励线圈电流的限流电阻、用于调整激励线圈电压过冲的滤波电容以及用于激励线圈续流的续流二极管；其中数字反相器输出端串接限流电阻再接入差动探头线圈，滤波电容和续流二极管在限流电阻与差动探头线圈之间并联接地。

进一步的，所述差动线圈探头由第一检测线圈、第二检测线圈、激励线圈以及探头骨架组成，其中第一检测线圈、第二检测线圈在激励线圈两侧对称同轴设置，第一检测线圈设置在离检测表面近的一面，第一检测线圈、第二检测线圈的电气参数设置为完全一致，所述差动线圈探头的第一检测线圈、第二检测线圈、激励线圈均有起头和末头2个线头，共6个线头；其中激励线圈一端接功率放大电路出处端，另一端接地；第一检测线圈和第二检测线圈的一对同名端接入到信号处理电路的供电电源的中点电压平面，另一对同名端接入信号处理电路的输入端。

进一步的，所述信号处理电路由差动放大电路、低通滤波电路、放电电路、峰值保持电路、自放电电阻、开关放电电路、缓冲电路、滤波电路组成，其中差动放大器对第一检测线圈的感应信号和第二检测线圈的感应信号进行求差运算；低通滤波电路采用RC低通滤波方式去除高频干扰；放电电路对信号进一步放大；峰值保持电路由二极管和电容组成；自放电电阻和开关放电电路为峰值保持电路的电容提供两种放电回路，可以选用其中一种或者两种并联，开关放电电路由可通过控制器控制闭合和断开的控制开关以及电阻组成；缓冲电路采用运放放大器配置成增益为1的同相放大形式；滤波电路采用RC低通滤波方式使信号平滑。

进一步的，差动放大器的同相输入端和反相输入端分别与差动线圈探头的第一检测线圈和第二检测线圈的一对同名端相连，滤波电路输出端与模拟短路开关输入端相连，差动放大电路、低通滤波电路、放电电路、峰值保持电路、自放电电阻、开关放电电路、缓冲电路、滤波电路依次串联连接。

根据本发明的另一方面，提供一种使用金属表面缺陷检测系统进行检测的方法，包括：

通过控制器产生方波信号以及使信号处理电路中的开关放电电路的控制开关断开的控制信号；功率放大电路激发激励线圈在被测金属表面产生涡流效应；将差动线圈探头中的第一检测线圈和第二检测线圈产生感应信号通过信号处理电路进行做差、放大、滤波和峰值保持处理；输出直流电压信号；通过模拟多路开关输出到模数转换器进行A/D转换，并由控制器读取数据，同时控制器停止产生方波信号；控制器产生使信号处理电路中的开关放电电路的控制开关闭合的控制信号，然后控制器输出数字化的检测数据；移动差动线圈探头的位置，重复上述过程，对被测金属表面进行扫描检测。

有益效果：本发明的金属表面缺陷检测系统及其检测方法方法能够对金属表面缺陷以较低的采样速度、较直观的检测结果进行检测，同时能够与漏磁检测方法进行集成复合检测，从而实现管道漏磁检测内外缺陷区分。

附图说明

下面结合附图和示例对本发明具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明具体实施方式的检测系统示意图；

图2是本发明具体实施方式的功率放大电路示意图；

图3是本发明具体实施方式的差动线圈探头结构示意图；

图4是本发明具体实施方式的信号处理电路示意图；

图5是本发明具体实施方式的时序示意图。

具体实施方式

图1是本发明的检测系统示意图，由1个控制器1、2路功率放大电路2、2个差动线圈探头3、2路信号处理电路4、1个模拟多路开关及模数转换器5等模块组成检测系统，其中功率放大电路2、差动线圈探头3、信号处理电路4一一对应组成涡流检测模块，即配备2通道的涡流检测模块；控制器1和模拟多路开关及模数转换器组成数据采集模块。涡流检测模块输出与被测金属检测表面缺陷较为直观对应的、可以较低采样速度捕获的直流电压信号，数据采集模块对该信号进行A/D转换、采集和输出。1个控制器1、2路功率放大电路2、2路信号处理电路4、1个模拟多路开关及模数转换器5全部配置在一块印制电路板中，2个差动线圈探头3以一定提离距离贴在被测金属的检测表面，通过绕组漆包线与所述印制电路板焊接。模拟多路开关及模数转换器5采用带2通道以上的模拟多路开关的12位以上的模数转换器，采样速度1MHz，与控制器的接口形式是SPI。控制器采用CPLD，产生2路输出到功率放大电路的占空比为50％、频率为200kHz的方波信号以及2路使信号处理电路中的开关放电电路中的放电开关断开和闭合的控制信号，配置有2路速度为20MHz的SPI接口，一路用于与模数转换器接口读取A/D转换数据，另一路对外接口以数字信号的形式输出的数据。由于模拟多路开关及模数转换器5带通道数大于2，除去2路涡流检测模块输出的模拟信号，还能接入其他模拟信号，如漏磁检测的霍尔传感器信号，因此可以很容易与其他类型检测方法集成复合检测。

图2是本发明的功率放大电路示意图，包括：用于方波信号功率放大的数字反相器201、用于限制所述差动线圈探头中激励线圈电流的限流电阻202、用于调整激励线圈电压过冲的滤波电容203以及用于激励线圈续流的续流二极管204。数字反相器201工作电压为3.3V，电流驱动能力为30mA，控制器1输出占空比为50％、频率200kHz的方波信号经数字反相器201后驱动能力增强；限流电阻202取值120欧姆，将数字反相器201输出电流限制在其驱动能力之内；滤波电容203取值1nF，将激励线圈电压调整到3.3V以内；续流二极管204为激励线圈提供续流回路。相比传统激励电路，本电路简洁、有效、功能齐全，适合一体化集成。

图3是本发明的差动线圈探头示意图，由第一检测线圈301、第二检测线圈302、激励线圈303以及探头骨架304组成，其中第一检测线圈301、第二检测线圈302在激励线圈303两侧对称同轴设置，第一检测线圈设置在靠近被测金属6的检测表面7的一面。第一检测线圈、第二检测线圈以及激励线圈的电气参数设置为完全一致，绕组漆包线规格为0.1mm，电感量30μH。探头骨架外形尺寸Φ8mm×6mm，材料为陶瓷。差动线圈探头的第一检测线圈、第二检测线圈、激励线圈均有起头和末头2个线头，共6个线头，线头编号规则：第一检测线圈起头——1号，第一检测线圈末头——2号；激励线圈起头——3号，激励线圈末头——4号；第一检测线圈起头——5号，第一检测线圈末头——6号。3号线头(激励线圈起头)与功率放大电路2的限流电阻连接，4号线头(激励线圈末头)与功率放大电路2的电源地平面连接。通电时，激励线圈在被测金属6的检测表面7敏感区域范围8内产生涡电流，利用第一检测线圈和第二检测线圈的信号差异来进行检测，可消除从激励线圈感应过来的本底信号，便于提取有用信号，降低后续信号处理电路的设计难度。

图4是信号处理电路示意图。信号处理电路依次由差动放大电路401、低通滤波电路402、放电电路403、峰值保持电路404、自放电电阻405、开关放电电路406、缓冲电路407、滤波电路408组成。信号处理电路采用+5V单电源供电，参考平面电平VREF为2.5V。差动线圈探头的2号线头(第一检测线圈的末头)与差动放大电路的同相输入端连接，6号线头(第二检测线圈的末头)与差动放大电路的反相输入端连接，1号线头(第一检测线圈的起头)和5号线头(第二检测线圈的起头)与信号处理电路的参考信号平面连接。差动放大器采用运算放大器构成加减运算电路对第一检测线圈和第二检测线圈的感应信号进行求差运算，运算放大器采用低功耗轨到轨输入运放，带宽大于50MHz，四个与增益相关的电阻均选用5kΩ误差小于1％的精密电阻；低通滤波电路采用50Ω电阻和22nF电容组成RC低通滤波器，去除高频干扰；放电电路采用运算放大器构成反相放大对信号进一步放大，运算放大器选用采用低功耗轨到轨输入运放，带宽大于50MHz，Rg取1kΩ，Rf取50kΩ，Cf取10pF；峰值保持电路采用采用高速开关二极管和100pF的电容组成，实现对信号峰值保持，便于以较低的采样速度进行A/D采集；自放电电阻和开关放电电路为峰值保持电路的电容提供两种放电回路，可以选用其中一种或者两种并联，自放电电阻取值1MΩ，开关放电电路由可通过控制器控制闭合和断开的控制开关以及取值小于10kΩ的电阻组成；缓冲电路采用运放放大器配置成增益为1的同相放大形式，运放选用高输入阻抗、轨到轨输入/输出型；滤波电路采用22Ω电阻和1μF电容组成RC低通滤波器，使输出信号平滑稳定。本发明的信号处理电路可以将差动线圈探头的感应信号处理成与波形变化与缺陷较为直观对应的、可以较低采样速度捕获的直流电压信号，比传统涡流检测阻抗分析方法更简单直接、对采集设备要求低。

图5是检测方法的时序图。当差动线圈探头开始对被测金属的检测表面某一点进行检测时，控制器产生200kHz、占空比为50％方波信号以及使信号处理电路中的开关放电电路的控制开关断开的控制信号，然后控制模拟多路开关依次接入各路模拟信号到模数转换器进行A/D转换，并由控制器通过SPI接口从模数转换器以20MHz的速度读取A/D转换数据，同时控制器停止产生方波信号，控制器产生使信号处理电路中的开关放电电路的控制开关闭合的控制信号，然后控制器通过另一SPI接口将数据输出。移动差动线圈探头的位置，重复上述过程，可实现对被测金属的检测表面进行扫描检测。对输出数据近分析，可以确定被测金属的检测表面的缺陷情况。所述检测方法时序，仅在需要采集数据时采对激励线圈通电，无需其他时刻无需对激励线圈通电，可有效降低功耗。

由于趋肤效应，本发明所述检测方法仅能检测到被测金属的检测表面的缺陷而对另一表面的缺陷不敏感，因此将本检测方法与漏磁检测方法集成，能够有效解决管道漏磁内检测内外壁缺陷区分的问题。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种金属表面缺陷检测系统，其特征在于，所述系统包括控制器、功率放大电路、差动线圈探头、信号处理电路、模拟多路开关及模数转换器模块；

其中，控制器用于产生一定频率的方波信号，通过控制信号协助信号处理电路进行信号处理，读取模数转换器转换的数字信号并输出；功率放大电路用于提高方波信号的驱动能力，从而激励差动线圈探头；差动线圈探头用于在激励信号的激发下在被测金属表面产生涡流，并感应输出与涡流效应相关的感应信号；信号处理电路用于将差分探头线圈的输出感应信号调理成易于识别和解释的直流模拟电压信号；模拟多路开关用于将多路信号处理电路的输出模拟电压信号发送到模数转换器进行数字化转换；模数转换器用于将模拟电压信号转换为数字信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的各个模块之间通过如下具体方式进行连接：控制器的I/O口与功率放大电路输入端相连，功率放大电路输出端与差动探头线圈的激励信号输入端相连，差动探头线圈感应信号输出端与信号处理电路的模拟信号输入端相连，信号处理电路的控制信号输入端与控制器的I/O口相连，信号处理电路的模拟信号输出端与模拟多路开关输入端相连，模拟多路开关的输出端与模数转换器的模拟信号输入端相连，模数转换器的数字信号输出口与控制器数字接口相连。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率放大电路包括用于方波信号功率放大的数字反相器、用于限制所述差动线圈探头中激励线圈电流的限流电阻、用于调整激励线圈电压过冲的滤波电容以及用于激励线圈续流的续流二极管；其中数字反相器输出端串接限流电阻再接入差动探头线圈，滤波电容和续流二极管在限流电阻与差动探头线圈之间并联接地。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述差动线圈探头由第一检测线圈、第二检测线圈、激励线圈以及探头骨架组成，其中第一检测线圈、第二检测线圈在激励线圈两侧对称同轴设置，第一检测线圈设置在离检测表面近的一面，第一检测线圈、第二检测线圈的电气参数设置为完全一致，所述差动线圈探头的第一检测线圈、第二检测线圈、激励线圈均有起头和末头2个线头，共6个线头；其中激励线圈一端接功率放大电路出处端，另一端接地；第一检测线圈和第二检测线圈的一对同名端接入到信号处理电路的供电电源的中点电压平面，另一对同名端接入信号处理电路的输入端。

5.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述信号处理电路由差动放大电路、低通滤波电路、放电电路、峰值保持电路、自放电电阻、开关放电电路、缓冲电路、滤波电路组成，其中差动放大器对第一检测线圈的感应信号和第二检测线圈的感应信号进行求差运算；低通滤波电路采用RC低通滤波方式去除高频干扰；放电电路对信号进一步放大；峰值保持电路由二极管和电容组成；自放电电阻和开关放电电路为峰值保持电路的电容提供两种放电回路，可以选用其中一种或者两种并联，开关放电电路由可通过控制器控制闭合和断开的控制开关以及电阻组成；缓冲电路采用运放放大器配置成增益为1的同相放大形式；滤波电路采用RC低通滤波方式使信号平滑。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，差动放大器的同相输入端和反相输入端分别与差动线圈探头的第一检测线圈和第二检测线圈的一对同名端相连，滤波电路输出端与模拟短路开关输入端相连，差动放大电路、低通滤波电路、放电电路、峰值保持电路、自放电电阻、开关放电电路、缓冲电路、滤波电路依次串联连接。

7.一种使用金属表面缺陷检测系统进行检测的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

通过控制器产生方波信号以及使信号处理电路中的开关放电电路的控制开关断开的控制信号；功率放大电路激发激励线圈在被测金属表面产生涡流效应；将差动线圈探头中的第一检测线圈和第二检测线圈产生感应信号通过信号处理电路进行做差、放大、滤波和峰值保持处理；输出直流电压信号；通过模拟多路开关输出到模数转换器进行A/D转换，并由控制器读取数据，同时控制器停止产生方波信号；控制器产生使信号处理电路中的开关放电电路的控制开关闭合的控制信号，然后控制器输出数字化的检测数据；移动差动线圈探头的位置，重复上述过程，对被测金属表面进行扫描检测。