CN104880509B - 基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置及其方法。半桥驱动电路分别与PC机、51单片机系统、激励信号放大模块、稳压电路、差分霍尔检测探头相连，稳压电路分别与激励信号放大模块、信号调理采集模块相连，信号调理采集模块与PC机相连，GT400运动控制器上设有待测多层导电结构，待测多层导电结构上方设有差分霍尔检测探头并用固定机构固定，PC机与GT400运动控制器相连，差分霍尔检测探头与信号调理采集模块相连。本发明采用差分霍尔检测探头进行无损检测，不需要任何耦合介质，检测速度快，生产效率、检测灵敏度、可靠性高。利用PC机组态软件可监控装置工作情况。

Description

基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及脉冲涡流无损检测领域，尤其涉及一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置及其方法。

背景技术

目前，实际应用中常用的无损检测方是超声波无损检测，它原理简单，实现方便，但也存在许多缺点，如需要耦合剂，对试件表面质量要求较高，检测速度慢等缺点。

采用脉冲涡流扫描成像技术检测多层导电结构是基于电磁感应原理。利用一定频率和占空比的脉冲信号在激励线圈中产生电磁场，当激励线圈靠近待检测试件时，由于待测试件为导电结构，电磁场在导电结构趋肤层内会引起电涡流，反作用于磁场，改变空间的电磁场，而在检测探头中的霍尔传感器将检测出空间中磁场的变化。因此，当导电结构有缺陷，即结构不同时，对电磁场的反作用就不同，就会引起磁场大小变化，就可以通过霍尔传感器检测出磁场的变化，从而检测出缺陷。

由于脉冲涡流扫描成像灵敏度高，易受外界磁场的影响从而产生检测误差，我们在探头外面增加了一个金属壳以屏蔽外界磁场的干扰。但是在复杂的工业生产环境中，外界磁场无法彻底屏蔽，存在误差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置及其方法。

基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置包括PC机、GT400运动控制器、51 单片机系统、半桥驱动电路、稳压电路、激励信号放大模块、信号调理采集模块、差分霍尔检测探头、待测多层导电结构；

半桥驱动电路分别与PC机、51 单片机系统、激励信号放大模块、稳压电路、差分霍尔检测探头相连，稳压电路分别与激励信号放大模块、信号调理采集模块相连，信号调理采集模块与PC机相连，GT400运动控制器上设有待测多层导电结构，待测多层导电结构上方设有差分霍尔检测探头并用固定机构固定，PC机与GT400运动控制器相连，差分霍尔检测探头与信号调理采集模块相连。

所述的差分霍尔检测探头包括铁芯、线圈、两个霍尔传感器、金属壳，两个霍尔传感器放置于探头的顶部和底部，铁芯内中空，铁芯上绕有线圈，线圈外设金属壳，检测探头为圆柱形结构。

所述的51单片机系统包括51单片机、晶振电路、指示灯、拨码开关、串口通讯电路、ISP下载接口，晶振电路、指示灯、拨码开关、串口通讯电路、ISP下载接口分别与51单片机相连。

所述的半桥驱动电路为：IR2104芯片的第一脚接+15V电源并通过并联的电容C6连接至地、第二脚接航口E1、第三脚接+5V电源、第四脚接地、第五脚通过电阻R10接MOS管VT2的门极、第六脚接MOS管VT1的源极和MOS管VT2的栅极、第七脚通过电阻R9接MOS管VT1的门极、第八脚通过电容C5连接第六脚并通过1N5819二极管D1连接+15V电源； MOS管VT1栅极接恒定电压； MOS管VT2的源极接地。

所述的信号调理采集模块包括信号调理电路和信号采集部分；信号调理电路为：AD620芯片第一脚通过电阻R8和电阻R7连接第七脚、第二脚连接霍尔检测探头第一输出、第三脚连接霍尔检测探头第二输出、第四脚连接-12V电源、第五脚接地、第六脚为差分输出信号、第七脚接+12V电源；信号采集部分包括数据采集卡PCI-e6251。

基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法包括如下步骤：

1)信号预处理，激励信号放大模块产生激励信号给到差分霍尔检测探头;

2)采集参考信号，信号调理采集模块采集并处理检测信号至PC机，PC机安装有LABVIEW编写的组态软件；

3)信号处理，提取每个采样点的特征值，包括响应信号的峰峰值、差分过零时间、曲线曲率；

4)生成扫描成像图，每个采样点的峰峰值会对应强度图中的某一像素点，峰值越大，对应的像素点的颜色越深，每扫描一个点，PC机更新一次强度图，增加一个像素点，扫描完成后，强度图被像素点完全填满，得到平面扫描图；

5)获取缺陷深度，应用内层缺陷识别算法判断缺陷纵向位置，首先使用训练样本对系统训练，采用偏最小二乘拟合算法分别建立差分过零时间、曲线曲率与缺陷纵向位置线性关系函数，再通过拟合得出差分过零时间、曲线曲率的加权因子，得出深度与过零时间、曲线曲率的函数关系式，再选取强度图上显示的缺陷部分，用线性关系函数判断缺陷纵向位置。

所述的PC机安装有LABVIEW编写的组态软件，界面包括输入控件、选项卡、布尔控制控件、波形图显示控件，强度图显示控件，数值显示控件；输入控件包括数据采集物理通道、脉冲输出物理通道、采样频率、脉冲频率、占空比、文件保存路径、文件名、扫描间距、扫描长度、扫描宽度；布尔控制控件包括输出脉冲、开始检测、停止检测、调整位置、退出系统；波形图显示控件包括常规检测波形图、扫描检测当前位置波形图；数值显示控件包括当前扫描行、当前扫描列、特征值、缺陷深度；选项卡包括常规检测、扫描检测。

所述的PC机安装有LABVIEW编写的组态软件，包括如下流程：运行软件，系统进行内部变量和界面初始化，进入事件等待。用户点击开始检测控件，根据选项卡的选择进入扫描检测、常规检测不同的状态；若为常规检测，发出脉冲信号后，由选定的数据采集物理通道采集数据，将其显示在常规检测的波形图上，并保存数据；若为扫描检测，由扫描长度、扫描宽度、扫描间距得出步长，由数据采集物理通道采集当前位置的信号，将响应曲线显示在当前位置响应曲线波形图上，同时提取曲线峰值作为当前点的特征值，并由此更新至强度图，再判断运动控制器该如何运动：当前扫描行是否超过扫描宽度，若未超过，则按行运动一个步长，否则列运动一个步长，再按行方向扫描，直至行列均超过扫描长度和宽度，每扫描一个点，保存一次数据，文件名自动加1，强度图增加一个像素点，扫描结束时，强度图被像素点填满，得到试件扫描图，并显示缺陷的深度信息。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1）采用了一种基于脉冲涡流的霍尔检测探头对多层导电结构进行无损检测，不需要耦合介质；

2）检测速度快，生产效率高，更为灵敏，提高了检测效率及生产的可靠性；

3）增加了一种扫描检测技术，可对多层导电结构进行自动扫描检测，得到扫描图像，直观地看到缺陷的形状，并定量得到缺陷深度信息。

附图说明

图1为基于脉冲涡流扫描成像技术的多层导电结构缺陷检测装置的结构图；

图2是本发明的差分霍尔检测探头的结构示意图；

图3为本发明的51单片机系统原理图；

图4为本发明PC机内LABVIEW编写的组态软件界面；

图5为本发明PC机内LABVIEW编写的组态软件流程框图；

图6为本发明半桥驱动电路原理图；

图7为本发明信号调理模块原理图。

具体实施方式

如图1所示，基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测装置包括PC机、GT400运动控制器、51 单片机系统、半桥驱动电路、稳压电路、激励信号放大模块、信号调理采集模块、差分霍尔检测探头、待测多层导电结构；

半桥驱动电路分别与PC机、51 单片机系统、激励信号放大模块、稳压电路、差分霍尔检测探头相连，稳压电路分别与激励信号放大模块、信号调理采集模块相连，信号调理采集模块与PC机相连，GT400运动控制器上设有待测多层导电结构，待测多层导电结构上方设有差分霍尔检测探头并用固定机构固定，PC机与GT400运动控制器相连，差分霍尔检测探头与信号调理采集模块相连。

PC机通过串口与51单片机相连，51单片机系统的P2.7口输出一定频率的方波，与半桥驱动电路相连，PC机也可直接发送一定频率的方波输入到半桥驱动电路，根据实际情况选择方波产生方式；稳压电路产生稳定电压，供各芯片使用；激励信号通过激励信号放大模块，与半桥驱动电路相连；半桥驱动电路与检测探头相连；检测探头的两路输出信号与信号调理电路相连，再由数据采集卡采集至PC机；PC机与GT400运动控制装置相连；检测探头安装在固定机构上。

如图2所示，所述的差分霍尔检测探头包括铁芯2、线圈3、两个霍尔传感器4、金属壳5，两个霍尔传感器放置于探头的顶部和底部，铁芯内中空，铁芯上绕有线圈，线圈外设金属壳，检测探头为圆柱形结构。

如图3所示，所述的51单片机系统包括51单片机、晶振电路、指示灯、拨码开关、串口通讯电路、ISP下载接口，晶振电路、指示灯、拨码开关、串口通讯电路、ISP下载接口分别与51单片机相连。51单片机系统可产生1KHz方波信号，对于一些特殊频率可采用外部触发的方式，可用PC机产生，也可用函数发生器。

如图6所示，所述的半桥驱动电路为：IR2104芯片的第一脚接+15V电源并通过并联的电容C6连接至地、第二脚接航口E1、第三脚接+5V电源、第四脚接地、第五脚通过电阻R10接MOS管VT2的门极、第六脚接MOS管VT1的源极和MOS管VT2的栅极、第七脚通过电阻R9接MOS管VT1的门极、第八脚通过电容C5连接第六脚并通过1N5819二极管D1连接+15V电源； MOS管VT1栅极接恒定电压； MOS管VT2的源极接地。

如图7所示，所述的信号调理采集模块包括信号调理电路和信号采集部分；信号调理电路为：AD620芯片第一脚通过电阻R8和电阻R7连接第七脚、第二脚连接霍尔检测探头第一输出、第三脚连接霍尔检测探头第二输出、第四脚连接-12V电源、第五脚接地、第六脚为差分输出信号、第七脚接+12V电源；信号采集部分包括数据采集卡PCI-e6251。

为了克服外界环境对检测信号的影响，探头采用差分式霍尔检测探头，探头内部在顶部、底部有两个霍尔传感器，将两个霍尔传感器的测量值做差分后的信号作为后期处理的信号。使用固定结构对探头进行固定，通过PC机控制GT400运动控制装置，从而可以移动待测多层导电结构，检测不同部位。

基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法包括如下步骤：

1)信号预处理，激励信号放大模块产生激励信号给到差分霍尔检测探头;

2)采集参考信号，信号调理采集模块采集并处理检测信号至PC机，PC机安装有LABVIEW编写的组态软件；

3)信号处理，提取每个采样点的特征值，包括响应信号的峰峰值、差分过零时间、曲线曲率；

4)生成扫描成像图，每个采样点的峰峰值会对应强度图中的某一像素点，峰值越大，对应的像素点的颜色越深，每扫描一个点，PC机更新一次强度图，增加一个像素点，扫描完成后，强度图被像素点完全填满，得到平面扫描图；

5)获取缺陷深度，应用内层缺陷识别算法判断缺陷纵向位置，首先使用训练样本对系统训练，采用偏最小二乘拟合算法分别建立差分过零时间、曲线曲率与缺陷纵向位置线性关系函数，再通过拟合得出差分过零时间、曲线曲率的加权因子，得出深度与过零时间、曲线曲率的函数关系式，再选取强度图上显示的缺陷部分，用线性关系函数判断缺陷纵向位置。

如图4所示，所述的PC机安装有LABVIEW编写的组态软件，界面包括输入控件、选项卡、布尔控制控件、波形图显示控件，强度图显示控件，数值显示控件；输入控件包括数据采集物理通道、脉冲输出物理通道、采样频率、脉冲频率、占空比、文件保存路径、文件名、扫描间距、扫描长度、扫描宽度；布尔控制控件包括输出脉冲、开始检测、停止检测、调整位置、退出系统；波形图显示控件包括常规检测波形图、扫描检测当前位置波形图；数值显示控件包括当前扫描行、当前扫描列、特征值、缺陷深度；选项卡包括常规检测、扫描检测。

如图5所示，所述的PC机安装有LABVIEW编写的组态软件，包括如下流程：运行软件，系统进行内部变量和界面初始化，进入事件等待。用户点击开始检测控件，根据选项卡的选择进入扫描检测、常规检测不同的状态；若为常规检测，发出脉冲信号后，由选定的数据采集物理通道采集数据，将其显示在常规检测的波形图上，并保存数据；若为扫描检测，由扫描长度、扫描宽度、扫描间距得出步长，由数据采集物理通道采集当前位置的信号，将响应曲线显示在当前位置响应曲线波形图上，同时提取曲线峰值作为当前点的特征值，并由此更新至强度图，再判断运动控制器该如何运动：当前扫描行是否超过扫描宽度，若未超过，则按行运动一个步长，否则列运动一个步长，再按行方向扫描，直至行列均超过扫描长度和宽度，每扫描一个点，保存一次数据，文件名自动加1，强度图增加一个像素点，扫描结束时，强度图被像素点填满，得到试件扫描图，并显示缺陷的深度信息。

Claims (7)

1.一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其使用的多层导电结构缺陷检测装置包括PC机、GT400运动控制器、51 单片机系统、半桥驱动电路、稳压电路、激励信号放大模块、信号调理采集模块、差分霍尔检测探头、待测多层导电结构；半桥驱动电路分别与PC机、51 单片机系统、激励信号放大模块、稳压电路、差分霍尔检测探头相连，稳压电路分别与激励信号放大模块、信号调理采集模块相连，信号调理采集模块与PC机相连，GT400运动控制器上设有待测多层导电结构，待测多层导电结构上方设有差分霍尔检测探头并用固定机构固定，PC机与GT400运动控制器相连，差分霍尔检测探头与信号调理采集模块相连；

其特征在于包括如下步骤：

1)信号预处理，激励信号放大模块产生激励信号给到差分霍尔检测探头;

2)采集参考信号，信号调理采集模块采集并处理检测信号至PC机，PC机安装有LABVIEW编写的组态软件；

3)信号处理，提取每个采样点的特征值，包括响应信号的峰峰值、差分过零时间、曲线曲率；

4)生成扫描成像图，每个采样点的峰峰值会对应强度图中的某一像素点，峰值越大，对应的像素点的颜色越深，每扫描一个点，PC机更新一次强度图，增加一个像素点，扫描完成后，强度图被像素点完全填满，得到平面扫描图；

5)获取缺陷深度，应用内层缺陷识别算法判断缺陷纵向位置，首先使用训练样本对系统训练，采用偏最小二乘拟合算法分别建立差分过零时间、曲线曲率与缺陷纵向位置线性关系函数，再通过拟合得出差分过零时间、曲线曲率的加权因子，得出深度与过零时间、曲线曲率的函数关系式，再选取强度图上显示的缺陷部分，用线性关系函数判断缺陷纵向位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其特征在于所述的差分霍尔检测探头包括铁芯（2）、线圈（3）、两个霍尔传感器（4）、金属壳（5），两个霍尔传感器放置于探头的顶部和底部，铁芯内中空，铁芯上绕有线圈，线圈外设金属壳，检测探头为圆柱形结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其特征在于，所述的51单片机系统包括51单片机、晶振电路、指示灯、拨码开关、串口通讯电路、ISP下载接口，晶振电路、指示灯、拨码开关、串口通讯电路、ISP下载接口分别与51单片机相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其特征在于，所述的半桥驱动电路为：IR2104芯片的第一脚接+15V电源并通过并联的第六电容（C6）连接至地、第二脚接航口（E1）、第三脚接+5V电源、第四脚接地、第五脚通过第十电阻（R10）接第二MOS管（VT2）的门极、第六脚接第一MOS管（VT1）的源极和第二MOS管（VT2）的栅极、第七脚通过第九电阻（R9）接第一MOS管（VT1）的门极、第八脚通过第五电容（C5）连接第六脚并通过1N5819二极管（D1）连接+15V电源；第一MOS管（VT1）栅极接恒定电压；第二MOS管（VT2）的源极接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其特征在于，所述的信号调理采集模块包括信号调理电路和信号采集部分；信号调理电路为：AD620芯片第一脚通过第八电阻（R8）和第七电阻（R7）连接第七脚、第二脚连接霍尔检测探头第一输出、第三脚连接霍尔检测探头第二输出、第四脚连接-12V电源、第五脚接地、第六脚为差分输出信号、第七脚接+12V电源；信号采集部分包括数据采集卡PCI-e6251。

6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其特征在于，所述的PC机安装有LABVIEW编写的组态软件，界面包括输入控件、选项卡、布尔控制控件、波形图显示控件、强度图显示控件、数值显示控件；输入控件包括数据采集物理通道、脉冲输出物理通道、采样频率、脉冲频率、占空比、文件保存路径、文件名、扫描间距、扫描长度、扫描宽度；布尔控制控件包括输出脉冲、开始检测、停止检测、调整位置、退出系统、缺陷深度；波形图显示控件包括常规检测波形图、扫描检测当前位置波形图；数值显示控件包括当前扫描行、当前扫描列、特征值、缺陷深度；选项卡包括常规检测、扫描检测。

7.根据权利要求1所述的一种基于脉冲涡流的多层导电结构缺陷检测方法，其特征在于，所述的PC机安装有LABVIEW编写的组态软件，包括如下流程：运行软件，系统进行内部变量和界面初始化，进入事件等待，用户点击开始检测控件，根据选项卡的选择进入扫描检测、常规检测不同的状态；若为常规检测，发出脉冲信号后，由选定的数据采集物理通道采集数据，将其显示在常规检测的波形图上，并保存数据；若为扫描检测，由扫描长度、扫描宽度、扫描间距得出步长，由数据采集物理通道采集当前位置的信号，将响应曲线显示在当前位置响应曲线波形图上，同时提取曲线峰值作为当前点的特征值，并由此更新至强度图，再判断运动控制器该如何运动：当前扫描行是否超过扫描宽度，若未超过，则按行运动一个步长，否则列运动一个步长，再按行方向扫描，直至行列均超过扫描长度和宽度，每扫描一个点，保存一次数据，文件名自动加1，强度图增加一个像素点，扫描结束时，强度图被像素点填满，得到试件扫描图，并显示缺陷的深度信息。