CN107167516B

CN107167516B - 双差动式脉冲涡流探头单元、阵列探头及检测装置

Info

Publication number: CN107167516B
Application number: CN201710371241.0A
Authority: CN
Inventors: 包俊; 叶波; 吴建德; 王晓东; 黄国勇; 范玉刚; 冯早; 邹金慧
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2023-09-26
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: CN107167516A

Abstract

本发明涉及双差动式脉冲涡流探头单元、阵列探头及检测装置。本发明双差动式脉冲涡流探头单元包括探头外壳、接线端头、线圈骨架、激励线圈、感应线圈、差分放大模块和端盖。阵列探头由16个双差动式脉冲涡流探头单元构成，并由探头套壳固定探头单元，探头套壳之间由连杆相互连接，组成4×4矩阵结构；根据需要，可扩展或更改阵列探头中的探头单元数量和阵列排布方式。所述检测装置包括阵列探头、微控制器、波形发生模块、信号调理电路、多路复用电路、串行通信模块、数据采集卡和直流稳压源。本发明可以有效抑制涡流无损检测中的提离效应影响，提高信噪比和抗干扰能力，并具有较高的检测速度、检测精度以及较大的检测范围。

Description

双差动式脉冲涡流探头单元、阵列探头及检测装置

技术领域

本发明涉及双差动式脉冲涡流探头单元、阵列探头及检测装置，属于探头技术领域。

背景技术

脉冲涡流无损检测是涡流无损检测的重要新兴分支技术，是近年来迅速发展起来的新型检测技术，主要用于金属、导体材料表面、亚表面或不同深度的缺陷检测。

脉冲涡流检测检测技术与传统涡流技术及其他无损技术相比有着如下的优势：1、脉冲涡流具有很宽的频谱范围，其频谱范围可以从直流到100KHz甚至更高，这样在理论上就可以检测到不同深度位置的缺陷。2、脉冲涡流检测时的激励信号使用的是脉冲方波，使得检测信号抗干扰能力更强。3、脉冲涡流检测与超声相比不需耦合剂，无接触检测，并且被测物体表面无需清理。4、脉冲涡流检测可以在较短的时间内采集大量的信号，这使得脉冲涡流检测技术更容易发展传感器阵列技术。

脉冲涡流检测也存在着一些局限性：脉冲涡流检测容易受到提离效应的影响；脉冲涡流检测使用宽频谱的脉冲激励，对检测系统的信噪比要较高。因此设计一种可有效抑制提离效应、提高信噪比和检测精度的探头和装置势在必行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供进一步由双差动式脉冲涡流探头单元构成的阵列探头，同时提供包括所述阵列探头的检测装置，本发明可以有效抑制涡流无损检测中的提离效应影响，提高信噪比和抗干扰能力，并具有较高的检测速度、检测精度以及较大的检测范围。

本发明提供的双差动式脉冲涡流探头单元，包括线圈骨架1、激励线圈2、感应线圈A1、A2、B1、B2、差分放大模块3、接线端头4、探头外壳5、端盖6；所述线圈骨架1为陶瓷纤维材料制成，探头外壳5为工业纯铁圆管；端盖6为陶瓷纤维材料制成。所述线圈骨架1内侧为带十字支架的开口圆管，激励线圈2绕于其外侧，4个感应线圈A1、A2、B1、B2绕于其内侧支架上；差分放大模块3位于线圈骨架上方，且同感应线圈A1、A2、B1、B2连接；探头外壳5为圆管，接线端头4套于其顶部，接线端头4中间有通孔，激励线圈2、差分放大模块3的接线从所述通孔中穿出；端盖6和探头外壳5底部连接，将饶有线圈的线圈骨架1和差分放大模块3轴向压紧封闭在探头外壳5内。

进一步的，所述激励线圈2为漆包铜线圆形空心线圈，线经0.4mm，内径15mm，高35mm，180匝；4个感应线圈A1、A2、B1、B2完全相同，为漆包铜线矩形线圈，线经0.2mm，宽10mm，高20mm，450匝。

进一步的，所述4个感应线圈A1、A2、B1、B2两两相差90°分布于激励线圈2内圆周的线圈骨架1内，且垂直于激励线圈2横截面；感应线圈A1、A2和感应线圈B1、B2各构成一组差动式结构，即每个双差动结构探头含有2组差动感应线圈组。

进一步的，所述差分放大模块3由四通道运算放大器芯片OP400构成，放大倍数通过电位器调节。

进一步的，本发明进一步提供一种利用双差动式脉冲涡流探头单元构成的阵列探头，所述阵列探头的阵列包括16个双差动式脉冲涡流探头单元7，16个双差动式脉冲涡流探头单元7由阵列支架8固定，组成4×4的矩阵形式；阵列支架8由探头套壳9和连杆10构成；双差动式脉冲涡流探头单元7垂直装入探头套壳9，由螺丝11穿入探头套壳9上的螺孔Ⅰ12固定，探头接线由探头套壳9上部的通孔13穿出；各探头套壳9由连杆10通过螺孔Ⅱ14相互连接；根据需要，能扩展或更改阵列探头中的探头单元数量和阵列排布方式。

进一步的，所述螺丝11和螺孔Ⅰ12的螺纹制式为M3，螺距0.5mm；所述连杆10和螺孔Ⅱ14的螺纹制式为M6，螺距1.0mm；所述连杆10长60mm。

进一步的，本发明同时提供一种包含所述的双差动式脉冲涡流阵列探头的检测装置，还包括微控制器、波形发生模块、多路复用模块、信号调理模块、串行通信模块、数据采集卡和直流稳压源；所述微控制器通过串行通信模块和PC机连接，通过RS232总线从PC机上位机软件接收指令，并根据指令控制波形发生模块和多路复用模块；所述波形发生模块产生脉冲激励信号，并按顺序分时对双差动式脉冲涡流探头单元中的激励线圈分时激励，阵列探头产生16路感生磁场的差动信号，通过导线连接送至多路复用模块输入端；所述多路复用模块同时根据微控制器指令，分时把16路差动信号从公共通道输出至信号调理电路输入端；所述信号调理模块对信号滤波处理后，将信号输出至数据采集卡，数据采集卡将模拟信号变为数字信号后送到PC机进行处理，并在上位机软件显示缺陷位置与深度。

进一步的，所述微控制器为STC154K32S单片机。该单片机抗干扰、抗静电能力较强，满足工作环境需要；同时该单片机带有6路15位高精度PWM，可通过内部脉冲宽度调制模块产生方波信号，驱动波形发生模块产生脉冲激励信号。

进一步的，所述波形发生模块主要由2N3904三极管、1N4007二极管、GZ5-L固体继电器、ADG1206多路复用芯片构成。微控制器产生的方波信号控制三极管道通，使继电器开断或闭合，产生脉冲激励信号。脉冲激励信号通过ADG1206多路复用芯片，可顺序对阵列探头中的单个激励线圈分时激励。

进一步的，所述多路复用模块主要由ADG1206多路复用芯片构成；为矩阵探头提供16个输入端和1个信号复用通道。阵列探头的16个差动输出通过该模块可分时通过信号复用通道输出至信号调理模块。

进一步的，所述信号调理模块由双运算放大器芯片LM358构成。可滤除电路自带的直流分量和过滤高频噪声。

进一步的，所述串行通信模块主要由MAX232芯片构成，实现微控制器TTL电平与PC机RS232电平的相互转换，完成微控制器与PC机之间的通信。通过模块的DB9接口，使用RS232串行总线同PC机串口连接。

本发明的有益效果是：

(1)双差动式脉冲涡流探头单元中，采用垂直于激励线圈横截面的感应线圈布置方式。在被检试件无缺陷时，感应线圈在垂直方向移动无磁通量，不产生感应电流，即输出为0，可以有效抑制提离效应。

(2)双差动式脉冲涡流探头单元中，差动式的结构设计。由于其感应线圈对称分布，热耦合、外部噪声、空气间隙等干扰均相同，差动输出后干扰将会被抑制，同时也可进一步消除提离效应的影响。所以差动式结构探头具有更高的信噪比和抗干扰能力，灵敏度非常高，可以检测到非常微小的缺陷。

(3)双差动式脉冲涡流探头中单元，两组差动式感应线圈的垂直分布方式克服了常规检测时普通传统线圈探头对缺陷方向的依赖性，还可以同时实现二维平面纵横两个方向上的高精度检测，准确识别缺陷位置。

(4)双差动式脉冲涡流探头单元集成了差分放大模块，使4个感应线圈两级的差分通过电路完成，只输出差动信号，减少了输出量和上位机处理的步骤。

(5)阵列探头的使用大幅提高了检测装置的检测效率与检测范围。同时，按特定顺序对探头单元分时激励、分时采集的设计方式降低了探头单元间的干扰。

(6)阵列探头可根据需要扩展或更改探头单元数量和阵列排布方式，构成方式灵活。

(7)检测装置集成了多路复用模块，使矩阵探头的输入与输出只各需要一个通道即可完成，节约了硬件通道。

附图说明

图1-2为本发明的双差动式脉冲涡流探头单元正视剖视图和俯视剖视图；

图3为本发明的感应线圈和激励线圈绕线方向示意图；

图4为本发明的双差动式脉冲涡流探头单元结构与接口示意图；

图5为双差动式脉冲涡流探头单元的差分放大模块电路；

图6为本发明的阵列探头构成方法图示；

图7为本发明的阵列探头构成方法效果图；

图8为本发明的检测装置结构及流程框图；

图9为检测装置的微控制器电路图；

图10为检测装置的串行通信模块电路图；

图11为检测装置的波形发生模块电路图；

图12为检测装置的多路复用模块电路图；

图13为检测装置的信号调理模块电路图。

图1-13中各标号：1-线圈骨架、2-激励线圈、A1、A2、B1、B2-感应线圈、3-差分放大模块、4-接线端头、5-探头外壳、6-端盖、7-双差动式脉冲涡流探头单元、8-阵列支架、9-探头套壳、10-连杆、11-螺丝、12螺孔Ⅰ、13-通孔、14-螺孔Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1、2、3所示，双差动式脉冲涡流探头单元、阵列探头及检测装置，包括线圈骨架1、激励线圈2、感应线圈A1、A2、B1、B2、差分放大模块3、接线端头4、探头外壳5、端盖6；所述线圈骨架1为陶瓷纤维材料制成，探头外壳5为工业纯铁圆管；端盖6为陶瓷纤维材料制成。所述线圈骨架1内侧为带十字支架的开口圆管，激励线圈2绕于其外侧，4个感应线圈A1、A2、B1、B2绕于其内侧支架上；差分放大模块3位于线圈骨架上方，且同感应线圈A1、A2、B1、B2连接；探头外壳5为圆管，接线端头4套于其顶部，接线端头4中间有通孔，激励线圈2、差分放大模块3的接线从所述通孔中穿出；端盖6和探头外壳5底部连接，将饶有线圈的线圈骨架1和差分放大模块3轴向压紧封闭在探头外壳5内。垂直于激励线圈横截面的感应线圈布置，在被检试件无缺陷时，感应线圈在垂直方向移动无磁通量，不产生感应电流，即输出为0，可以有效抑制提离效应。

作为本发明的进一步的方案，如图2、图3，所述4个感应线圈A1、A2、B1、B2两两相差90°分布于激励线圈2内圆周的线圈骨架1内，且垂直于激励线圈2横截面；感应线圈A1、A2和感应线圈B1、B2各构成一组差动式结构，即每个双差动结构探头含有2组差动感应线圈组。

如图4所示，外部有+12V供电、-12V供电、公共GND、差动输出、激励输入5条接线；其中+12V供电、-12V供电接线连接直流稳压源，给差分放大模块供电；差动输出接线连接装置中的多路复用模块的多路输入端；激励输入接线连接波形发生模块的多路输出端。

作为本发明的进一步的方案，如图5，所述差分放大模块3由亚德诺(ADI)半导体公司的四通道运算放大器芯片OP400构成，放大倍数通过电位器调节，该芯片集成了4个低失调运算放大器，只需1片芯片就可完成该模块电路设计，节省了空间和成本。

其中运算放大器A、B构成一级差分电路，运算放大器C构成二级差分电路，运算放大器D构成同相放大电路；A、B、C运算放大器构成的差分电路结构相同，以A为例，若R₁＝R₁₁，R₃＝R₇，则运算放大器A输出为：

A1、A2感应线圈构成一组差动结构接入运放A，B1、B2感应线圈构成一组差动结构接入运放B；两组差动线圈电压值做第一级差分后，输出接入运放C做第二级差分，差分后的电压信号通过运放D进行放大，其放大倍数可通过电位器R₄调节，最终输出的电压差动信号为：

作为本发明的进一步的方案，如图6，本发明进一步提供一种利用双差动式脉冲涡流探头单元构成的阵列探头，所述阵列探头的阵列包括16个双差动式脉冲涡流探头单元7，16个双差动式脉冲涡流探头单元7由阵列支架8固定，组成4×4的矩阵形式；阵列支架8由探头套壳9和连杆10构成；双差动式脉冲涡流探头单元7垂直装入探头套壳9，由螺丝11穿入探头套壳9上的螺孔Ⅰ12固定，探头接线由探头套壳9上部的通孔13穿出；各探头套壳9由连杆10通过螺孔Ⅱ14相互连接；

如图7所示，根据需要，能扩展或更改阵列探头中的探头单元数量和阵列排布方式。例如可根据需要，按所提供的方法构成5×5或5×4的探头阵列。

作为本发明的进一步的方案，本发明同时提供一种包含所述的双差动式脉冲涡流阵列探头的检测装置，如图8，显示了检测装置的结构及整个检测的流程，检测装置包括双差动式脉冲涡流阵列探头、微控制器、波形发生模块、多路复用模块、信号调理模块、串行通信模块、数据采集卡和直流稳压源；所述微控制器通过串行通信模块和PC机连接，通过RS232总线从PC机上位机软件接收指令，并根据指令控制波形发生模块和多路复用模块；所述波形发生模块产生脉冲激励信号，并按顺序分时对双差动式脉冲涡流探头单元中的激励线圈分时激励，阵列探头产生16路感生磁场的差动信号，通过导线连接送至多路复用模块输入端；所述多路复用模块同时根据微控制器指令，分时把16路差动信号从公共通道输出至信号调理电路输入端；所述信号调理模块对信号滤波处理后，将信号输出至数据采集卡，数据采集卡将模拟信号变为数字信号后送到PC机进行处理，并在上位机软件显示缺陷位置与深度。

作为本发明的进一步的方案，如图9，所述微控制器可以为宏晶科技公司的STC154K32S单片机。该单片机抗干扰、抗静电能力较强，满足工作环境需要；同时该单片机带有6路15位高精度PWM，可通过内部脉冲宽度调制模块产生方波信号，驱动波形发生模块产生脉冲激励信号。STC15W4K32S通过IO口P3.1、P3.0同串行通信模块连接，接收PC机指令；通过IO口P1.0～P1.4控制多路复用模块；通过IO口P2.4～P2.0、P3.7控制波形发生模块。

作为本发明的进一步的方案，如图10，所述串行通信模块主要由美信(MAXIM)公司的MAX232芯片构成，实现微控制器TTL电平与PC机RS232电平的相互转换，完成微控制器与PC机之间的通信。该模块U5的T2IN、T2OUT引脚与微控制器STC15W4K32S的IO口P3.1、P3.0连接，并通过模块的DB9接口，使用RS232串行总线同PC机串口连接。

作为本发明的进一步的方案，如图11，所述波形发生模块主要由亚德诺(ADI)半导体公司的多路复用器芯片ADG1206、上海超诚电子公司的固态继电器GZ5-L、三极管2N3904、二极管1N4007构成。波形发生模块通过微控制器输出的方波信号，控制三极管Q1的导通与截止，从而驱动继电器K1的开断产生脉冲激励信号；激励信号从多路复用芯片U3的公共通道D输入，输出端S1～S16连接阵列探头的16个激励线圈；微控制器通过对EN、A0、A1、A2、A3编码，选择信号从S1～S16中一路输出，从而实现对矩阵探头中单个探头单元激励线圈的顺序分时激励。

作为本发明的进一步的方案，如图12，多路复用模块主要由亚德诺(ADI)半导体公司的多路复用器芯片ADG1206构成；该模块的U6芯片S1～S16接收阵列探头的16路差动输出，U6的公共通道D连接信号调理模块；微控制器通过对EN、A0、A1、A2、A3编码，选择S1～S16中的一路差动信号输入，从公共通道D输出至信号调理模块，从而实现对矩阵探头多路差动信号的共用通道分时采集。

如图13所示：信号调理模块由德州仪器(TI)公司的双通道运算放大器芯片LM358构成，为有源二阶低通滤波器和有源二阶高通滤波器组成的四阶带通滤波器。信号调理模块输入端连接多路复用模块，输出端连接数据采集卡，数据采集卡将模拟信号变为数字信号后送到PC机进行处理。

应用时，一般脉冲激励信号的频率为50-150Hz，对脉冲信号进行傅里叶变换可知，其高阶次谐波分量的幅值已经很小，对检测结果基本上没有影响。因此，选择脉冲激励信号基频的50倍，即7500Hz作为低通滤波器的截止频率，选择50Hz作为高通滤波器截止频率。

其中运放A构成低通滤波器，滤除电路自带的直流分量。低通滤波器的放大倍数为：

另外，截止频率f₀＝1/2πR₁₆C₃，品质因数Q＝1/(2-R₁₂/R₂)。

其中运放B构成高通滤波器，滤除信号中的高频噪声干扰。低通滤波器的放大倍数为：

另外，截止频率f₀＝1/2πR₁₉C₁₂，品质因数Q＝1/(2-R₁₀/R₉)。

实施例2，本实施例其他结构和实施例1相同，其中作为进一步的，所述激励线圈2可以为漆包铜线圆形空心线圈，线经0.4mm，内径15mm，高35mm，180匝；4个感应线圈A1、A2、B1、B2完全相同，为漆包铜线矩形线圈，线经0.2mm，宽10mm，高20mm，450匝。

所述螺丝11和螺孔Ⅰ12的螺纹制式可以为为M3，螺距0.5mm；所述连杆10和螺孔Ⅱ14的螺纹制式为M6，螺距1.0mm；所述连杆10长60mm。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.双差动式脉冲涡流探头单元，其特征在于：包括线圈骨架（1）、激励线圈（2）、感应线圈A1、A2、B1、B2、差分放大模块（3）、接线端头（4）、探头外壳（5）、端盖（6）；所述线圈骨架（1）内侧为带十字支架的开口圆管，激励线圈（2）绕于其外侧，4个感应线圈A1、A2、B1、B2绕于其内侧支架上；差分放大模块（3）位于线圈骨架上方，且同感应线圈A1、A2、B1、B2连接；探头外壳（5）为圆管，接线端头（4）套于其顶部，接线端头（4）中间有通孔，激励线圈（2）、差分放大模块（3）的接线从所述通孔中穿出；端盖（6）和探头外壳（5）底部连接，将绕有线圈的线圈骨架（1）和差分放大模块（3）轴向压紧封闭在探头外壳（5）内；

所述线圈骨架（1）为陶瓷纤维材料制成，探头外壳（5）为工业纯铁圆管；端盖（6）为陶瓷纤维材料制成；

所述激励线圈（2）为漆包铜线圆形空心线圈，线经0.4mm，内径15mm，高35mm，180匝；4个感应线圈A1、A2、B1、B2完全相同，为漆包铜线矩形线圈，线经0.2mm，宽10mm，高20mm，450匝；

所述4个感应线圈A1、A2、B1、B2两两相差90°分布于激励线圈（2）内圆周的线圈骨架（1）内，且垂直于激励线圈（2）横截面；感应线圈A1、A2和感应线圈B1、B2各构成一组差动式结构，即每个双差动结构探头含有2组差动感应线圈组。

2.根据权利要求1所述的双差动式脉冲涡流探头单元，其特征在于：所述差分放大模块（3）由四通道运算放大器芯片OP400构成，放大倍数通过电位器调节。

3.一种利用权利要求1-2任一项所述的双差动式脉冲涡流探头单元构成的阵列探头，其特征在于：所述阵列探头的阵列包括16个双差动式脉冲涡流探头单元（7），16个双差动式脉冲涡流探头单元（7）由阵列支架（8）固定，组成4×4的矩阵形式；阵列支架（8）由探头套壳（9）和连杆（10）构成；双差动式脉冲涡流探头单元（7）垂直装入探头套壳（9），由螺丝（11）穿入探头套壳（9）上的螺孔Ⅰ（12）固定，探头接线由探头套壳（9）上部的通孔（13）穿出；各探头套壳（9）由连杆（10）通过螺孔Ⅱ（14）相互连接；根据需要，能扩展或更改阵列探头中的探头单元数量和阵列排布方式。

4.根据权利要求3所述的双差动式脉冲涡流探头单元构成的阵列探头，其特征在于：所述螺丝（11）和螺孔Ⅰ（12）的螺纹制式为M3，螺距0.5mm；所述连杆（10）和螺孔Ⅱ（14）的螺纹制式为M6，螺距1.0mm；所述连杆（10）长60mm。

5.一种包含由权利要求3-4任一项所述的双差动式脉冲涡流阵列探头的检测装置，其特征在于：还包括微控制器、波形发生模块、多路复用模块、信号调理模块、串行通信模块、数据采集卡和直流稳压源；所述微控制器通过串行通信模块和PC机连接，通过RS232总线从PC机上位机软件接收指令，并根据指令控制波形发生模块和多路复用模块；所述波形发生模块产生脉冲激励信号，并按顺序分时对双差动式脉冲涡流探头单元中的激励线圈分时激励，阵列探头产生16路感生磁场的差动信号，通过导线连接送至多路复用模块输入端；所述多路复用模块同时根据微控制器指令，分时把16路差动信号从公共通道输出至信号调理电路输入端；所述信号调理模块对信号滤波处理后，将信号输出至数据采集卡，数据采集卡将模拟信号变为数字信号后送到PC机进行处理，并在上位机软件显示缺陷位置与深度。

6.根据权利要求5所述的包含双差动式脉冲涡流阵列探头的检测装置，其特征在于：所述微控制器为STC154K32S单片机。

7.根据权利要求5所述的包含双差动式脉冲涡流阵列探头的检测装置，其特征在于：所述波形发生模块主要由2N3904三极管、1N4007二极管、GZ5-L固体继电器、ADG1206多路复用芯片构成。

8.根据权利要求5所述的包含双差动式脉冲涡流阵列探头的检测装置，其特征在于：所述多路复用模块主要由ADG1206多路复用芯片构成；所述信号调理模块由双运算放大器芯片LM358构成。