CN107167517B - 基于压缩感知的涡流阵列检测装置、其检测方法及涡流阵列探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置、其检测方法及涡流阵列探头，检测装置包括激励信号发生器、功率放大器、涡流阵列探头、信号采集模块、FPGA控制器和PC上位机；涡流阵列探头由涡流探头单元组成，涡流探单元头由探头外壳、端头、底盖、安装螺母、激励线圈、线圈骨架、铁芯、TMR磁场传感器、印刷电路板构成。本发明利用涡流阵列信号自身的稀疏性，在保证信号重构精度的同时，大幅降低了信号采样频率，由此降低了对采样电路等硬件模块的要求，减少了采样数据量，有利于减轻数据采集、传输、存储的硬件负担，延长了设备使用寿命。对于由有限能源供电且使用阵列式探头的便携式设备来说，可节省大量采样能耗和计算能耗，大幅延长工作时间。

Description

基于压缩感知的涡流阵列检测装置、其检测方法及涡流阵列 探头

技术领域

本发明一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置、其检测方法及涡流阵列探头，属于无损检测技术领域。

背景技术

目前常规涡流检测装置使用阵列探头扫描时，为了获得不失真的信号，信号采样必须遵循香农-奈奎斯特(Shannon-Nyquist)采样定理，采样速率应不低于原信号最高频率的2倍，甚至更高。这样的高频数据采集方式，增加了硬件电路负荷、数据传输量和存储量，会导致数据传输延时高、设备使用寿命缩短。因此非常有必要设计一种新型检测装置，能在较低的采样频率下依然能保证信号还原精度，以减小涡流阵列检测装置的工作负荷。

发明内容

本发明提供了一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置，同时提供基于压缩感知的涡流阵列检测装置中的涡流阵列探头及基于压缩感知的涡流阵列检测装置的检测方法，以用于克服常规涡流检测装置使用阵列探头扫描时，为了获得不失真的信号，必须以高采样频率采集数据，数据传输量大、硬件电路负荷高的问题。

本发明的技术方案是：一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置，包括激励信号发生器、功率放大器、涡流阵列探头、信号采集模块、FPGA控制器和PC上位机；

所述FPGA控制器通过GPIB总线、IO口、RS232总线分别与激励信号发生器、信号采集模块和PC上位机相连；PC上位机通过RS232总线将指令发送至FPGA控制器，FPGA控制器根据接收到的指令，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生脉冲激励信号；FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至信号采集模块；所述激励信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与涡流阵列探头中各涡流探头单元10的激励线圈5相连，激励信号发生器在FPGA控制器控制下产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动激励线圈产生激励磁场；涡流阵列探头每个涡流探头单元10的TMR磁场传感器8输出端分别与信号采集模块输入端相连；信号采集模块输出端与PC上位机相连。

所述FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至数据采集卡；

所述信号采样模块包括低通滤波器、电压放大器、数据采集卡；其中涡流阵列探头中的TMR磁场传感器8输出端与低通滤波器输入端相连，低通滤波器的输出端与电压放大器的输入端相连，电压放大器的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与PC上位机连接。

一种实现基于压缩感知的涡流阵列检测装置中的涡流阵列探头，所述涡流阵列探头由1个或者多个完全相同的涡流探头单元10组成，每个涡流探单元头10由探头外壳1、端头2、底盖3、安装螺母4、激励线圈5、线圈骨架6、铁芯7、TMR磁场传感器8和印刷电路板9构成；其中圆柱形的激励线圈5绕于线圈骨架6外侧，铁芯7位于线圈骨架6内，TMR磁场传感器8焊接在印刷电路板9上，印刷电路板9位于线圈骨架6上方，TMR磁场传感器8的接线由印刷电路板6引出，并从探头外壳1顶端的端头2开孔穿出，底盖3将圆柱形激励线圈5、线圈骨架6、铁芯7、TMR磁场传感器8轴向压紧封装在探头外壳1内，固定在探头外壳1外的安装螺母4用于紧固板型安装支架11。

一种采用基于压缩感知的涡流阵列检测装置进行检测的方法，所述方法的步骤如下：

S1、信号预采样：在PC上位机上设置激励信号参数，通过RS232总线将参数和指令发送至FPGA控制器；FPGA控制器接收到参数和指令后，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动涡流阵列探头中的激励线圈5产生激励磁场，激励磁场作用于检测试件，涡流阵列探头中所有TMR磁场传感器8相应地检测到试件感生磁场的变化，并输出电压信号作为原始脉冲涡流阵列信号X(t)，经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后，通过数据采集卡采集的信号为离散信号x；同时FPGA控制器产生随机m伪序列，并通过数据采集卡采集；通过数据采集卡采集的数据送至上PC上位机；其中，低通滤波器选用二阶巴特沃斯低通滤波器，传递函数为H₁(s)，电压放大器采用固定增益放大，放大倍数为G；

S2、求离散信号x的稀疏表示：选取傅里叶变换矩阵作为稀疏基矩阵Ψ，从而将离散信号x稀疏表示为：x＝Ψc；其中，c为稀疏系数，Ψ＝[ψ₁|ψ₂|…ψ_N]，x为采集的原始脉冲涡流阵列信号X(t)的离散信号，N为原始脉冲涡流阵列信号X(t)的长度；

S3、求稀疏采样频率：稀疏采样频率为原始脉冲涡流阵列信号X(t)最高频率的2M/N倍；其中，M＝Kln(N/M)，K为离散信号x的稀疏度；

S4、求传感矩阵：根据H₁(s)、G得到观测过程传递函数为：H(s)＝H₁(s)G；对H(s)的单位脉冲响应进行离散化处理，离散频率与m伪序列的时钟频率相等，并从离散化处理结果中取前(M×N)/2个值构成序列h(n₁)，从FPGA控制器生成的m伪序列值中取出前1+(M×N)/2个值，构成序列P(n₂)，根据h(n₁)和P(n₂)求卷积得到观测矩阵/>最终得到传感矩阵Θ＝ΦΨ；其中，n₁＝0,1,...,-1+(M×N)/2，n₂＝0,1,...,(M×N)/2，n₃＝0,1,...,M×N-1，L＝M×N-N；

S5、稀疏采样：使用步骤S3中求出的稀疏采样频率，通过数据采集卡对经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后的原始脉冲涡流阵列信号X(t)进行稀疏采样，得到观测值y并送至PC上位机；y＝Φx＝ΦΨc＝Θc；

S6、在PC上位机中根据观测值y和传感矩阵Θ，采用补空间匹配追踪算法对观测值y进行原始信号的重构，从而获得最终的涡流阵列检测信号，并显示和存储；

S7、检测完成，则停止激励和采样，否则返回步骤S5进行下一次的采样。

本发明的有益效果是：本发明利用涡流阵列信号自身的稀疏性，在保证信号重构精度的同时，大幅降低了信号采样频率，由此显著降低了对采样电路等硬件模块的要求，减少了采样数据量，有利于减轻数据采集、传输、存储的硬件负担，延长了设备使用寿命。对于由有限能源供电且使用阵列式探头的便携式设备来说，可节省大量采样能耗和计算能耗，大幅延长工作时间。

附图说明

图1为本发明涡流阵列检测装置结构框图；

图2为本发明涡流探头单元结构立体示意图；

图3为本发明涡流探头单元结构剖视示意图；

图4为本发明涡流探头单元结构俯视示意图；

图5为涡流探头单元安装固定方式示意图；

图6为涡流阵列探头结构示意图；

图7为涡流阵列检测装置的检测方法流程图。

图8为涡流阵列检测装置的信号流图；

图中各标号：1-探头外壳、2-端头、3-底盖、4-安装螺母、5-激励线圈、6-线圈骨架、7-铁芯、8-TMR磁场传感器、9-印刷电路板，10-涡流探头单元，11-板型安装支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1-8所示，一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置，包括激励信号发生器、功率放大器、涡流阵列探头、信号采集模块、FPGA控制器和PC上位机；

所述FPGA控制器通过GPIB总线、IO口、RS232总线分别与激励信号发生器、信号采集模块和PC上位机相连；PC上位机通过RS232总线将指令发送至FPGA控制器，FPGA控制器根据接收到的指令，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生脉冲激励信号；FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至信号采集模块；所述激励信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与涡流阵列探头中各涡流探头单元10的激励线圈5相连，激励信号发生器在FPGA控制器控制下产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动激励线圈产生激励磁场；涡流阵列探头每个涡流探头单元10的TMR磁场传感器8输出端分别与信号采集模块输入端相连；信号采集模块输出端与PC上位机相连。

所述FPGA控制器可以通过IO口发送随机m伪序列至数据采集卡；

所述信号采样模块可以为：包括低通滤波器、电压放大器、数据采集卡；其中涡流阵列探头中的TMR磁场传感器8输出端与低通滤波器输入端相连，低通滤波器的输出端与电压放大器的输入端相连，电压放大器的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与PC上位机连接。

一种实现基于压缩感知的涡流阵列检测装置中的涡流阵列探头，所述涡流阵列探头可以为：由8个完全相同的涡流探头单元10组成(根据实际需要，可增加或减少探头单元数量；涡流阵列探头按照图6所示方向进行扫描，检测效率明显较单个探头提高很多)，每个涡流探单元头10由探头外壳1、端头2、底盖3、安装螺母4、激励线圈5、线圈骨架6、铁芯7、TMR磁场传感器8和印刷电路板9构成；其中圆柱形的激励线圈5绕于线圈骨架6外侧，铁芯7位于线圈骨架6内，TMR磁场传感器8焊接在印刷电路板9上，印刷电路板9位于线圈骨架6上方，TMR磁场传感器8的接线由印刷电路板6引出，并从探头外壳1顶端的端头2开孔穿出，底盖3将圆柱形激励线圈5、线圈骨架6、铁芯7、TMR磁场传感器8轴向压紧封装在探头外壳1内，固定在探头外壳1外的安装螺母4用于紧固板型安装支架11。

一种采用基于压缩感知的涡流阵列检测装置进行检测的方法，所述方法的步骤如下：

S1、信号预采样：在PC上位机上设置激励信号参数，通过RS232总线将参数和指令发送至FPGA控制器；FPGA控制器接收到参数和指令后，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动涡流阵列探头中的激励线圈5产生激励磁场，激励磁场作用于检测试件，涡流阵列探头中所有TMR磁场传感器8相应地检测到试件感生磁场的变化，并输出电压信号作为原始脉冲涡流阵列信号X(t)，经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后，通过数据采集卡采集的信号为离散信号x；同时FPGA控制器产生随机m伪序列，并通过数据采集卡采集；通过数据采集卡采集的数据送至上PC上位机；其中，低通滤波器选用二阶巴特沃斯低通滤波器，传递函数为H₁(s)，电压放大器采用固定增益放大，放大倍数为G；

S2、求离散信号x的稀疏表示：选取傅里叶变换矩阵作为稀疏基矩阵Ψ，从而将离散信号x稀疏表示为：x＝Ψc；其中，c为稀疏系数，Ψ＝[ψ₁|ψ₂|…ψ_N]，x为采集的原始脉冲涡流阵列信号X(t)的离散信号，N为原始脉冲涡流阵列信号X(t)的长度；

S3、求稀疏采样频率：稀疏采样频率为原始脉冲涡流阵列信号X(t)最高频率的2M/N倍；其中，M＝Kln(N/M)，K为离散信号x的稀疏度；

S4、求传感矩阵：根据H₁(s)、G得到观测过程传递函数为：H(s)＝H₁(s)G；对H(s)的单位脉冲响应进行离散化处理，离散频率与m伪序列的时钟频率相等，并从离散化处理结果中取前(M×N)/2个值构成序列h(n₁)，从FPGA控制器生成的m伪序列值中取出前1+(M×N)/2个值，构成序列P(n₂)，根据h(n₁)和P(n₂)求卷积得到观测矩阵/>最终得到传感矩阵Θ＝ΦΨ；其中，n₁＝0,1,...,-1+(M×N)/2，n₂＝0,1,...,(M×N)/2，n₃＝0,1,...,M×N-1，L＝M×N-N；

S5、稀疏采样：使用步骤S3中求出的稀疏采样频率，通过数据采集卡对经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后的原始脉冲涡流阵列信号X(t)进行稀疏采样，得到观测值y并送至PC上位机；y＝Φx＝ΦΨc＝Θc；

S6、在PC上位机中根据观测值y和传感矩阵Θ，采用补空间匹配追踪算法对观测值y进行原始信号的重构，从而获得最终的涡流阵列检测信号，并显示和存储；

S7、检测完成，则停止激励和采样，否则返回步骤S5进行下一次的采样。

其中，信号采集卡可以采用NI的PCIe-6343数据采集卡，包含32路模拟量输入和4路模拟量输出，通过PCI Express总线与PC上位机交换数据。激励线圈5的内、外圈半径等参数及TMR磁场传感器8参数可以如表1所示：

表1

匝数(激励线圈绕线圈数)	330
		激励线圈的内圈半径	9.0mm
激励线圈的外圈半径	12.5mm
		激励线圈绕线高度	20.7mm
绕制激励线圈铜线直径	0.15mm
		TMR磁场传感器尺寸	长5mm×宽5mm×高2.5mm

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，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 (2)

1.一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置，其特征在于：包括激励信号发生器、功率放大器、涡流阵列探头、信号采集模块、FPGA控制器和PC上位机；

所述FPGA控制器通过GPIB总线、IO口、RS232总线分别与激励信号发生器、信号采集模块和PC上位机相连；PC上位机通过RS232总线将指令发送至FPGA控制器，FPGA控制器根据接收到的指令，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生脉冲激励信号；FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至信号采集模块；所述激励信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与涡流阵列探头中各涡流探头单元(10)的激励线圈(5)相连，激励信号发生器在FPGA控制器控制下产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动激励线圈产生激励磁场；涡流阵列探头每个涡流探头单元(10)的TMR磁场传感器(8)输出端分别与信号采集模块输入端相连；信号采集模块输出端与PC上位机相连；

所述FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至数据采集卡；

所述信号采样模块包括低通滤波器、电压放大器、数据采集卡；其中涡流阵列探头中的TMR磁场传感器(8)输出端与低通滤波器输入端相连，低通滤波器的输出端与电压放大器的输入端相连，电压放大器的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与PC上位机连接；

实现基于压缩感知的涡流阵列检测装置中的涡流阵列探头由涡流探头单元(10)组成，每个涡流探单元头(10)由探头外壳(1)、端头(2)、底盖(3)、安装螺母(4)、激励线圈(5)、线圈骨架(6)、铁芯(7)、TMR磁场传感器(8)和印刷电路板(9)构成；其中圆柱形的激励线圈(5)绕于线圈骨架(6)外侧，铁芯(7)位于线圈骨架(6)内，TMR磁场传感器(8)焊接在印刷电路板(9)上，印刷电路板(9)位于线圈骨架(6)上方，TMR磁场传感器(8)的接线由印刷电路板引出，并从探头外壳(1)顶端的端头(2)开孔穿出，底盖(3)将圆柱形激励线圈(5)、线圈骨架(6)、铁芯(7)、TMR磁场传感器(8)轴向压紧封装在探头外壳(1)内，固定在探头外壳(1)外的安装螺母(4)用于紧固板型安装支架(11)。

2.一种采用权利要求根据权利要求1所述的基于压缩感知的涡流阵列检测装置进行检测的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

S1、信号预采样：在PC上位机上设置激励信号参数，通过RS232总线将参数和指令发送至FPGA控制器；FPGA控制器接收到参数和指令后，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动涡流阵列探头中的激励线圈(5)产生激励磁场，激励磁场作用于检测试件，涡流阵列探头中所有TMR磁场传感器(8)相应地检测到试件感生磁场的变化，并输出电压信号作为原始脉冲涡流阵列信号X(t)，经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后，通过数据采集卡采集的信号为离散信号x；同时FPGA控制器产生随机m伪序列，并通过数据采集卡采集；通过数据采集卡采集的数据送至上PC上位机；其中，低通滤波器选用二阶巴特沃斯低通滤波器，传递函数为H₁(s)，电压放大器采用固定增益放大，放大倍数为G；

S2、求离散信号x的稀疏表示：选取傅里叶变换矩阵作为稀疏基矩阵Ψ，从而将离散信号x稀疏表示为：x＝Ψc；其中，c为稀疏系数，Ψ＝[ψ₁|ψ₂|...ψ_N]，x为采集的原始脉冲涡流阵列信号X(t)的离散信号，N为原始脉冲涡流阵列信号X(t)的长度；

S3、求稀疏采样频率：稀疏采样频率为原始脉冲涡流阵列信号X(t)最高频率的2M/N倍；其中，M＝Kln(N/M)，K为离散信号x的稀疏度；

S4、求传感矩阵：根据H₁(s)、G得到观测过程传递函数为：H(s)＝H₁(s)G；对H(s)的单位脉冲响应进行离散化处理，离散频率与m伪序列的时钟频率相等，并从离散化处理结果中取前(M×N)/2个值构成序列h(n₁)，从FPGA控制器生成的m伪序列值中取出前1+(M×N)/2个值，构成序列P(n₂)，根据h(n₁)和P(n₂)求卷积得到观测矩阵最终得到传感矩阵Θ＝ΦΨ；其中，n₁＝0,1,...,-1+(M×N)/2，n₂＝0,1,...,(M×N)/2，n₃＝0,1,...,M×N-1，L＝M×N-N；

S5、稀疏采样：使用步骤S3中求出的稀疏采样频率，通过数据采集卡对经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后的原始脉冲涡流阵列信号X(t)进行稀疏采样，得到观测值y并送至PC上位机；y＝Φx＝ΦΨc＝Θc；

S6、在PC上位机中根据观测值y和传感矩阵Θ，采用补空间匹配追踪算法对观测值y进行原始信号的重构，从而获得最终的涡流阵列检测信号，并显示和存储；

S7、检测完成，则停止激励和采样，否则返回步骤S5进行下一次的采样。