CN107422029A - 一种精确检测金属板缺陷的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确检测金属板缺陷的装置和方法，包括信号源、桥式激励模块、激励线圈、接收线圈、信号处理模块以及电源。依次切换信号源中各晶振，对应的固定频率脉冲控制信号通过桥式激励模块使激励线圈产生多频激励信号，此时激励线圈接近被测金属板时，多频激励信号会在金属板不同深度产生涡流，使接收线圈产生感应电流。信号处理模块对接收线圈中的信号进行采集、频域转换及数值对比，最终检测出金属板缺陷的位置、形状等信息。该装置的多频激励信号能同时检测被测金属板不同深度缺陷信息，多晶振切换模式能扩大激励信号检测深度，且阵列式接收线圈能扩大检测范围，具有结构简单、成本低廉、检测灵敏度、精度高，便于大规模生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置及方法，特别是涉及一种精确检测金属板缺陷的装置和方法。
背景技术
金属板在电机制造、设备加工、国防工业等众多领域有着广泛的应用，在金属板生产的过程中，质量的把控尤为重要。准确、高效的将金属板表层、内部存在的缺陷检测出来，将会为企业带来显著效益。目前无损检测的手段主要有射线、超声、磁粉以及涡流检测等，涡流检测由于具有自动化程度高、响应速度快的优点而被大量应用于工业现场，然而传统的涡流检测均为单频信号，只能针对某一特定深度的缺陷进行检测，难以同时检测金属表层及内在缺陷；且传统的涡流探头成本高，一致性差，不但抬高了生产成本，也限制了其检测精度和检测范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种精确检测金属板缺陷的装置和方法，该装置结构简单、成本低廉、可靠性高，能够精确检测出金属板表层及内在缺陷的形状、位置等参数信息。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种精确检测金属板缺陷的装置，包括信号源、桥式激励模块、激励线圈、接收线圈、信号处理模块以及电源；其中，所述的信号源控制桥式激励模块使得激励线圈中产生多频交变激励信号；激励线圈的多频激励信号使得被测金属板在不同深度形成涡流；接收线圈接收不同深度形成的涡流产生感应电压；信号处理模块采集接收线圈的感应电压信号进行处理鉴别缺陷点，并将信息上传至上位机；所述的电源分别为信号源、桥式激励模块和信号处理模块供电。
所述的激励线圈与接收线圈均设置在同一个多层印刷电路板上，且分别位于多层印刷电路板两侧的一层或多层电路板上；所述接收线圈由多个子接收线圈阵列排布组成，其中一个子接收线圈的圆心正投影落在激励线圈的圆心上。
所述的激励线圈与接收线圈均以螺旋线状绕制。多层的激励线圈之间串联连接，多层的对应的子接收线圈之间串联连接，多个子接收线圈分别与信号处理模块连接。
所述的激励线圈与接收线圈设置在距离被测金属板的0-1cm处。
所述的信号源由多枚无源晶振、两个非门、多路选择器及计数器构成；第一非门、多路选择器、计数器、第二非门依次电路连接，且均与电源连接；第一非门连接多枚晶振。
所述的桥式激励模块由两个场效应管驱动器及四个功率场效应管构成，两个场效应管驱动器及四个功率场效应管对应电路连接，且均与电源连接；其中四个功率场效应管组成桥式电路，激励线圈与桥式电路连接；第二非门分别与两个场效应管驱动器连接。
所述的信号处理模块由数字信号处理器及串行通信处理器构成；串行通信处理器连接数字信号处理器，且均与电源连接；数字信号处理器还与多路选择器及接收线圈连接。
所述的信号处理模块中的串行通信处理器与上位机连接，用于呈现出被测金属板的缺陷位置、形状信息。
一种基于所述的精确检测金属板缺陷的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：打开电源，为信号源、桥式激励模块和信号处理模块供电；
步骤2：信号源中的多路选择器首先选择第一晶振产生的固定频率的脉冲控制信号，该信号经计数器分频及非门反相后输送至桥式激励模块中的两个场效应管驱动器，进而控制四个功率场效应管，使两组对角线桥臂的功率场效应管周期性交替导通；
步骤3：桥式激励模块中两组对角线桥臂的功率场效应管的交替导通，使流过激励线圈中的电流以两个相反方向周期性不断交替变化，从而使激励线圈中形成基于第一晶振的固定频率为基频的多频交变激励信号；
步骤4：将激励线圈和接收线圈接近被测金属板，激励线圈中的多频激励信号在被测金属板的不同深度形成涡流；
步骤5：被测金属板内不同深度引起的涡流使接收线圈中的各子线圈中产生感应电流，进而在各子线圈上产生感应电压；
步骤6：信号处理模块中的数字信号处理器依次采集接收线圈中的各子线圈的感应电压信号；
步骤7：信号处理模块中的数字信号处理器将采集到的接收线圈中各子线圈的输出信号进行频域转换，得到基于第一晶振固定频率的基频及各个谐波分量；
步骤8：信号处理模块中的数字信号处理器将所得到的基于第一晶振固定频率下的基频及各个谐波分量分别与无缺陷处的各频率分量进行减法运算，并将数值对比结果中大于设定值的测量点标记为缺陷点，忽略小于设定值的测量点；
步骤9：信号处理模块中的串行通信处理器将缺陷点的位置信息上传至上位机；
步骤10：当完成信号源中基于第一晶振固定频率下的缺陷信息检测并上传至上位机后，切换信号源内的多路选择器，选择下一个晶振产生的固定频率的脉冲控制信号，按照步骤2-9的方法将基于另一种固定频率下检测的金属板在该位置的缺陷信息上传至上位机；依次类推，直到选择最后一个晶振，得到基于最后一种固定频率下检测的金属板在该位置的缺陷信息并上传至上位机；
步骤11：移动设置有激励线圈与接收线圈的多层印刷电路板，测量下一处金属板的缺陷信息；
步骤12：当多层印刷电路板遍历被测金属板后，上位机将所检测到的缺陷点位置信息进行处理，最终以三维形式呈现出被测金属板的缺陷，得到被测金属板内缺陷的位置、形状信息。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明由信号源、桥式激励模块、激励线圈、接收线圈、信号处理模块以及电源组成。依次切换信号源中各晶振，对应的固定频率脉冲控制信号控制桥式激励模块使激励线圈中产生多频交变激励信号，当通以多频激励信号的激励线圈接近被测金属板时，多频激励信号会在金属板的不同深度产生涡流，不同深度的涡流会在接收线圈的各子线圈内产生感应电流，进而在各子线圈产生感应电压。信号处理模块中的数字信号处理器对接收线圈各子线圈的感应电压信号进行采集、频域变换，并将得到的基频分量、各谐波分量分别与无缺陷处的各频率分量进行减法运算，进而鉴别出缺陷点。该装置具有结构简单、成本低廉、检测灵敏度、精度高，便于大规模生产等优点。
进一步，多频激励信号能同时检测被测金属板不同深度的缺陷信息；多晶振切换模式能够扩大激励信号的检测深度；阵列式接收线圈能够扩大检测范围。
本发明检测方法的原理为首先选择信号源中第一晶振产生的固定频率的脉冲控制信号控制桥式激励模块使激励线圈中产生多频激励信号，当通以多频激励信号的激励线圈接近被测金属板时，激励线圈中的多频激励信号会在被测金属板的不同深度形成涡流，使接收线圈中的子线圈产生感应电流，进而在各子线圈两端产生感应电压。接收线圈中的各子线圈的感应电压信号被信号处理模块中的数字信号处理器进行采集、频域转换后，将得到的基频分量、三次、五次、七次谐波分量分别与无缺陷处的各频率分量进行数值对比，进而鉴别出缺陷点，并将缺陷点的位置信息经由信号处理模块中的串行通信接口上传至上位机。当完成基于第一晶振固定频率的金属板缺陷检测并上传至上位机后，切换信号源内的多路选择器，按照以上方法，依次完成基于第二晶振、第三晶振，直到最后一个晶振的固定频率的缺陷信息检测，并上传至上位机。移动绘有激励线圈与接收线圈的多层印刷电路板，测量下一位置金属板的缺陷信息。当绘有激励线圈与接收线圈的多层印刷电路板遍历金属板后，上位机将所检测到的缺陷点位置信息进行处理，最终以三维形式呈现出金属板的缺陷，得到金属板内缺陷的位置、形状等信息。其中多频激励信号能够同时获得被测金属不同深度的缺陷信息，提高了检测效率；多晶振切换模式能够进一步扩大激励信号的检测深度；阵列式接收线圈能够扩大检测范围，有效降低误判。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理图；
图3为分布在多层印刷电路板的激励线圈与接收线圈的平面图；
图4为分布在多层印刷电路板的激励线圈与接收线圈的剖面图；
图5为激励线圈和接收线圈的螺旋线状分布示意图。
图中：1为信号源，2为桥式激励模块，3为激励线圈，4为接收线圈，5为信号处理模块，6为电源，7为被测金属板，8为上位机，9为多层印刷电路板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选施例中详细说明具体的细节。
如图1和图2所示为本发明的一种精确检测金属板缺陷的装置，包括信号源1、桥式激励模块2、激励线圈3、接收线圈4、信号处理模块5以及电源6；所述的信号源1控制桥式激励模块2使得激励线圈3中产生多频交变激励信号，激励线圈3和接收线圈4接近被测金属板7时，被测金属板7在多频激励信号作用下在不同深度产生涡流，接收线圈4因涡流产生感应电压；信号处理模块5采集接收线圈4的感应电压信号进行处理并鉴别出缺陷点，并将信息上传至上位机8；所述的电源6分别为信号源1、桥式激励模块2和信号处理模块5供电。
所述的信号源1由多枚无源晶振、两个非门、多路选择器及计数器构成；第一非门、多路选择器、计数器、第二非门依次电路连接，且均与电源6连接；第一非门连接多枚晶振。其中无源晶振可为1MHz、5MHz或10MHz等；非门可为CD40106、CD4069或74HC04等；多路选择器可为74HC151、74HC251或CD4051等；计数器可为CD4017B、74HC160或74HC163等。
所述的桥式激励模块2由两个场效应管驱动器及四个功率场效应管构成，两个场效应管驱动器及四个功率场效应管对应电路连接，且均与电源6连接；其中四个功率场效应管组成桥式电路，激励线圈3与桥式电路连接；第二非门分别与两个场效应管驱动器连接。其中场效应管驱动器可为IR2110或IR2130等；功率场效应管可为IRF530N、IRF540或IRF550等。
所述的信号处理模块5由数字信号处理器及串行通信处理器构成；串行通信处理器连接数字信号处理器，且均与电源6连接；数字信号处理器还与多路选择器及接收线圈4连接。数字信号处理器可为TMS320F28335、TMS320F2812或TMS320F28035等；串行通信处理器可为MAX232、8251A或16550等。
所述的信号处理模块5中的串行通信处理器与上位机8连接，用于呈现出被测金属板7的缺陷位置、形状信息。
如图3和图4，激励线圈3与接收线圈4均设置在同一个多层印刷电路板9上，且分别位于多层印刷电路板9两侧的一层或多层电路板上；所述接收线圈4由多个子接收线圈阵列排布组成，其中一个子接收线圈的圆心正投影落在激励线圈3的圆心上。激励线圈3与接收线圈4均以螺旋线状绕制，可为银、铜等材料制成。不同层之间，相邻的激励线圈3之间串联连接；不同层之间，相邻对应的接收线圈4之间串联连接。如图5，实际操作时，相邻层的激励线圈3在螺旋线中心处串联，在螺旋线外侧形成连接点。不同层对应的子接收线圈在螺旋线中心处串联，在螺旋线外侧形成连接点。多个子接收线圈分别与信号处理模块5连接，单独采集信号。激励线圈3与接收线圈4设置在距离被测金属板7的0-1cm处。
检测原理为：首先选择信号源1中第一晶振产生的固定频率的脉冲控制信号控制桥式激励模块2使激励线圈3中产生基于第一晶振的固定频率为基频的多频交变激励信号，当通以多频激励信号的激励线圈3接近被测金属板7时，多频激励信号会在金属板的不同深度产生涡流，不同深度的涡流会在接收线圈4的各子线圈内产生感应电流，进而在各子线圈产生感应电压。信号处理模块5中的数字信号处理器对接收线圈4各子线圈的感应电压信号进行采集、频域变换，并将得到的基频分量、三次、五次、七次谐波分量分别与无缺陷处的各频率分量进行减法运算，进而鉴别出缺陷点。将缺陷点的位置信息经由信号处理模块5中的串行通信接口上传至上位机8。当完成基于第一晶振固定频率的金属板缺陷检测并上传至上位机8后，切换信号源1内的多路选择器，按照以上方法，依次完成基于第二晶振、第三晶振，直到最后一个晶振的固定频率的缺陷信息检测，并上传至上位机8。移动绘有激励线圈3与接收线圈4的多层印刷电路板9，测量下一位置金属板的缺陷信息。当绘有激励线圈3与接收线圈4的多层印刷电路板9遍历金属板后，上位机8将所检测到的缺陷点位置信息进行处理，最终以三维形式呈现出金属板的缺陷，得到金属板内缺陷的位置、形状等信息。其中多频激励信号能够同时获得被测金属不同深度的缺陷信息，提高了检测效率；多晶振切换模式能够进一步扩大激励信号的检测深度；阵列式接收线圈4能够扩大检测范围，有效降低误判。该装置具有结构简单、成本低廉、检测灵敏度、精度高，便于大规模生产等优点。
参见图1和图2，本发明一种基于所述精确检测金属板缺陷的装置的精确测量方法，其步骤如下：
步骤1：打开电源6，为信号源1、桥式激励模块2和信号处理模块5供电；
步骤2：信号源1中的多路选择器首先选择第一晶振产生的固定频率的脉冲控制信号，该信号经计数器分频及非门反相后输送至桥式激励模块2中的两个场效应管驱动器，进而控制四个功率场效应管，使两组对角线桥臂的功率场效应管周期性交替导通；
步骤3：桥式激励模块2中两组对角线桥臂的功率场效应管的交替导通，使流过激励线圈3中的电流以两个相反方向周期性不断交替变化，从而使激励线圈3中形成基于第一晶振的固定频率为基频的多频交变激励信号；
步骤4：将激励线圈3和接收线圈4接近被测金属板7，激励线圈3中的多频激励信号会在被测金属板7的不同深度形成涡流；
步骤5：被测金属板7内不同深度引起的涡流使接收线圈4中的各子线圈中产生感应电流，进而在各子线圈产生感应电压；
步骤6：接收线圈4中的各子线圈的感应电压信号被信号处理模块5中的数字信号处理器依次采集；
步骤7：信号处理模块5中的数字信号处理器将采集到的接收线圈4中各子线圈的输出信号进行频域转换，得到基于第一晶振固定频率的基频分量、三次、五次、七次谐波分量；
步骤8：信号处理模块5中的数字信号处理器将所得到的基于第一晶振固定频率下的基频分量、三次、五次、七次谐波分量分别与无缺陷处的各频率分量进行减法运算，并将数值对比结果中大于设定值的测量点标记为缺陷点，忽略小于设定值的测量点；
步骤9：信号处理模块5中的串行通信处理器将缺陷点的位置信息上传至上位机8；
步骤10：当完成信号源1中基于第一晶振固定频率下的缺陷信息检测并上传至上位机8后，切换信号源1内的多路选择器，选择下一个晶振产生的固定频率的脉冲控制信号，按照步骤2-9的方法将基于另一种固定频率下检测的金属板在该位置的缺陷信息上传至上位机8，依次类推，直到选择最后一个晶振，得到基于最后一种固定频率下检测的金属板在该位置的缺陷信息并上传至上位机8；
步骤11：移动绘有激励线圈3与接收线圈4的多层印刷电路板9，测量下一处金属板的缺陷信息。
步骤12：当多层印刷电路板9遍历金属板7后，上位机8将所检测到的缺陷点位置信息进行处理，最终以三维形式呈现出金属板的缺陷，得到金属板内缺陷的位置、形状信息。
本发明提出的一种精确检测金属板缺陷的装置和方法，具有结构简单、成本低廉、检测灵敏度及精度高、便于大规模生产等优点。该装置的多频激励信号能够同时检测金属板内不同深度的缺陷并以三维形式重现，从而实现金属板内缺陷的位置、形状等相关信息的检测；且阵列式接收线圈能够扩大检测范围，有效降低误判，提高检测效率。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，包括信号源(1)、桥式激励模块(2)、激励线圈(3)、接收线圈(4)、信号处理模块(5)以及电源(6)；其中，所述的信号源(1)控制桥式激励模块(2)使得激励线圈(3)中产生多频交变激励信号；激励线圈(3)的多频激励信号使得被测金属板(7)在不同深度形成涡流；接收线圈(4)接收不同深度形成的涡流产生感应电压；信号处理模块(5)采集接收线圈(4)的感应电压信号进行处理鉴别缺陷点，并将信息上传至上位机(8)；所述的电源(6)分别为信号源(1)、桥式激励模块(2)和信号处理模块(5)供电。
2.根据权利要求1所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的激励线圈(3)与接收线圈(4)均设置在同一个多层印刷电路板(9)上，且分别位于多层印刷电路板(9)两侧的一层或多层电路板上；所述接收线圈(4)由多个子接收线圈阵列排布组成，其中一个子接收线圈的圆心正投影落在激励线圈(3)的圆心上。
3.根据权利要求2所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的激励线圈(3)与接收线圈(4)均以螺旋线状绕制。
4.根据权利要求3所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，多层的激励线圈(3)之间串联连接，多层的对应子接收线圈之间串联连接，多个子接收线圈分别与信号处理模块(5)连接。
5.根据权利要求1所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的激励线圈(3)与接收线圈(4)设置在距离被测金属板(7)的0-1cm处。
6.根据权利要求1所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的信号源(1)由多枚无源晶振、两个非门、多路选择器及计数器构成；第一非门、多路选择器、计数器、第二非门依次电路连接，且均与电源(6)连接；第一非门连接多枚晶振。
7.根据权利要求1所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的桥式激励模块(2)由两个场效应管驱动器及四个功率场效应管构成，两个场效应管驱动器及四个功率场效应管对应电路连接，且均与电源(6)连接；其中四个功率场效应管组成桥式电路，激励线圈(3)与桥式电路连接；第二非门分别与两个场效应管驱动器连接。
8.根据权利要求1所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的信号处理模块(5)由数字信号处理器及串行通信处理器构成；串行通信处理器连接数字信号处理器，且均与电源(6)连接；数字信号处理器还与多路选择器及接收线圈(4)连接。
9.根据权利要求1所述的一种精确检测金属板缺陷的装置，其特征在于，所述的信号处理模块(5)中的串行通信处理器与上位机(8)连接，用于呈现出被测金属板(7)的缺陷位置、形状信息。
10.一种基于权利要求1至9中任意一项所述的精确检测金属板缺陷的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：打开电源(6)，为信号源(1)、桥式激励模块(2)和信号处理模块(5)供电；
步骤2：信号源(1)中的多路选择器首先选择第一晶振产生的固定频率的脉冲控制信号，该信号经计数器分频及非门反相后输送至桥式激励模块(2)中的两个场效应管驱动器，进而控制四个功率场效应管，使两组对角线桥臂的功率场效应管周期性交替导通；
步骤3：桥式激励模块(2)中两组对角线桥臂的功率场效应管的交替导通，使流过激励线圈(3)中的电流以两个相反方向周期性不断交替变化，从而使激励线圈(3)中形成基于第一晶振的固定频率为基频的多频交变激励信号；
步骤4：将激励线圈(3)和接收线圈(4)接近被测金属板(7)，激励线圈(3)中的多频激励信号在被测金属板(7)的不同深度形成涡流；
步骤5：被测金属板(7)内不同深度引起的涡流使接收线圈(4)中的各子线圈中产生感应电流，进而在各子线圈上产生感应电压；
步骤6：信号处理模块(5)中的数字信号处理器依次采集接收线圈(4)中的各子线圈的感应电压信号；
步骤7：信号处理模块(5)中的数字信号处理器将采集到的接收线圈(4)中各子线圈的输出信号进行频域转换，得到基于第一晶振固定频率的基频及各个谐波分量；
步骤8：信号处理模块(5)中的数字信号处理器将所得到的基于第一晶振固定频率下的基频及各个谐波分量分别与无缺陷处的各频率分量进行减法运算，并将数值对比结果中大于设定值的测量点标记为缺陷点，忽略小于设定值的测量点；
步骤9：信号处理模块(5)中的串行通信处理器将缺陷点的位置信息上传至上位机(8)；
步骤10：当完成信号源(1)中基于第一晶振固定频率下的缺陷信息检测并上传至上位机(8)后，切换信号源(1)内的多路选择器，选择下一个晶振产生的固定频率的脉冲控制信号，按照步骤2-9的方法将基于另一种固定频率下检测的金属板在该位置的缺陷信息上传至上位机(8)；依次类推，直到选择最后一个晶振，得到基于最后一种固定频率下检测的金属板在该位置的缺陷信息并上传至上位机(8)；
步骤11：移动设置有激励线圈(3)与接收线圈(4)的多层印刷电路板(9)，测量下一处金属板的缺陷信息；
步骤12：当多层印刷电路板(9)遍历被测金属板(7)后，上位机(8)将所检测到的缺陷点位置信息进行处理，最终以三维形式呈现出被测金属板(7)的缺陷，得到被测金属板(7)内缺陷的位置、形状信息。
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