CN110927245A - 一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，该系统由信号源、多个前端传感器模块、传感器选通模块、感应信号放大模块、高速采集卡、计算机和含多位I/O端口的控制卡组成，其中，前述前端传感器模块由柔性涡流阵列传感器、激励信号放大模块和感应线圈选通模块组成。本发明的有益之处在于：(1)用柔性涡流阵列传感器作为监测设备，可以对装备结构进行在线微小裂纹监测，更可以进行多部位在线裂纹监测；(2)通过高速采集卡连续采集各个传感器感应通道的感应信号，计算机通过运算判断该处是否有裂纹产生，一旦有裂纹产生，该系统可以确定裂纹产生的部位和裂纹的长度并及时报警，有利于提高装备的维护效益和使用安全性。

Description

一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统

技术领域

本发明涉及一种裂纹监测系统，具体涉及一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，属于无损检测技术领域。

背景技术

在装备服役使用中，疲劳裂纹是一个常见的安全隐患，若结构产生疲劳裂纹而不能及时被发现，装备在服役使用过程中就会造成因结构失效破坏而导致的灾难性后果。

疲劳裂纹往往产生于应力比集中的地方，如螺栓孔孔边、结构转角处、焊缝等。

常见的裂纹监测方法有：基于结构振动响应分析的损伤诊断方法、基于结构机械阻抗的损伤诊断方法、基于结构载荷参数的损伤诊断方法、基于Lamb波的损伤诊断方法、基于PVD的裂纹监测方法等。

1、基于结构振动响应分析的损伤诊断方法

结构的损伤降低了结构的承载刚度，改变了结构固有模态和固有振动，基于结构振动响应分析的损伤诊断方法通过这些状态的变化实现监测。

然而，该方法依赖结构模型，对小裂纹扩展不敏感，不能及时发现裂纹的产生，且该方法需要布置很多振动测点，振动传感器一般价格昂贵，造成该方法的实施成本较高。

2、基于结构机械阻抗的损伤诊断方法

结构的损伤会造成结构高频机械阻抗的变化，基于结构机械阻抗的损伤诊断方法通过该变化实现损伤诊断，频率一般大于30KHz。

然而，该方法不能监测离传感器较远的地方，且对小裂纹的监测灵敏度和精度都比较低。

3、基于结构载荷参数的损伤诊断方法

基于结构载荷参数的损伤诊断方法通过监测结构的应变分布、位移等与载荷相关的参数变化来实现损伤诊断。

然而，该方法只有在结构发生很大变化，结构参数发生明显变化，才能监测到结构的变化，不利于裂纹的监测。

4、基于Lamb波的损伤诊断方法

基于Lamb波的损伤诊断方法，其工作方式有两种：

第一种工作方式：通过监测冲击以及损伤发生和扩展时产生的Lamb波实现损伤诊断；

第二种工作方式：通过监测结构损伤引起的Lamb波传播特性的变化实现损伤诊断。

然而，该方法需要采用复杂的信号处理方法，对采集的信号要求较高。

5、基于PVD的裂纹监测方法

基于PVD的裂纹监测方法是通过间接的方法对裂纹进行监测，在监测部位周围渡一层薄膜，当裂纹扩展至该处时，造成薄膜断裂，进而导致电阻发生变化，也就是通过薄膜电阻的变化来判断是否有裂纹产生及裂纹长度。

然而，该方法需要将监测薄膜渡在金属表面，镀膜工艺复杂且膜的抗振动性能较差，不利于对结构进行长时间的监测。

以上这些常见的裂纹监测方法，所用到的检测设备体积较大、价格昂贵、信号处理复杂、结构结合的可靠性较低、对小裂纹识别的灵敏度较低，不能对装备结构进行在线监测，并且这些检测方法还不能同时对多个部位进行在线监测。

基于此，我们提出来基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统。

涡流无损检测技术是以电磁感应为基础的无损检测技术，是五大常规无损检测方法之一，具有使用范围广、易于与结构集成、能够进行结构应力和疲劳裂纹检测等优点。基于涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受油污介质的影响、抗干扰能力强等特点，其可以用于飞机金属结构疲劳裂纹的在线定量监测。

涡流传感器与被监测金属结构集成是实现结构疲劳裂纹监测的前提，将涡流传感器集成于金属结构关键部位时，如最常见的螺栓孔孔边、焊缝、结构拐角处等，传感器会受到结构装配应力、疲劳载荷等因素的作用，容易发生疲劳裂纹，而传感器在保证其疲劳裂纹监测能力的前提下，不能先于金属结构破坏而出现“虚警”，这对传感器的承载能力和耐久性提出了极高的要求。对于监控孔边的小型传感器，仅依靠传感器本身难以承受结构的装配应力和工作载荷，这就需要对传感器进行改进设计，在保证其裂纹监测能力的情况下，增强其承载能力、提高其耐久性。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，该系统由信号源、多个前端传感器模块、传感器选通模块、感应信号放大模块、高速采集卡、计算机和含多位I/O端口的控制卡组成，其中：

前述前端传感器模块由柔性涡流阵列传感器、激励信号放大模块和感应线圈选通模块组成，其中，柔性涡流阵列传感器的激励线圈与激励信号放大模块的输出端连接，柔性涡流阵列传感器的感应线圈与感应线圈选通模块的第一输入端连接；

前述信号源的输出端与每一个激励信号放大模块的第一输入端连接，前述传感器选通模块的输出端与每一个激励信号放大模块的第二输入端连接，前述感应信号放大模块的输入端与每一个感应线圈选通模块的输出端连接，感应信号放大模块的输出端与高速采集卡连接；

前述高速采集卡和含多位I/O端口的控制卡均通过PC104插口与计算机的主板连接，其中，含多位I/O端口的控制卡的一部分I/O端口与传感器选通模块的输入端连接，另一部分I/O端口与每一个感应线圈选通模块的第二输入端连接；

该系统的工作流程如下：信号源产生激励信号，传感器选通模块在计算机和控制卡的控制下依次选通每一个前端传感器模块，被选通的前端传感器模块中的感应线圈选通模块在计算机和控制卡的控制下依次选通当前柔性涡流阵列传感器的每一个感应线圈，信号源产生的激励信号在被选通的前端传感器模块中先经激励信号放大模块放大，然后传输到柔性涡流阵列传感器中，柔性涡流阵列传感器产生感应信号，该感应信号经由感应线圈选通模块传输到感应信号放大模块中，感应信号在感应信号放大模块中被放大，放大后的感应信号被高速采集卡采集，高速采集卡采集的数据传输到计算机中。

前述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，前述柔性涡流阵列传感器为环形的柔性涡流阵列传感器或矩形的柔性涡流阵列传感器。

前述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，前述传感器选通模块由多个选通子模块组成，每一个选通子模块都由一个三极管和三个电阻组成，其中，三极管的基极接第一个电阻，该电阻的另一端是该选通子模块的输入端，该输入端与控制卡的一个I/O端口连接，三极管的集电极接第二个电阻，该电阻的另一端接12V电压，三极管的发射集接第三个电阻，该电阻的另一端接地，三极管的发射集与第三个电阻之间的连接节点是该选通子模块的输出端，该输出端与一个激励信号放大模块连接。

前述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，前述感应线圈选通模块由多个SGM4782A芯片、多个电阻和多个电容组成，每个SGM4782A芯片的Vcc脚都接一个电容，电容的另一端接地，每个SGM4782A芯片的EN脚都接一个电阻，电阻的另一端是感应线圈选通模块的一个第二输入端，全部SGM4782A芯片的A脚接到一起形成感应线圈选通模块的另一个第二输入端，全部SGM4782A芯片的B脚接到一起形成感应线圈选通模块的再一个第二输入端，每个第二输入端分别与控制卡的一个I/O端口连接，每个SGM4782A芯片的X0脚和Y0脚连接到一起、X1脚和Y1脚连接到一起、X2脚和Y2脚连接到一起、X3脚和Y3脚连接到一起形成感应线圈选通模块的第一输入端，每个第一输入端分别与柔性涡流阵列传感器的一个感应线圈连接，每个SGM4782A芯片的X脚和Y脚连接到一起形成感应线圈选通模块的一个输出端，全部输出端并联。

前述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，前述高速采集卡选用的是阿尔泰PCH8504高速采集卡。

前述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，前述含多位I/O端口的控制卡选用的是阿尔泰ART2535含32位I/O端口的控制卡，该控制卡的24个I/O端口与传感器选通模块的输入端连接，另外8个I/O端口以并联的方式与每一个感应线圈选通模块的第二输入端连接。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明提供的系统，采用柔性涡流阵列传感器作为监测设备，柔性涡流阵列传感器制造工艺简单、价格便宜、体积小巧、检测条件宽松、对微小裂纹识别的灵敏度高，可以对装备结构进行在线微小裂纹监测，更可以进行多部位在线裂纹监测；

(2)本发明提供的系统，根据所监测部位的不同，可以选择不同形状的柔性涡流阵列传感器(例如：监测螺栓孔孔边时使用环形的柔性涡流阵列传感器，监测焊缝时使用矩形的柔性涡流阵列传感器)，柔性涡流阵列传感器安装更换方便，且不影响结构的受力特性，也不会引入新的损伤；

(3)本发明提供的系统，通过高速采集卡连续采集各个传感器感应通道的感应信号，计算机通过运算判断该处是否有裂纹产生，一旦有裂纹产生，该系统可以确定裂纹产生的部位和裂纹的长度并及时报警，让装备紧急停机，同时也为维修人员进行维修活动提供了重要依据，有利于提高装备的维护效益和使用安全性；

(4)本发明提供的系统，其所使用的柔性涡流阵列传感器具有耐腐蚀的性能，可用于沿海等腐蚀问题较严重的地方，可提高裂纹监测系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统的组成示意图；

图2是环形的柔性涡流阵列传感器的结构示意图；

图3是环形的柔性涡流阵列传感器识别裂纹时感应通道的变化示意图；

图4是矩形的柔性涡流阵列传感器的结构示意图；

图5是信号采集流程图；

图6是传感器选通模块的电路图；

图7是感应线圈选通模块的电路图；

图8是激励信号放大模块的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、多部位在线裂纹监测系统的组成

参照图1，本发明提供的多部位在线裂纹监测系统由信号源、多个前端传感器模块、传感器选通模块、感应信号放大模块、高速采集卡、计算机和含多位I/O端口的控制卡组成。

在本具体实施例中，含多位I/O端口的控制卡我们选用的是阿尔泰ART2535含32位I/O端口的控制卡，该控制卡具有32个I/O端口，其中的24个I/O端口用于控制传感器选通，另外8个I/O端口用于控制感应线圈选通。

下面我们对组成该监测系统的各部分的结构做详细介绍。

1、前端传感器模块

前端传感器模块由柔性涡流阵列传感器、激励信号放大模块和感应线圈选通模块组成。其中，柔性涡流阵列传感器的激励线圈与激励信号放大模块的输出端连接，柔性涡流阵列传感器的感应线圈与感应线圈选通模块的第一输入端连接。

(1)柔性涡流阵列传感器

柔性涡流阵列传感器用于监测裂纹，利用柔性涡流阵列传感器的感应信号的幅值变化和相位变化来对裂纹的产生进行识别，针对不同的监测部位，采用不同形状的柔性涡流阵列传感器，例如：针对焊缝，采用矩形的柔性涡流阵列传感器；针对螺栓孔，采用环形的柔性涡流阵列传感器。

柔性涡流阵列传感器监测裂纹的原理：和传统涡流检测原理一样，柔性涡流阵列传感器也是利用电磁感应现象，即通过激励线圈在空间中产生变化的磁场，用感应线圈来感应磁场的变化。当激励线圈靠近被检测物体表面的时候，物体表面就会产生涡流，涡流形成的磁场方向与激励线圈产生的磁场方向相反，若被测物体表面有裂纹等缺陷，则会影响涡流的分布，从而影响涡流产生的磁场，通过感应线圈来感应这种磁场的变化，以此来判断物体表面是否有裂纹等缺陷。

与传统涡流传感器相比，柔性涡流阵列传感器不仅可以监测是否有裂纹产生，还可以监测裂纹的长度。

参照图2，图中的环形的柔性涡流阵列传感器采用的是反向激励布局，其中，激励线圈用来产生感应磁场，感应线圈用来感应空间中磁场的变化。由于采用的激励信号是正弦信号，所以激励线圈在空间中产生交变磁场，被测物体表面因受到交变磁场的作用，会在表面形成涡流，产生抵抗激励磁场的涡流二次磁场，感应线圈所测得的信号正是激励磁场和涡流磁场相互叠加后的磁场，若物体表面没有裂纹产生，则涡流的形状不会发生变化，因而不会影响感应线圈测得的感应信号，当物体表面有裂纹产生的时候，涡流的流动方向发生变化，引起涡流磁场发生变化，从而使得激励磁场和涡流磁场叠加后的磁场发生变化，因而感应线圈测得的感应信号发生变化。根据这一机理，可以通过感应线圈信号的变化来反推被测物体表面是否有裂纹产生。当裂纹扩展至感应线圈时，感应线圈的感应信号发生变化，设置一个阙值W，当感应信号的变化量超过这个阙值W的时候，就判定该处有裂纹，由于柔性涡流阵列传感器的每个感应线圈之间的间距是恒定的，不妨设为d，若有n个连续的感应线圈的感应信号发生变化，则该处裂纹的长度L＝n×d。识别裂纹时感应信号的变化如图3所示。针对图3所示的柔性涡流阵列传感器，该柔性涡流阵列传感器共有三个感应线圈，每个感应线圈对裂纹识别的灵敏度不同，因此需要对每个感应线圈的感应信号变化量的阙值W进行不同的设置，当柔性涡流阵列传感器监测到裂纹的时候，安装于计算机中的基于Labview软件开发的数据处理和控制系统的输出界面将报警并显示出裂纹的位置和裂纹的长度；若没有监测到有裂纹产生，则输出界面显示一切正常。

当然，该机理也适用于矩形的柔性涡流阵列传感器，矩形的柔性涡流阵列传感器的结构如图4所示。

(2)激励信号放大模块

激励信号放大模块用于将由信号源产生的激励信号进行放大，并加在柔性涡流阵列传感器的激励线圈上，激励信号放大模块的电路图见图8。

(3)感应线圈选通模块

感应线圈选通模块用于控制柔性涡流阵列传感器不同感应线圈的选通，其第一输入端与柔性涡流阵列传感器的感应线圈连接，第二输入端与控制卡的8个用于控制感应线圈选通的I/O端口连接。

作为一种优选的方案，参照图7，感应线圈选通模块由多个SGM4782A芯片、多个电阻和多个电容组成，每个SGM4782A芯片的Vcc脚都接一个电容，电容的另一端接地，每个SGM4782A芯片的EN脚都接一个电阻，电阻的另一端是感应线圈选通模块的一个第二输入端，全部SGM4782A芯片的A脚接到一起形成感应线圈选通模块的另一个第二输入端，全部SGM4782A芯片的B脚接到一起形成感应线圈选通模块的再一个第二输入端，每个第二输入端分别与控制卡的一个I/O端口连接，每个SGM4782A芯片的X0脚和Y0脚连接到一起、X1脚和Y1脚连接到一起、X2脚和Y2脚连接到一起、X3脚和Y3脚连接到一起形成感应线圈选通模块的第一输入端，每个第一输入端分别与柔性涡流阵列传感器的一个感应线圈连接，每个SGM4782A芯片的X脚和Y脚连接到一起形成感应线圈选通模块的一个输出端，全部输出端并联，每个SGM4782A芯片可以选通4个感应线圈的信号。

SGM4782A芯片是一款高速、低过阻(0.5Ω)的模拟开关，有效带宽达到了30MHz，切换响应时间仅为20ns。我们将每个SGM4782A芯片设计成一个四选一的开关，将多个芯片的输出并联，通过数字量(控制量输出见表2)可控制每个SGM4782A芯片的开、关以及SGM4782A芯片中选通的通道，这样就形成了一个12选1的模拟开关，从而实现了将多个感应线圈的感应信号选通输出1路信号。

在实际使用时，可通过改变SGM4782A芯片的数量来增加或减少感应线圈选通模块的输入通道的数量，以适应传感器具有不同感应通道数量的需要。

由于本系统用控制卡的8个I/O端口对感应通道的选通进行控制，所以感应线圈选通模块中的SGM4782A芯片的数量最多可以扩展到6个(因为全部SGM4782A芯片的A脚接到一起后形成感应线圈选通模块的一个输入端，该输入端占据控制卡的一个I/O端口，全部SGM4782A芯片的B脚接到一起后形成感应线圈选通模块的另一个输入端，该输入端也占据控制卡的一个I/O端口，如此一来，还剩6个I/O端口，每个I/O端口各能控制一个SGM4782A芯片)。由于每个SGM4782A芯片可以选通4个感应线圈的信号，所以6个SGM4782A芯片可以选通4×6＝24个感应线圈的信号。

在本具体实施例中，我们采用了3个SGM4782A芯片，因此可以控制4×3＝12个感应线圈的选通，相应的，我们只用到了控制卡的5个I/O端口，这5个I/O端口的输出控制如表2所示。

2、信号源

信号源，即信号发生器，用于产生不同波形和频率的激励信号。信号源的输出端与每一个激励信号放大模块的第一输入端连接。

3、传感器选通模块

传感器选通模块用于控制前端传感器模块的选通，其输入端与控制卡的24个用于控制传感器选通的I/O端口连接，输出端与每一个前端传感器模块中的激励信号放大模块的第二输入端连接。

作为一种优选的方案，参照图6，传感器选通模块由多个选通子模块组成，每一个选通子模块都由一个三极管和三个电阻组成，其中，三极管的基极接第一个电阻(即电阻R_B)，该电阻的另一端是该选通子模块的输入端，该输入端与控制卡的一个I/O端口连接，三极管的集电极接第二个电阻(即电阻R_C)，该电阻的另一端接12V电压，三极管的发射集接第三个电阻(即电阻R_E)，该电阻的另一端接地，三极管的发射集与第三个电阻之间的连接节点是该选通子模块的输出端，该输出端与一个激励信号放大模块连接。当向选通子模块中输入的是低电平时，该选通子模块中的三极管工作，与该选通子模块连接的激励信号放大模块被供电，与该激励信号放大模块连接的柔性涡流阵列传感器被选通；当向选通子模块中输入的是高电平时，该选通子模块中的三极管截止，该选通子模块停止工作，与该选通子模块连接的激励信号放大模块被断电，与该激励信号放大模块连接的柔性涡流阵列传感器不工作，即该柔性涡流阵列传感器未被选通。

4、感应信号放大模块

感应信号放大模块用于将柔性涡流阵列传感器的感应线圈产生的感应信号在前端进行放大，具体的，将选通的感应线圈的感应电压跟随放大，这样就可以得到可被采集到的电压信号，该电压信号是模拟信号。

感应信号放大模块的电路与激励信号放大模块的电路一样。

5、高速采集卡

高速采集卡的输入端与感应信号放大模块的输出端连接。高速采集卡用于采集前端传感器模块的感应信号，并将感应信号(模拟信号)转换为数字信号。

高速采集卡可以选用阿尔泰的PCH8504高速采集卡。

6、计算机

计算机是本发明提供的多部位在线裂纹监测系统的控制和数据处理平台，其安装64位的Win7操作系统和基于Labview软件开发的数据处理和控制系统。

数据处理和控制系统的信号采集流程图见图5，其中，n为前端柔性涡流阵列传感器的数量，m为柔性涡流阵列传感器的感应线圈的数量，V为感应线圈的感应电压，I为激励电流，R为跨阻抗幅值，R₀为未产生裂纹时的跨阻抗幅值，R₁为产生裂纹时的跨阻抗幅值，A_R为裂纹识别的灵敏度(信号变化量)。

7、含多位I/O端口的控制卡

含多位I/O端口的控制卡直接控制传感器选通模块和感应线圈选通模块，间接控制涡流阵列传感器的选通以及感应通道的选通。

在本具体实施例中，含多位I/O端口的控制卡我们选用的是阿尔泰ART2535含32位I/O端口的控制卡，该控制卡具有32个I/O端口，其中的24个I/O端口与传感器选通模块的输入端连接，这24个I/O端口用于控制柔性涡流阵列传感器的选通，最多可以控制24个柔性涡流阵列传感器，另外8个I/O端口以并联的方式与每一个感应线圈选通模块的第二输入端连接，这8个I/O端口用于控制每一个前端传感器模块中的柔性涡流阵列传感器的感应线圈的选通。

在本具体实施例中，含多位I/O端口的控制卡我们选用的是阿尔泰ART2535含32位I/O端口的控制卡，该控制卡具有32个I/O端口，我们利用其中的24个I/O端口对不同涡流阵列传感器的选通进行控制，这24个I/O端口与传感器选通模块的输入端连接，最多可以控制24个柔性涡流阵列传感器，我们利用其余的8个I/O端口对涡流阵列传感器的感应线圈的选通进行控制，这8个I/O端口以并联的方式与每一个感应线圈选通模块的第二输入端连接。

不同涡流阵列传感器选通时24个I/O端口的输出见表1：

表1不同涡流阵列传感器选通时24个I/O端口的输出

不同传感器选通	I/O1	I/O2	I/O3	I/O4	I/O5	I/O6	……	I/O24
									传感器1	0	1	1	1	1	1	……	1
传感器2	1	0	1	1	1	1	……	1
									传感器3	1	1	0	0	0	0	……	1
传感器4	1	1	1	0	0	1	……	1
									……	-	-	-	-	-	-	……	1
传感器24	1	1	1	1	1	1	……	0

涡流阵列传感器的不同感应通道选通时8个I/O端口的输出见表2：

表2涡流阵列传感器的不同感应通道选通时8个I/O端口的输出

传感器不同感应通道选通	I/O1	I/O2	I/O3	I/O4	I/O5	I/O6	I/O7	I/O8
									线圈1	1	0	0	1	1	/	/	/
线圈2	1	1	0	1	1	/	/	/
									线圈3	0	1	0	1	1	/	/	/
线圈4	0	0	0	1	1	/	/	/
									线圈5	1	0	1	0	1	/	/	/
线圈6	1	1	1	0	1	/	/	/
									线圈7	0	1	1	0	1	/	/	/
线圈8	0	0	1	0	1	/	/	/
									线圈9	1	0	1	1	0	/	/	/
线圈10	1	1	1	1	0	/	/	/
									线圈11	0	1	1	1	0	/	/	/
线圈12	0	0	1	1	0	/	/	/

由于本发明提供的多部位在线裂纹监测系统用于多个部位的在线裂纹监测，而一般的采集卡的通道数量有限，做不到每一个通道专门负责采集一个传感器的感应线圈的感应信号。所以，我们通过软件驱动含32位I/O端口的控制卡来控制每个传感器的选通，使传感器的感应信号按照所规定的顺序依次进行采集，将第1个前端传感器(即柔性涡流阵列传感器1)的第1个感应通道的信号采集完，然后采集第2个感应通道的信号，当第1个前端传感器的感应通道的信号都采集完毕后，采集下一个前端传感器(即柔性涡流阵列传感器2)的感应信号，依次采集完所有前端传感器(即柔性涡流阵列传感器3、柔性涡流阵列传感器4、......、柔性涡流阵列传感器n)的每一个感应通道的感应信号，重新开始采集第1个前端传感器的感应信号，一直循环，直到满足暂停条件为止。

每一个传感器中都有多个感应线圈(即感应通道)，需要对每一个感应通道进行控制，我们用含32位I/O端口的控制卡中的8个I/O端口对每个传感器的感应通道进行选通，这8个I/O端口最多可以实现24个感应通道的选通，一般的柔性涡流阵列传感器的感应线圈最多就十几个，完全符合实际需求。我们用其余24个I/O端口对不同传感器的选通进行控制，这24个I/O端口可以控制24个传感器，一般能够满足工程中的实际应用。

可见，整个采集过程就是通过传感器的选通和传感器中每个感应线圈(感应通道)的选通实现从第1个前端传感器中的第一个感应通道到最后一个前端传感器的最后一个感应通道数据的采集。这就是我们提出的分步采集数据的方法。

二、工作流程

信号源产生激励信号，传感器选通模块在计算机和控制卡的控制下依次选通每一个前端传感器模块，被选通的前端传感器模块中的感应线圈选通模块在计算机和控制卡的控制下依次选通当前柔性涡流阵列传感器的每一个感应线圈，信号源产生的激励信号在被选通的前端传感器模块中先经激励信号放大模块放大，然后传输到柔性涡流阵列传感器中，柔性涡流阵列传感器产生感应信号，该感应信号经由感应线圈选通模块传输到感应信号放大模块中，感应信号在感应信号放大模块中被放大，放大后的感应信号被高速采集卡采集，高速采集卡采集的数据传输到计算机中。

三、使用方法

Step1：将柔性涡流阵列传感器通过密封胶贴在被测结构的表面，然后再用密封胶将柔性涡流阵列传感器全部封住，防止脱落。

Step2：用射频线将信号源与激励信号放大模块相互连接起来。

Step3：将柔性涡流阵列传感器的激励信号接口与激励信号放大模块连接，将柔性涡流阵列传感器的感应信号接口与感应线圈选通模块的第一输入端连接，将感应线圈选通模块的输出端与感应信号放大模块的输入端连接。

Step4：将含多位I/O端口的控制卡通过PC104插口与计算机的主板连接，用控制线将含多位I/O端口的控制卡的一部分I/O端口(用于控制传感器选通的I/O端口)与传感器选通模块的输入端连接，将另一部分I/O端口(用于控制感应通道选通的I/O端口)与感应线圈选通模块的第二输入端连接。

Step5：将高速采集卡的输出端通过PC104插口与计算机的主板连接，用射频线将感应信号放大模块的输出端与高速采集卡的输入端相互连接起来。

Step6：打开安装于计算机中的基于Labview软件开发的数据处理和控制系统，点击“开始采集”按钮，开始采集数据，各个柔性涡流阵列传感器的信号变化情况即显示在工作界面上。

Step7：当数据处理和控制系统检测到裂纹产生的部位和裂纹的长度时，计算机及时发出报警信息，让装备紧急停机。

四、优势

1、可以实现多部位在线(微小)裂纹监测

本发明提供的系统，采用柔性涡流阵列传感器作为监测设备，柔性涡流阵列传感器制造工艺简单、价格便宜、体积小巧、检测条件宽松、对微小裂纹识别的灵敏度高，可以对装备结构进行在线微小裂纹监测，更可以进行多部位在线裂纹监测。

2、使用方便、不影响结构的受力特性、不会引入新的损伤本发明提供的系统，根据所监测部位的不同，可以选择不同形状的柔性涡流阵列传感器(例如：监测螺栓孔孔边时使用环形的柔性涡流阵列传感器，监测焊缝时使用矩形的柔性涡流阵列传感器)，柔性涡流阵列传感器安装更换方便，且不影响结构的受力特性，也不会引入新的损伤。

3、可以确定裂纹产生的部位和裂纹长度

本发明提供的系统，通过高速采集卡连续采集各个传感器感应通道的感应信号，计算机通过运算判断该处是否有裂纹产生，一旦有裂纹产生，该系统可以确定裂纹产生的部位和裂纹长度并及时报警，让装备紧急停机，同时也为维修人员进行维修活动提供了重要依据，有利于提高装备的维护效益和使用安全性；

4、稳定可靠

本发明提供的系统，其所使用的柔性涡流阵列传感器具有耐腐蚀的性能，可用于沿海等腐蚀问题较严重的地方，可提高裂纹监测系统的可靠性。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，该系统由信号源、多个前端传感器模块、传感器选通模块、感应信号放大模块、高速采集卡、计算机和含多位I/O端口的控制卡组成，其中：

所述前端传感器模块由柔性涡流阵列传感器、激励信号放大模块和感应线圈选通模块组成，其中，柔性涡流阵列传感器的激励线圈与激励信号放大模块的输出端连接，柔性涡流阵列传感器的感应线圈与感应线圈选通模块的第一输入端连接；

所述信号源的输出端与每一个激励信号放大模块的第一输入端连接，所述传感器选通模块的输出端与每一个激励信号放大模块的第二输入端连接，所述感应信号放大模块的输入端与每一个感应线圈选通模块的输出端连接，感应信号放大模块的输出端与高速采集卡连接；

所述高速采集卡和含多位I/O端口的控制卡均通过PC104插口与计算机的主板连接，其中，含多位I/O端口的控制卡的一部分I/O端口与传感器选通模块的输入端连接，另一部分I/O端口与每一个感应线圈选通模块的第二输入端连接；

该系统的工作流程如下：信号源产生激励信号，传感器选通模块在计算机和控制卡的控制下依次选通每一个前端传感器模块，被选通的前端传感器模块中的感应线圈选通模块在计算机和控制卡的控制下依次选通当前柔性涡流阵列传感器的每一个感应线圈，信号源产生的激励信号在被选通的前端传感器模块中先经激励信号放大模块放大，然后传输到柔性涡流阵列传感器中，柔性涡流阵列传感器产生感应信号，该感应信号经由感应线圈选通模块传输到感应信号放大模块中，感应信号在感应信号放大模块中被放大，放大后的感应信号被高速采集卡采集，高速采集卡采集的数据传输到计算机中。

2.根据权利要求1所述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，所述柔性涡流阵列传感器为环形的柔性涡流阵列传感器或矩形的柔性涡流阵列传感器。

3.根据权利要求1所述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，所述传感器选通模块由多个选通子模块组成，每一个选通子模块都由一个三极管和三个电阻组成，其中，三极管的基极接第一个电阻，该电阻的另一端是该选通子模块的输入端，该输入端与控制卡的一个I/O端口连接，三极管的集电极接第二个电阻，该电阻的另一端接12V电压，三极管的发射集接第三个电阻，该电阻的另一端接地，三极管的发射集与第三个电阻之间的连接节点是该选通子模块的输出端，该输出端与一个激励信号放大模块连接。

4.根据权利要求1所述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，所述感应线圈选通模块由多个SGM4782A芯片、多个电阻和多个电容组成，每个SGM4782A芯片的Vcc脚都接一个电容，电容的另一端接地，每个SGM4782A芯片的EN脚都接一个电阻，电阻的另一端是感应线圈选通模块的一个第二输入端，全部SGM4782A芯片的A脚接到一起形成感应线圈选通模块的另一个第二输入端，全部SGM4782A芯片的B脚接到一起形成感应线圈选通模块的再一个第二输入端，每个第二输入端分别与控制卡的一个I/O端口连接，每个SGM4782A芯片的X0脚和Y0脚连接到一起、X1脚和Y1脚连接到一起、X2脚和Y2脚连接到一起、X3脚和Y3脚连接到一起形成感应线圈选通模块的第一输入端，每个第一输入端分别与柔性涡流阵列传感器的一个感应线圈连接，每个SGM4782A芯片的X脚和Y脚连接到一起形成感应线圈选通模块的一个输出端，全部输出端并联。

5.根据权利要求1所述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，所述高速采集卡选用的是阿尔泰PCH8504高速采集卡。

6.根据权利要求1所述的基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统，其特征在于，所述含多位I/O端口的控制卡选用的是阿尔泰ART2535含32位I/O端口的控制卡，该控制卡的24个I/O端口与传感器选通模块的输入端连接，另外8个I/O端口以并联的方式与每一个感应线圈选通模块的第二输入端连接。

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