CN111351845A - 一种基于脉冲涡流的智能检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲涡流的智能检测装置，它的组成包括：组合阵列式探头(1)，智能控制模块(2)，激励源(3)，信号处理模块(4)，电源模块(5)，虚拟仪器(6)，其特征在于：智能控制模块(2)连接虚拟仪器(6)，同时控制组合阵列式探头(1)和激励源(3)。本发明的技术效果：1)采用组合阵列式探头使得检测装置扩大检测范围，提高检测精度；2)采用智能控制模块自动选择激励源的频率、线圈探头以及探头与被检测面的距离，使得激励源频率与线圈探头实现最佳匹配，能够进一步提高检测精度；3)采用智能控制模块使得检测装置能够自动实现高精度检测，最大限度减少人为造成的误差。

Description

一种基于脉冲涡流的智能检测装置

技术领域

本发明属于脉冲涡流检测领域，尤其是涉及一种脉冲涡流的智能检测装置。

背景技术

作为涡流检测技术的一种，脉冲涡流检测技术建立在电磁感应原理基础上，用来金属材料中的，脉冲涡流检测的原理与传统涡流检测基本相同，主要区别在于激励方式和信号分析方法的不同。

在涡流检测中，经常采用线圈作为探头，其形状和尺寸将探头的灵敏度和检测范围。为了提高脉冲涡流检测探头的性能，往往希望获得较大的检测范围和较高的灵敏度。要获得较大的范围，激励磁场的轴向分布必须增大；而要获得较高的灵敏度，则就要使探头在移动时涡流损耗功率变化量较大。

根据毕奥—萨伐定律可知，在激励电流相同条件下，半径小的载流线圈，在离线圈近处产生的磁感应强度在产生的磁感应强度大，但磁场的轴向衰减较快；半径大的载流线圈，其磁感应强度在线圈附近虽然比小半径的载流线圈小，但在远距离处的磁感应强度反而比小半径的线圈大，即大半径线圈的检测范围大，但由于小半径线圈的轴向磁场变化得更快，所以小直径线圈的检测灵敏度较高。

对于脉冲涡流检测而言，由于激励信号中含有多个频率，由于激励信号中含有多个频率，难以得到表达明确的目标函数，尤其是多个频率之间的传统的最优化设计难以实现。

综上所述，在脉冲涡流检测中，对不同的被测试件，就要选择合理选择线圈匝数和半径与相应频率的激励源匹配，以获得最佳的检测精度。

发明内容

针对上述情况，本发明提出的一种智能装置，能够自动选择不同半径的线圈、实现与激励频率最佳组合，使得检测装置应用范围扩大，检测精度进一步提高。具体技术方案如下：

一种基于脉冲涡流的智能检测装置，它的组成包括：组合阵列式探头1，智能控制模块2，激励源3，信号处理模块4，电源模块5，虚拟仪器6。智能控制模块2连接虚拟仪器6，同时控制组合阵列式探头1和激励源3。

智能控制模块2的控制核是一个32位微处理器，接受来自虚拟仪器6的被测试件的测量深度和被测试件的材料属性的输入信号，微处理器内置优化算法，微处理器输出信号是控制组合阵列式探头1的探头选择执行机构和激励源3的输出频率,探头选择执行机构根据微处理器发出的输出信号，选择组合阵列式探头1中的探头和探头与被检测面的距离。如图2所示。

组合阵列式探头1是一个矩阵型式结构，行为不同直径芯线的探头线圈，列为不同匝数芯线的探头线圈。

组合阵列式探头1选择执行机构是电动执行器。

微处理器内置优化算法是BP神经网络。

探头线圈采用改进型水平—垂直线圈探头。

探头线圈芯线的直径0.1—0.5mm，匝数50-250匝。

组合阵列式探头1磁芯材料为铁氧体。

本发明的技术效果：1)采用组合阵列式探头使得检测装置扩大检测范围，提高检测精度；2)采用智能控制模块自动选择激励源的频率、线圈探头以及探头与被检测面的距离，使得激励源频率与线圈探头实现最佳匹配，能够进一步提高检测精度；3)采用智能控制模块使得检测装置能够自动实现高精度检测，最大限度减少人为造成的误差。

附图说明

图1基于脉冲涡流的智能检测装置组成图。

图2智能控制模块组成图。

图3线圈矩阵排列示意图。

图4电动执行器原理框图。

图5改进型水平-垂直线圈探头的结构。

图6激励源电路

图7电源电路。

图中:1为组合阵列式探头，2为智能控制模块，3为激励源，4为信号处理模块，5为电源模块，6为虚拟仪器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

1.装置的整体情况

1)一种基于脉冲涡流的智能检测装置，它的组成包括：组合阵列式探头1，智能控制模块2，激励源3，信号处理模块4，电源模块5，虚拟仪器6。智能控制模块2连接虚拟仪器6，同时控制组合阵列式探头1和激励源3。如图1所示。

2)智能控制模块2的控制核是一个32位微处理器，接受来自虚拟仪器6的被测试件的测量深度和被测试件的材料属性的输入信号，微处理器内置优化算法，微处理器输出信号是控制组合阵列式探头1的探头选择执行机构和激励源3的输出频率,探头选择执行机构根据微处理器发出的输出信号，选择组合阵列式探头1中的探头和探头与被检测面的距离。如图2所示。

3)组合阵列式探头1是一个矩阵型式结构，行为不同直径芯线的探头线圈，列为不同匝数芯线的探头线圈。如图3所示。

4)组合阵列式探头1选择执行机构是电动执行器。如图4所示。

5)微处理器内置优化算法是BP神经网络。

7)探头线圈采用改进型水平—垂直线圈探头。如图5所示。

8)探头线圈芯线的直径0.1—0.5mm，匝数50-250匝。

9)组合阵列式探头1磁芯材料为铁氧体。

2.电动执行器

分角行程、直行程两大类。根据信号制和全行程时间的不同，又分基型品种和多个派生品种。在自动控制系统中，它们和不同型号电动操作器配用，可实现过程参数的自动控制，控制系统的手动/自动双向无扰切换，中途限位及远方手操等功能。

电动执行器由伺服放大器和伺服机构两大部件配套组成。图4为电动执行器原理框图。它是一个位置自动控制系统。来自控制仪表的控制信号和由位置发送器,返回的阀位反馈信号的偏差，经伺服放大器进行功率放大，然后驱动伺服电机，使减速器推动调节机构朝减小偏差方向转动，输出轴最后稳定在与控制信号相对应的转角位置上，电动操作器的作用是进行控制系统的手动/自动切换及远方手动操作。

其组成包括：伺服放大器，电动操作器，伺服机构，伺服电机，减速器，位置发送器。

3.改进型水平-垂直线圈探头

鉴于水平-垂直探头存在检测盲区，即无法检测到走向垂直于检测线圈的裂纹。就需要采用另一个检测线圈来弥补这一。当两个检测线圈不平行时，第二个检测线圈就可以检测到垂直于第一个检测线圈的裂纹，从而弥补了探头的检测盲区。为了获得更高的检测灵敏度，应使得改进探头的两个检测线圈互相垂直，这样，对于垂直于第一个检测线圈的裂纹，被测物体中涡流将平行于第二个检测线圈，从而以更高的灵敏度检测到该裂纹。改进型水平-垂直线圈探头的结构如图5所示。

由图5可见，三个线圈均绕制在铁氧体磁芯上，检测线圈A与检测线圈B垂直，且两者都垂直于激励线圈，激励线圈水平放置。同理可知，当没有时，改进型水平-垂直线圈探头输出也为0，具有自调零特性。

鉴于当位于检测线圈两侧时感应电压的方向会发生改变，没有将两个检测线圈接成一个整体，而是采用了两个通道来分析两个检测线圈中的感应电压。这样，检测装置就需要采用两个信号处理和模/数转换通道同时工作。并对两路信号的分析取逻辑或的关系，即当任意一个通道检测到的电压值超过阈值时，检测装置将输出报警信号，从而可有效检测到走向沿各个方向的裂纹。

脉冲涡流检测探头的实际设计中，根据检测的需要，线圈的外径通常都有一个尺度范围。因此，在给定的范围内，应尽量减少线圈外径以提高检测的灵敏度；同时，外径小的探头使用方便，即探头倾斜对其影响较小。当线圈的几何尺寸一定时，对于一定的电感，线圈的匝数可以确定。但需要注意，对应于不同的频率，线圈的电感会有所不同，因此，

对应激励信号中不同频率的成分，线圈所等效的电感也不同，实际设计只需要使它在一个范围内即可，根据激励电流的大小和导线允许的最大电流密度，可以算出芯线直径，有时当电流较大而芯线较细时，也可采用多股芯线，并根据给定的芯线参数与线圈的几何尺寸即可得到线圈电阻。

4.激励源

脉冲涡流检测仪需要设计一个周期性重复的脉冲作为激励信号。为了在应用中测试脉冲参数对检测效果的影响，设计脉冲的重复频率与占空比分别连续可调的脉冲发生电路，采用555定时器发生占空比连续可调的脉冲，所设计的激励信号发生电路如图5所示。

激励源电路输出的脉冲的占空比可以在很宽的范围内调节；二极管D₁和D₂分别为电容C₁提供充电和放电通道。电位器P₁和P₂分别控制输出脉冲的充电周期和放电周期，充电回路由R₁、D₂、电位器的P₂接入电阻R_P2和电容C₁构成，放电回路由R₂、D₁、电位器P₁的接入电阻R_P1和电容C₁组成。

5.电源模块

-5伏电源是通过将+5直流电压转换得到的，采用的转换芯片为MAX764，其转换电路如图7所示。

6.虚拟仪器

内置于便携式电脑内的虚拟仪器软件模块是由计算机的部分系统软件，工具软件和专为虚拟生物医学测量仪器设计的医学应用软件三部分组成的。主要功能是实现对整个仪器的有效管理，特别是检测信号的处理分析、存储、显示、打印等功能。最后提供友好的人机交互界面；实现比普通专用检测测量仪器更方便、快捷、可靠的操作；以及图形化的结果显示和自动化统计分析功能等。

虚拟测量仪器硬件接口设计实质上是面向计算机总线的设计，因此必须遵循计算机系统总线的标准。

一种是专用于笔记本电脑的PCMCIA(Personal Computer Memory CardInternational Association)总线。

LabVIEW是美国NI公司研制的采用图形编程的虚拟仪器系统软件，它主要包括数据采集、实时控制、数据分析和数据显示等功能，它提供了一种新的编程语言：G语言，这是一种完全采用图形方式进行软件模块化设计的崭新方法。

LabVIEW由前面板、流程方框图和图标/连接器组成。其中前面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口。LabVIEW的程序语言是图形化，其程序采用了数据流驱动。

LabVIEW的核心是软件模块VI(借用Virtual Instrumentation缩写字头命名)，VI有一个人机对话的用户界面—前面板(front panel)和类似于源代码功能方面的方框图(diagram)。前面板接受来自方框图的命令。在VI的前面板中，控件(controls)模拟输入仪器的输入装置并把数据提供给VI的方框图；而指示器(indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或者产生的数据。

用LabVIEW编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上的适当位置；然后用导线(wires)连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单算术功能，高级的采集和分析VI以及实现用来存储和检索数据文件输入输出功能和网络功能。

用LabVIEW编制出图形化VI是分层次和模块化的。将之用于顶层程序。也可以用作其他程序或者子程序的子程序。一个VI用在其他VI中，称之为subVI,subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为了一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级子任务的组合，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。

图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。创建虚拟仪器的过程共分三步：

(1)虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。

(2)虚拟仪器从流程图中接收命令(用G语言创建)。流程图是一个编程问题的图形化解决方案。流程图也是虚拟仪器的源代码。

(3)一个虚拟仪器的图标和连接就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或者子程序中的子程序(子仪器)。

7.BP神经网络智能算法

BP网络是通过将网络输出误差反馈回传来对网络参数进行修正，从而实现网络的映射能力。业已证明，具有一个隐层的3层BP网络可以有效地逼近任意连续函数，这个3层网络包括输入层、隐层和输出层。考虑到实际应用当中对于网络预测泛化性能的要求，网络设计应坚持尽可能减小网络复杂性的原则。3层BP网络模型预测混沌时间序列，输入层节点只传递输入信号到隐层，隐层采用双曲正切S型函数对数据处理后送给输出节点，输出节点是简单的线性函数。BP网络的训练方法很多，这里采用Levengerg_Marquardt训练方法，训练中的误差性能函数设为每次批处理后误差的平方和。对于一个给定的混沌时间序列，其具体的预测步骤如下：

(1)为了便于预测，首先对获得的混沌时间序列进行归一化处理。归一化方法为：

(2)选择合适的m和τ重构系统的状态相空间，依据预测步长要求构造训练数据。输入数据为：Y(k)＝[y(k),y(k-τ),L,y(k-(m-1)τ)]，k＝1,2,L,N，输出数据为y(k+Δt)，k＝1,2,L,N。

(3)设计BP网络结构。网络的输入节点数目为重构相空间的维数m，根据具体情况选择合适的隐节点数目，因为每次只是预测出一个数据点，输出节点为单节点。

(4)依次输入训练数据Y_k和对应的理想输出数据y(k+Δt)，对BP网络进行训练。训练结束以后就可以利用该网络进行预测。

(5)为了衡量BP网络的预测精度，对训练数据和测试数据分别采用均方误差(MSE)和相对误差(Perr)作为评测标准：

Claims (8)

1.一种基于脉冲涡流的智能检测装置，它的组成包括：组合阵列式探头(1)，智能控制模块(2)，激励源(3)，信号处理模块(4)，电源模块(5)，虚拟仪器(6)，其特征在于：智能控制模块(2)连接虚拟仪器(6)，同时控制组合阵列式探头(1)和激励源(3)。

2.根据权利要求1所述的智能检测装置，其特征在于：所述智能控制模块(2)的控制核是一个32位微处理器，接受来自虚拟仪器(6)的被测试件的测量深度和被测试件的材料属性的输入信号，微处理器内置优化算法，微处理器输出信号是控制组合阵列式探头(1)的探头选择执行机构和激励源(3)的输出频率,探头选择执行机构根据微处理器发出的输出信号，选择组合阵列式探头(1)中的探头和探头与被检测面的距离。

3.根据权利要求1或2所述的智能检测装置，其特征在于：所述组合阵列式探头(1)是一个矩阵型式结构，行为不同直径芯线的探头线圈，列为不同匝数芯线的探头线圈。

4.根据权利要求2所述的智能检测装置，其特征在于：所述组合阵列式探头(1)的选择执行机构是电动执行器。

5.根据权利要求2所述的智能检测装置，其特征在于：所述微处理器内置优化算法是BP神经网络。

6.根据权利要求3所述的智能检测装置，其特征在于：所述探头线圈采用改进型水平—垂直线圈探头。

7.根据权利要求3或6所述的智能检测装置，其特征在于：所述探头线圈芯线的直径0.1—0.5mm，匝数50-250匝。

8.根据权利要求1-4任一权利要求所述的智能检测装置，其特征在于：所述组合阵列式探头(1)磁芯材料为铁氧体。

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