CN111458400A - 一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，包括激励电源模块、功率放大模块、检测模块、信号处理模块、A/D转换模块和上位机；激励电源模块与功率放大模块连接，功率放大模块与激励线圈连接，功率放大模块可提高电路带载能力，使其驱动激励线圈，激励线圈在激励电源的激发下产生交变磁场，并对检测线圈作用，使其经过缺陷处感应信号产生变化，检测线圈与信号处理模块连接，信号处理模块对感应信号进行滤波和放大；信号处理模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块把信号处理为数字信号后输送到上位机对信号进行数字滤波、分析和判别。本发明检测过程属于无损检测，不会破坏金属材料原有性能，且检测灵敏度高、响应速度快。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统
背景技术
社会生产中，金属材料被广泛应用于各工业领域和科研实验等方面，但在生产应用中金属会不可避免地出现各种类型的缺陷，常见的缺陷类型有金属表面或内部的腐蚀，表面不平整，凹凸不平，出现孔洞，裂纹，裂缝等，这些都会影响材料的质量，对工业生产或实验过程造成极大的影响。故需要定时检测金属材料有无缺陷瑕疵等问题，但又不能破坏受检材料性能。为解决此类问题，无损检测技术出现并得到了迅速发展。目前，常见的金属无损检测方法有以下几种：磁粉法检测、荧光检测、涡流检测、X射线检测、超声波检测及红外线检测。
磁粉法检测：检测成本低，可靠性高，但对检测人员的技术和经验要求高，不能对缺陷准确分类，检测范围小，速度慢。
荧光检测：需将受检材料浸入液体，且只可一次性使用。
涡流检测：检测精度高，速度快，不受被检材料表面油污等杂质的影响，但误检率较高，检测分辨率不易调整。
X射线检测：可检测金属基复合材料中孔隙、夹杂、疏松等体积型缺陷，效果显著，但成本较高。
超声波检测：灵敏度高，但需要探头，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙。
红外线检测：一般用于热轧板等平直钢板的表面缺陷检测，不适合检测表面不平整金属。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，本发明成本较低，可反复使用，能较快得到测量数据，判断出被检材料缺陷的形状类型等信息。
为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，包括激励电源模块、功率放大模块、检测模块、信号处理模块、A/D转换模块和上位机；
所述激励电源模块包括信号发生电路，所述信号发生电路产生一定频率的正弦交变信号，传送给后续功率放大模块；
所述功率放大模块的输入端与激励电源模块的输出端连接，所述功率放大模块采用功率放大芯片，用于提高信号发生电路产生信号的带载能力，使其可以驱动检测模块；
所述检测模块包括圆形激励线圈、环形磁芯、检测线圈和支架，所述检测线圈与激励线圈平行设置，且检测线圈固定在激励线圈中心，这样使检测线圈容易感应到金属材料缺陷附近的磁场变化，为了使激励线圈能够产生足够强度的激励磁场，所述激励线圈中插有环形磁芯，所述环形磁芯的下端设置支架，插入环形磁芯不仅可以限制涡流磁场的范围，增强绕组间的电磁耦合，且能够减小激励线圈的体积，所以环形磁芯的选择也很重要，所述激励线圈的输入端与功率放大模块的输出端连接，所述检测线圈的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述功率放大模块将放大后的信号直接传输到激励线圈上，驱动激励线圈，所述激励线圈接收到功率放大模块传输来的放大后的正弦信号后，激励线圈会产生交变磁场，并使被测金属材料产生磁场，基于磁场边缘效应，缺陷处对磁场有聚集作用，使检测线圈将感应到的信号发生变化，所述检测线圈把磁场量转化成感应电压信号输出到信号处理模块；
所述信号处理模块包括依次连接的前置放大电路、RC低通滤波电路、二级放大电路和巴特沃斯低通滤波电路，所述巴特沃斯低通滤波电路的输出端与A/D转换模块的输入端连接，来自检测线圈的信号经过前置放大电路放大后，进行滤波，第一个滤波电路采用RC低通滤波器，去除感应信号中的随机噪声和激励信号的高次谐波等高频干扰，一次滤波之后，经过二级放大电路再次放大，之后传输到巴特沃斯低通滤波电路，对信号再次进行滤波，以得到平坦，稳定的感应信号，最后输出到A/D转换模块；
所述A/D转换模块的输出端与上位机的输入端连接，所述A/D转换模块包括数据采集卡，信息处理模块传输来的信号，经过数据采集卡的自动采集变成数字量后送到上位机中进行分析、处理；
所述上位机用于对A/D转换模块传输过来的数字量进行数字滤波，将数据处理成易于识别的有用信号，根据波形和数据特点进行分析，判别出金属材料缺陷的形状类型。本发明不采用仿真得到各类型缺陷具体的数据，而是采用MATLAB处理好进行大致的判断。若检测线圈从不到缺陷到离开缺陷的过程中，处理后的数据从小到大再变小，且这个过程比较宽，则缺陷为坑或孔类缺陷；若数据为同样的变化趋势，但数据变化距离及其窄，则为裂纹类缺陷，若与裂纹数据相比，数据大小整体较高，宽度变宽，但比圆孔类宽度窄，则为裂缝类缺陷。若数据在缺陷处变小，则为凸起类问题。
较佳的，上述各个模块的电路在同一点接地，不采用就近相连的方式，避免由于地电流相互影响而产生干扰，减少误差。
较佳的，为获得较大的检测范围和透入深度，两个线圈的尺寸需要注意，激励线圈要做大一些，激励线圈的尺寸要是缺陷大小的2-4倍，本发明用于测量某个确定范围的缺陷，可根据实际应用情况确定激励线圈的尺寸；但要使用小的检测线圈拾取信号，以获得较高的空间分辨力和检测速度，所述检测线圈的内径略大于被测金属材料表面缺陷，操作时使线圈以一定的均匀速度通过缺陷进行数据的采集。
较佳的，所述环形磁芯选择锰锌铁氧体，该材料是一种高稳定性，高功率，高导铁氧体的材料，其磁导率随频率变化特性很稳定，在150Hz以下基本保持不变，是本发明环形磁芯的最佳选择。
较佳的，所述检测线圈获得的信号采用双绞线传输,可有效降低外界信息对信号干扰的程度，双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成，采用这种方式，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰，所以采用双绞线可有效减少噪声。
较佳的，为最大限度地提取小信号，所述前置放大电路采用了同相放大电路，但前置放大电路不宜放大过大倍数，否则会导致感应信号携带的噪声等干扰信号也被放大过大倍数，故本发明采用了多级放大的设计方式。
特别说明，由于本发明基于电磁感应原理，故文中所有被测金属特指导磁性能良好的铁等材料。
本发明所述检测系统只需被测金属表面相对洁净，当系统通过受检材料表面即可检测，成本较低，可反复使用，能较快得到测量数据，判断出被检材料缺陷的形状类型等信息。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，能够实现金属缺陷检测和识别，可代替人工或其他传统方法，提高检测效率和检测精度。且不接触式的测量保证了金属的性能和质量不被破坏，可大大减少金属使用过程中因缺陷造成的误差。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明检测模块的示意图；
图2为本发明系统总体结构框图；
图3为本发明中系统工作流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1-3所示，一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，包括激励电源模块1、功率放大模块2、检测模块3、信号处理模块4、A/D转换模块5和上位机6；
所述激励电源模块1包括信号发生电路，所述信号发生电路产生一定频率的正弦交变信号，传送给后续功率放大模块2；
所述功率放大模块2的输入端与激励电源模块1的输出端连接，所述功率放大模块2采用功率放大芯片，用于提高信号发生电路产生信号的带载能力，使其可以驱动检测模块3；
如图1所示，所述检测模块3包括圆形激励线圈31、环形磁芯32、检测线圈33和支架34，所述检测线圈33与激励线圈31平行设置，且检测线圈33固定在激励线圈31中心，这样使检测线圈33容易感应到金属材料缺陷附近的磁场变化，为了使激励线圈31能够产生足够强度的激励磁场，所述激励线圈31中插有环形磁芯32，所述环形磁芯32的下端设置支架34，插入环形磁芯32不仅可以限制涡流磁场的范围，增强绕组间的电磁耦合，且能够减小激励线圈31的体积，所以环形磁芯32的选择也很重要，所述激励线圈31的输入端与功率放大模块2的输出端连接，所述检测线圈33的输出端与信号处理模块4的输入端连接，所述功率放大模块2将放大后的信号直接传输到激励线圈31上，驱动激励线圈31，所述激励线圈31接收到功率放大模块2传输来的放大后的正弦信号后，激励线圈31会产生交变磁场，并使被测金属材料产生磁场，基于磁场边缘效应，缺陷处对磁场有聚集作用，使检测线圈33将感应到的信号发生变化，所述检测线圈33把磁场量转化成感应电压信号输出到信号处理模块4；
所述信号处理模块4包括依次连接的前置放大电路、RC低通滤波电路、二级放大电路和巴特沃斯低通滤波电路，所述巴特沃斯低通滤波电路的输出端与A/D转换模块5的输入端连接，由于检测线圈33传输来的感应信号微弱，因此必须对其进行放大。来自检测线圈33的信号经过前置放大电路放大后，进行滤波，第一个滤波电路采用RC低通滤波器，去除感应信号中的随机噪声和激励信号的高次谐波等高频干扰，一次滤波之后，经过二级放大电路再次放大，之后传输到巴特沃斯低通滤波电路，对信号再次进行滤波，以得到平坦，稳定的感应信号，最后输出到A/D转换模块5；
所述A/D转换模块5的输出端与上位机6的输入端连接，所述A/D转换模块5包括数据采集卡，信息处理模块传输来的信号，经过数据采集卡的自动采集变成数字量后送到上位机6中进行分析、处理；
所述上位机6用于对A/D转换模块5传输过来的数字量进行数字滤波，将数据处理成易于识别的有用信号，根据波形和数据特点进行分析，判别出金属材料缺陷的形状类型。本发明不采用仿真得到各类型缺陷具体的数据，而是采用MATLAB处理好进行大致的判断。若检测线圈33从不到缺陷到离开缺陷的过程中，处理后的数据从小到大再变小，且这个过程比较宽，则缺陷为坑或孔类缺陷；若数据为同样的变化趋势，但数据变化距离及其窄，则为裂纹类缺陷，若与裂纹数据相比，数据大小整体较高，宽度变宽，但比圆孔类宽度窄，则为裂缝类缺陷。若数据在缺陷处变小，则为凸起类问题。
实施例2
基于实施例1的基础上，在实施例2中，上述各个模块的电路在同一点接地，不采用就近相连的方式，避免由于地电流相互影响而产生干扰，减少误差。
实施例3
基于实施例1的基础上，在实施例3中，为获得较大的检测范围和透入深度，激励线圈31做大一些，激励线圈的尺寸要是缺陷大小的3倍；但要使用小的检测线圈33拾取信号，以获得较高的空间分辨力和检测速度，所述检测线圈33的内径略大于被测金属材料表面缺陷，操作时使线圈以一定的均匀速度通过缺陷进行数据的采集。
实施例4
基于实施例1的基础上，在实施例4中，所述环形磁芯32选择锰锌铁氧体，该材料是一种高稳定性，高功率，高导铁氧体的材料，其磁导率随频率变化特性很稳定，在150Hz以下基本保持不变，是本发明环形磁芯32的最佳选择。
实施例5
基于实施例1的基础上，在实施例5中，所述检测线圈33获得的信号采用双绞线传输,可有效降低外界信息对信号干扰的程度，双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成，采用这种方式，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰，所以采用双绞线可有效减少噪声。
实施例6
基于实施例1的基础上，在实施例6中，为最大限度地提取小信号，所述前置放大电路采用了同相放大电路，但前置放大电路不宜放大过大倍数，否则会导致感应信号携带的噪声等干扰信号也被放大过大倍数，故本发明采用了多级放大的设计方式。
基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统的处理流程图，如图3所示：
打开激励源，启动系统后，把系统沿被检金属材料移动，当有信号输出时，处理并分析出缺陷所含信息，即判别出缺陷的类型或形状，是坑，裂隙或其他等。如果没有缺陷信息输出，可观察一下所测过地方是否存在缺陷，若没有，则该处没有缺陷，可换到缺陷处检测，若经过缺陷，但仍没有感应信号输出，则需关闭电源，检查排除系统各部件是否存在问题，若存在，则修复该模块，修复完成后再次重新检测。
特别说明，由于本发明基于电磁感应原理，故文中所有被测金属特指导磁性能良好的铁等材料。
本发明结构简单，检测过程属于无损检测，不会破坏金属材料原有性能，且检测灵敏度高、响应速度快，在工业应用中可提高缺陷检测效率，降低检测成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，其特征在于：包括激励电源模块、功率放大模块、检测模块、信号处理模块、A/D转换模块和上位机；
所述激励电源模块包括信号发生电路，所述信号发生电路产生一定频率的正弦交变信号，传送给后续功率放大模块；
所述功率放大模块的输入端与激励电源模块的输出端连接，所述功率放大模块采用功率放大芯片，用于提高信号发生电路产生信号的带载能力，使其可以驱动检测模块；
所述检测模块包括圆形激励线圈、环形磁芯、检测线圈和支架，所述检测线圈与激励线圈平行设置，且检测线圈固定在激励线圈中心，所述激励线圈中插有环形磁芯，所述环形磁芯的下端设置支架，所述激励线圈的输入端与功率放大模块的输出端连接，所述检测线圈的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述功率放大模块将放大后的信号直接传输到激励线圈上，驱动激励线圈，所述激励线圈接收到功率放大模块传输来的放大后的正弦信号后，激励线圈会产生交变磁场，并使被测金属材料产生磁场，基于磁场边缘效应，缺陷处对磁场有聚集作用，使检测线圈将感应到的信号发生变化，所述检测线圈把磁场量转化成感应电压信号输出到信号处理模块；
所述信号处理模块包括依次连接的前置放大电路、RC低通滤波电路、二级放大电路和巴特沃斯低通滤波电路，所述巴特沃斯低通滤波电路的输出端与A/D转换模块的输入端连接，来自检测线圈的信号经过前置放大电路放大后，进行滤波，第一个滤波电路采用RC低通滤波器，去除感应信号中的随机噪声和激励信号的高次谐波等高频干扰，一次滤波之后，经过二级放大电路再次放大，之后传输到巴特沃斯低通滤波电路，对信号再次进行滤波，以得到平坦，稳定的感应信号，最后输出到A/D转换模块；
所述A/D转换模块的输出端与上位机的输入端连接，所述A/D转换模块包括数据采集卡，信息处理模块传输来的信号，经过数据采集卡的自动采集变成数字量后送到上位机中进行分析、处理；
所述上位机用于对A/D转换模块传输过来的数字量进行数字滤波，将数据处理成易于识别的有用信号，根据波形和数据特点进行分析，判别出金属材料缺陷的形状类型。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，其特征在于：上述各个模块的电路在同一点接地，不采用就近相连的方式，避免由于地电流相互影响而产生干扰，减少误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，其特征在于：为获得较大的检测范围和透入深度，激励线圈的尺寸要是缺陷大小的2-4倍，检测线圈的内径略大于被测金属材料表面缺陷，这样拾取的信号会实现较高的空间分辨力和检测速度，操作时使线圈以一定的均匀速度通过缺陷进行数据的采集。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，其特征在于：所述环形磁芯选择锰锌铁氧体，该材料是一种高稳定性，高功率，高导铁氧体的材料，其磁导率随频率变化特性很稳定，在150Hz以下基本保持不变，是本发明环形磁芯的最佳选择。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，其特征在于：所述检测线圈获得的信号采用双绞线传输,可有效降低外界信息对信号干扰的程度。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的金属材料缺陷检测系统，其特征在于：为最大限度地提取小信号，所述前置放大电路采用了同相放大电路。
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2020
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