CN116413332B - 水下结构裂纹柔性阵列监测探头 - Google Patents
水下结构裂纹柔性阵列监测探头 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116413332B CN116413332B CN202310688130.8A CN202310688130A CN116413332B CN 116413332 B CN116413332 B CN 116413332B CN 202310688130 A CN202310688130 A CN 202310688130A CN 116413332 B CN116413332 B CN 116413332B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flexible
- monitoring probe
- double
- rectangular
- crack
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 105
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 48
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 22
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 claims abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 15
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 11
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 10
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 3
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 3
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 12
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 4
- 230000036541 health Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 12
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 10
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 2
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JIYIUPFAJUGHNL-UHFFFAOYSA-N [O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[Mn++].[Mn++].[Mn++].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Zn++].[Zn++] Chemical group [O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[Mn++].[Mn++].[Mn++].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Zn++].[Zn++] JIYIUPFAJUGHNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000012858 packaging process Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- KHDSWONFYIAAPE-UHFFFAOYSA-N silicon sulfide Chemical compound S=[Si]=S KHDSWONFYIAAPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
- G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
- G01N27/83—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws by investigating stray magnetic fields
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Abstract
本发明属于水下焊缝结构健康监测技术领域，尤其涉及一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头。该种水下结构裂纹柔性阵列监测探头，可在不祛除附着物和涂层情况下对焊缝位置开展长期定点的裂纹扩展可视化监测，及时有效地获取裂纹信息，从而为水下结构物裂纹扩展监测、安全评估及维修决策提供技术及装备支撑。水下结构裂纹柔性阵列监测探头，包括有：柔性阵列监测探头模块、前端信号处理模块以及上位机；柔性阵列监测探头模块包括有：上层硅基柔性保护层、坡莫合金磁屏蔽层、柔性平面式双矩形激励线圈、柔性监测传感器阵列、下层硅基柔性保护层；前端信号处理模块包括有差分信号放大电路、时分多路复用电路以及带通滤波放大电路。
Description
技术领域
本发明属于水下焊缝结构健康监测技术领域，尤其涉及一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头。
背景技术
隔水管、立管、水下油气处理设施等水下结构物长期服役于水下复杂载荷环境中，其中管节点焊缝等区域较易形成裂纹并迅速沿不同走向扩展，造成水下结构物断裂失效，严重威胁设备的安全运行，因此，开展水下结构物焊缝等关键位置裂纹监测技术研究，实时掌握裂纹扩展信息，对于保障海洋装备安全服役显得尤为重要。水下焊缝位置裂纹通常由无损检测技术发现，然而开展水下定期无损检测工序复杂且成本高昂，虽然能够获取得到当前裂纹尺寸，但无法实时掌握裂纹扩展信息，因而导致定期检测结果滞后。此外，传统无损检测技术在对焊缝位置裂纹进行检测时，受水下能见度低、噪声大、海水介电常数较高、附着物及涂层覆盖、焊缝处表面粗糙不平、振动提离大等因素的影响，实施难度较大。
而交流电磁场检测（Alternating Current Field Measurement，ACFM）技术作为一种新型电磁无损检测技术，主要用于导电材料表面裂纹检测，可以解决水下结构物裂纹检测技术难题。通过利用感应均匀电流在裂纹周围扰动引起的空间畸变磁场实现裂纹检测和评估，具有非接触检测、定量测量、提离扰动小等优势，在水下结构物裂纹检测方面得到广泛应用和发展。
其中，申请号为202110772687.0的发明专利申请中公开了一种基于交流电磁场的水下结构裂纹扩展可视化监测系统，其具体通过柔性激励电路和磁场传感器阵列实时获取固定位置畸变磁场信息。但进一步研究后，发明人发现上述技术方案中激励线圈和监测传感阵列所组成的交流电磁场监测模组，其仍旧存在有如下问题：
1）、激励线圈激发的磁场处于发散状态，感应在结构表面电流场围绕，容易受到海洋噪声环境影响，裂纹监测信噪比低；
2）、监测探头通常距离上位机距离较远，而现有的交流电磁场监测模组信号传输距离有限，无法满足更远距离的信号传输；
3）、交流电磁场监测模组采用传感器为线圈式，灵敏度较低；而如果将其替换为新型隧道磁阻（TMR）磁场传感器，则还需要对其需重新设计优化。
综上所述，包括上述专利申请文献在内的现有ACFM技术，其在进行周期性例行检测过程中，由于需要激励线圈、磁场传感器不停移动，磁场传感器需要提取不同位置的畸变磁场，不能及时识别萌生裂纹，无法追踪裂纹扩展形态。此外，常规ACFM检测探头为硬质壳体结构，无法与焊缝紧密贴合，对焊缝位置裂纹进行检测时会受到的提离抖动的影响。此外，对大面积待检区域进行裂纹检测时，还需要采用面扫形式，工作量大，耗时长。因此，有必要提出一种全新的水下柔性阵列监测探头，以克服现有技术中存在的诸多技术缺陷。
发明内容
本发明提供了一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头，该种水下结构裂纹柔性阵列监测探头解决了现有技术中水下结构裂纹监测技术中的多项技术难点，可在不祛除附着物和涂层情况下对焊缝位置开展长期定点的裂纹扩展可视化监测，及时有效地获取裂纹信息，从而为水下结构物裂纹扩展监测、安全评估及维修决策提供技术及装备支撑。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
水下结构裂纹柔性阵列监测探头，包括有：
柔性阵列监测探头模块、前端信号处理模块以及上位机；
所述柔性阵列监测探头模块从上到下依次包括有：上层硅基柔性保护层、坡莫合金磁屏蔽层、柔性平面式双矩形激励线圈、柔性监测传感器阵列、下层硅基柔性保护层；
所述前端信号处理模块包括有差分信号放大电路、时分多路复用电路以及带通滤波放大电路；
其中，柔性阵列监测探头模块与前端信号处理模块通过排针排母连接器相连接，上位机与前端信号处理模块通过雷莫线缆相连接。
进一步优选的，所述柔性平面式双矩形激励线圈由M层双矩形传感线圈印制在柔性印刷电路板基底上的方式形成，M≥1；其中，同层双矩形传感线圈中的左右两部分缠绕方向相反且沿对称轴呈镜像关系；
M层双矩形传感线圈中各层双矩形传感线圈间通过柔性印刷电路板内层的导线连接形成回路；
同层双矩形传感线圈的左右两部分内分别加载有方向相反的激励信号，以使同层双矩形传感线圈的左右两部分靠中间区域的电流方向始终相同。
进一步优选的，所述坡莫合金磁屏蔽层由高导磁率的软磁合金材料制备形成，且覆盖于柔性平面式双矩形激励线圈的上方，用以增强柔性平面式双矩形激励线圈的磁场聚拢效果，并减少柔性平面式双矩形激励线圈产生的激励磁场空间发散效果。
进一步优选的，所述柔性监测传感器阵列包括有柔性打印电路板以及固定在其上的m行n列隧道磁通磁阻传感器，单个隧道磁通磁阻传感器长3mm、宽3mm、高1mm，相邻的隧道磁通磁阻传感器之间的中心距离为5 mm-10 mm。
进一步优选的，前端信号处理模块中差分信号放大电路的输入端与柔性阵列监测探头模块中柔性监测传感器阵列的输出端之间的间距小于10cm。
进一步优选的，所述上位机由信号采集及处理模块、信号显示模块、裂纹评估模块与结果储存模块组成。
进一步优选的，所述差分信号放大电路选用型号为AD620的仪表放大器；其中，型号为AD620的仪表放大器的+IN引脚处配置有第一耦合电容C1、第一直流通路电阻R1；型号为AD620的仪表放大器的-IN引脚处配置有第二耦合电容C2、第二直流通路电阻R2；
所述时分多路复用电路使用两路型号为ADG1406的多路复用芯片构成；其中，ADG1406的多路复用芯片的S1-S16引脚为输入信号单端，ADG1406的多路复用芯片的D引脚为公共输出端，ADG1406的多路复用芯片的A0、A1、A2、A3引脚为二进制地址线控制端；
所述带通滤波放大电路选用芯片型号为NE5532的双运算放大器。
本发明提供了一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头，该种水下结构裂纹柔性阵列监测探头包括有柔性阵列监测探头模块、前端信号处理模块以及上位机。其中，柔性阵列监测探头模块从上到下依次包括有：上层硅基柔性保护层、坡莫合金磁屏蔽层、柔性平面式双矩形激励线圈、柔性监测传感器阵列、下层硅基柔性保护层；前端信号处理模块包括有差分信号放大电路、时分多路复用电路以及带通滤波放大电路。具有上述结构特征的水下结构裂纹柔性阵列监测探头，其相比于现有技术而言，该方案至少具备有如下有益效果：
1、改善了柔性阵列监测探头模块磁场的聚拢效果，增强了缺陷信号的强度，最终使得监测的效果大幅提高；
2、优化了信号处理部分电路的硬件性能，节约了硬件成本；同时有效滤除了传输信号中的噪声，实现了处理信号的远距离传输；
3、通过实时获取水下结构物焊缝位置处裂纹扩展引起的表面畸变磁场信号，从而为水下结构物的安全评估、裂纹尺寸高精度量化、维修决策及寿命预测提供精准数据支撑。
附图说明
该附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头的结构示意图；
图2为柔性阵列监测探头模块的层间结构示意图；
图3为双矩形传感线圈的左右两部分电流方向的流向示意图；
图4为柔性监测传感器阵列的电路结构示意图；
图5为有无坡莫合金磁屏蔽层的监测结果仿真对照图；
图6为柔性平面式双矩形激励线圈的示意图；
图7为柔性监测传感器阵列中不同隧道磁通磁阻传感器间距的实验效果对比图；
图8为差分信号放大电路的电路示意图；
图9为多路复用芯片的电路示意图；
图10为带通滤波放大电路的电路示意图；
图11为有无带通滤波放大电路的监测结果仿真对照图。
具体实施方式
本发明提供了一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头，该种水下结构裂纹柔性阵列监测探头解决了现有技术中水下结构裂纹监测技术中的多项技术难点，可在不祛除附着物和涂层情况下对焊缝位置开展长期定点的裂纹扩展可视化监测，及时有效地获取裂纹信息，从而为水下结构物裂纹扩展监测、安全评估及维修决策提供技术及装备支撑。
本发明提供了一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头，如图1所示，包括有：柔性阵列监测探头模块、前端信号处理模块以及上位机。其中，如图2所示，柔性阵列监测探头模块从上到下依次包括有：上层硅基柔性保护层、坡莫合金磁屏蔽层、柔性平面式双矩形激励线圈、柔性监测传感器阵列、下层硅基柔性保护层。
值得注意的是，作为本发明的一种较为优选的实施方式，柔性平面式双矩形激励线圈由M层双矩形传感线圈印制在柔性印刷电路板基底上的方式形成，M≥1。其中，同层双矩形传感线圈中的左右两部分缠绕方向相反且沿对称轴呈镜像关系，而M层双矩形传感线圈中各层双矩形传感线圈间通过柔性印刷电路板内层的导线连接形成回路。此外，同层双矩形传感线圈的左右两部分内分别加载有方向相反的激励信号，这样设置的目的在于，参考如图3所示，可使得同层双矩形传感线圈的左右两部分靠中间区域的电流方向始终相同。
而作为本发明的另一种较为优选的实施方式，坡莫合金磁屏蔽层由高导磁率的软磁合金材料制备形成，且覆盖于柔性平面式双矩形激励线圈的上方。这样设置的目的在于，增强柔性平面式双矩形激励线圈的磁场聚拢效果，并减少柔性平面式双矩形激励线圈产生的激励磁场空间发散效果，最终实现柔性平面式双矩形激励线圈上方磁场屏蔽，提高柔性阵列监测探头模块监测信号的响应幅值，有助于在海洋高噪声环境下实现裂纹监测。
以及，作为本发明的再一种较为优选的实施方式，如图4所示，柔性监测传感器阵列包括有柔性打印电路板以及固定在其上的m行n列隧道磁通磁阻传感器，单个隧道磁通磁阻传感器长3mm、宽3mm、高1mm，相邻的隧道磁通磁阻传感器之间的中心距离为5 mm-10 mm。
进一步对柔性阵列监测探头模块的制备以及实施过程做如下举例说明。具体的，柔性阵列监测探头模块的封装过程可参考描述为：首先将柔性平面式双矩形激励线圈与柔性监测传感器阵列沿柔性电路板丝印层定位线粘接在一起；而后，在柔性平面式双矩形激励线圈上方再粘接一层坡莫合金磁屏蔽层；最后，对上述结构作硫化处理。其中，可选用电缆级阻燃型双组分绝缘树脂胶水实现上述硫化保护处理过程。该种双组分绝缘树脂胶水的粘接能力较强；耐冲击性能好；耐水、耐腐蚀性好，尤其适合用于本柔性阵列监测探头模块的防护使用。
继续对硫化后的上述结构使用防水油漆笔画出传感器定位线，其中裸露未硫化的部分则通过底端的定位孔与排针排母链接装配于信号处理舱体内。柔性阵列监测探头模块四角预留出四个安装耳，通过捆绑扎带的形式可将探头模块部分固定于管道等试件结构表面。
需要补充的一点是，坡莫合金磁屏蔽层优选使用厚度为0.5mm的柔性坡莫合金薄片，如图2所示，该坡莫合金磁屏蔽层覆盖于柔性平面式双矩形激励线圈上方，其长宽与双矩形激励线圈相同且胶接在双矩形激励线圈的上层。由于通过采用柔性平面式双矩形激励线圈的激励形式代替了传统的导线缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯的激励形式，缺少了磁芯磁场的聚拢效果，柔性平面式双矩形激励线圈产生的磁场在空间上是呈发散状态的，双矩形激励线圈下方的磁场聚集效果较差，最终会影响监测的效果。而坡莫合金磁屏蔽层的加入后，则有效的解决了上述激励形式的弊端。参考如图5所示，图5中实线部分为有坡莫合金磁屏蔽层的特征信号曲线，虚线部分为无屏蔽层的特征信号曲线；可见见到，Bz信号畸变量增加约59%。也就是说，增加坡莫合金磁屏蔽层后，有效的增强了柔性平面式双矩形激励线圈的磁场聚拢效果，提高了本柔性阵列监测探头的监测能力，使得监测效果明显提升。
柔性平面式双矩形激励线圈的示意图则如图6所示，在此（图6示例中采用了3层）双矩形激励线圈印制在柔性基底上，具体由两部分左右对称的矩形激励线圈构成，左右两部分的缠绕方向相反且沿对称轴呈镜像关系。值得注意的是，为增强双矩形激励线圈产生的磁场强度，可以采用增加电路板层数的方式增加线圈匝数，例如使用四层印刷电路板，其中的三层包含有双矩形激励线圈并通过一个内电层连接形成回路。
此外，对柔性监测传感器阵列中布置的隧道磁通磁阻传感器进行如下说明。以焊缝上尺寸为30*1*3 mm的裂纹为例，如图4所示，沿焊缝方向布置8个TMR传感器，垂直焊缝方向布置4个TMR传感器，也就是说柔性监测传感器阵列将输出32路微弱的电压信号。统计结果如图7所示，当传感器间距大于10 mm时，监测图像出现较大失真，不利于后续量化；而以传感器间距为5 mm为例，其可对35 mm×15 mm的矩形区域进行监测，可实现大部分裂纹区域沿焊缝方向的大范围监测和焊缝和热影响区的同时监测。
最后，需要说明的是，上层硅基柔性保护层、下层硅基柔性保护层选用硫化硅基材料，用于柔性阵列监测探头模块的外层封装，从而保护柔性阵列监测探头模块内的其它结构单元。
而前端信号处理模块中进一步包括有差分信号放大电路、时分多路复用电路以及带通滤波放大电路。差分信号放大电路选用型号为（32路）AD620的仪表放大器。由于柔性监测传感器阵列产生的电压信号为毫伏级，易受到噪声信号干扰；通过该型号为AD620的差分放大电路的前端放大处理，可将毫伏级微弱信号放大为伏级，进行后续处理时可大大提高检测信号的可靠性。
具体的，该型号为AD620是一款高精度、低成本、低噪声、低功耗的仪表放大器，适合用于微弱信号的前端放大。结合传感器输出的频率约为1kHz的正弦信号，该差分信号放大电路的电路示意图可参考如图8所示，其中，型号为AD620的仪表放大器的+IN引脚处配置有第一耦合电容C1、第一直流通路电阻R1；型号为AD620的仪表放大器的-IN引脚处配置有第二耦合电容C2、第二直流通路电阻R2。
上述差分输入通道中的第一耦合电容C1、第二耦合电容C2和第一直流通路电阻R1、第二直流通路电阻R2组成一无源高通滤波通道，允许传感器输出的频率为1kHz的正弦信号通过；并隔离传感器输出信号中的直流分量，起到初始滤波的作用。电阻R3为外部增益电阻，电路放大倍数G如下式（1）所示，改变R3的电阻值便可改变放大电路的放大倍数，当R3的电阻值为500Ω时，电路放大倍数约为99.8倍。
式（1）。
时分多路复用电路，可选择由两块型号为ADG1406的多路复用芯片组成。该多路复用芯片实现了对32路柔性监测传感器阵列信号的多路复用，最终得到两路信号输出。柔性阵列监测探头模块输出的信号为32路差分信号，经AD620放大后输出的信号为32路单端信号；通常情况下，单个数据采集卡只能实现最多8路差分信号采集，也即16路单端信号采集。而利用两路型号为ADG1406的时分多路复用电路的多路复用芯片处理，实现了32路信号到两路信号的多路复用，降低了后续电路的复杂程度，提高了数据采集卡接线端口的利用率。
具体的，型号为ADG1406的时分多路复用电路是一款导通电阻低、噪声小的多路复用器，可广泛应用于多路信号的数据采集，该多路复用芯片的电路示意图如图9所示。其中，ADG1406的多路复用芯片的S1-S16引脚为输入信号单端，ADG1406的多路复用芯片的D引脚为公共输出端，ADG1406的多路复用芯片的A0、A1、A2、A3引脚为二进制地址线控制端。
带通滤波放大电路，该带通滤波放大电路设置于前端信号处理模块PCB板的背面，用于减少信号在传输过程中受到的噪声干扰，提高远距离信号传输的可靠性。在信号传输之前进行（单路信号输入至带通滤波放大电路）放大滤波处理，最终将各路信号汇总传输至上位机位置处。
为了便于本领域技术人员的理解，在此提供一种带通滤波放大电路的电路示意，如图10所示。该带通滤波放大电路选用芯片型号为NE5532的双运算放大器。图10中电容C2、C3、电阻R1、R2、R3、R4以及芯片型号为NE5532的双运算放大器U1.1构成二阶压控电压源低通滤波部分。其中，R1、R2、C2、C3共同构成该滤波部分的截止频率选频网络，其截止频率fh如式（2）所示；R3、R4和芯片型号为NE5532的双运算放大器U1.1组成同向比例放大电路，其中同相比例放大电路等效于压控电压源，其电压增益为低通滤波的通带电压增益，增益倍数G1如式（3）所示：
式（2）。
式（3）。
此外，图10中电容C4、电阻R6、R7、R8和芯片型号为NE5532的双运算放大器U1.2组成一阶有源高通滤波部分。其中，C4和R8构成高通滤波部分，其截止频率fl如式（4）所示，运算放大器起到跟随作用；R6、R7和运算放大器构成同相比例放大电路，其增益倍数G2如式（5）所示。
式（4）。
式（5）。
经计算，以监测频率为1kHz为例，令R1=R2=7.15kΩ，C2=C3=22nF，带通滤波放大电路的高截止频率为Hz，低截止频率为/>Hz，即带通滤波放大电路的通带为988.29Hz～1011.79Hz。设置R3=R4=7.15kΩ，R6=7.15kΩ，R7=14.3kΩ，则带通滤波放大电路的放大倍数可达/>倍。
最后补充说明的一点是，通过信号传输前对信号进行的带通滤波放大处理，前端信号处理模块将信号的传输距离提高到50m以上，提高了信噪比，避免了信号在传输过程中容易受到的噪声干扰问题，实现了深水结构监测信号的远距离传输，大大提高了信号传输的可靠性。对比参考如图11所示，在无带通滤波放大电路的情况下，信号传输10m左右的距离就已经衰减。
上位机由信号采集及处理模块、信号显示模块、裂纹评估模块与结果储存模块组成。具体的，该上位机中加载有水下结构裂纹监测所需的各类监测及信号分析处理软件。其一方面包含有通道设置、定时设置、操作按钮、监测可视化图像以及裂纹尺寸量化显示等控制设置，并配置有开始、标定、停止、保存等按钮，以便能够便捷地实施各类操作设置；另一方面则用于实现对各路传感器的实时信号进行显示，便于对每路传感器的工作状况进行查看。
需要补充说明的是，较为优选的，柔性阵列监测探头模块与前端信号处理模块通过排针排母连接器相连接，上位机与前端信号处理模块通过雷莫线缆相连接。以及，前端信号处理模块中差分信号放大电路的输入端与柔性阵列监测探头模块中柔性监测传感器阵列的输出端之间的间距优选应小于10cm。
本发明提供了一种水下结构裂纹柔性阵列监测探头，该种水下结构裂纹柔性阵列监测探头包括有柔性阵列监测探头模块、前端信号处理模块以及上位机。其中，柔性阵列监测探头模块从上到下依次包括有：上层硅基柔性保护层、坡莫合金磁屏蔽层、柔性平面式双矩形激励线圈、柔性监测传感器阵列、下层硅基柔性保护层；前端信号处理模块包括有差分信号放大电路、时分多路复用电路以及带通滤波放大电路。具有上述结构特征的水下结构裂纹柔性阵列监测探头，其相比于现有技术而言，该方案至少具备有如下有益效果：
1、改善了柔性阵列监测探头模块磁场的聚拢效果，增强了缺陷信号的强度，最终使得监测的效果大幅提高；
2、优化了信号处理部分电路的硬件性能，节约了硬件成本；同时有效滤除了传输信号中的噪声，实现了处理信号的远距离传输；
3、通过实时获取水下结构物焊缝位置处裂纹扩展引起的表面畸变磁场信号，从而为水下结构物的安全评估、裂纹尺寸高精度量化、维修决策及寿命预测提供精准数据支撑。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.水下结构裂纹柔性阵列监测探头，其特征在于，包括有：
柔性阵列监测探头模块、前端信号处理模块以及上位机；
所述柔性阵列监测探头模块从上到下依次包括有：上层硅基柔性保护层、坡莫合金磁屏蔽层、柔性平面式双矩形激励线圈、柔性监测传感器阵列、下层硅基柔性保护层；
所述前端信号处理模块包括有差分信号放大电路、时分多路复用电路以及带通滤波放大电路；
其中，柔性阵列监测探头模块与前端信号处理模块通过排针排母连接器相连接，上位机与前端信号处理模块通过雷莫线缆相连接；
所述柔性平面式双矩形激励线圈由M层双矩形传感线圈印制在柔性印刷电路板基底上的方式形成，M≥1；其中，同层双矩形传感线圈中的左右两部分缠绕方向相反且沿对称轴呈镜像关系；
M层双矩形传感线圈中各层双矩形传感线圈间通过柔性印刷电路板内层的导线连接形成回路；
同层双矩形传感线圈的左右两部分内分别加载有方向相反的激励信号，以使同层双矩形传感线圈的左右两部分靠中间区域的电流方向始终相同；
所述坡莫合金磁屏蔽层由高导磁率的软磁合金材料制备形成，且覆盖于柔性平面式双矩形激励线圈的上方，用以增强柔性平面式双矩形激励线圈的磁场聚拢效果，并减少柔性平面式双矩形激励线圈产生的激励磁场空间发散效果；
所述柔性监测传感器阵列包括有柔性打印电路板以及固定在其上的m行n列隧道磁通磁阻传感器，单个隧道磁通磁阻传感器长3mm、宽3mm、高1mm，相邻的隧道磁通磁阻传感器之间的中心距离为5 mm-10 mm。
2.根据权利要求1所述的水下结构裂纹柔性阵列监测探头，其特征在于，前端信号处理模块中差分信号放大电路的输入端与柔性阵列监测探头模块中柔性监测传感器阵列的输出端之间的间距小于10cm。
3.根据权利要求1所述的水下结构裂纹柔性阵列监测探头，其特征在于，所述上位机由信号采集及处理模块、信号显示模块、裂纹评估模块与结果储存模块组成。
4.根据权利要求1所述的水下结构裂纹柔性阵列监测探头，其特征在于，所述差分信号放大电路选用型号为AD620的仪表放大器；其中，型号为AD620的仪表放大器的+IN引脚处配置有第一耦合电容C1、第一直流通路电阻R1；型号为AD620的仪表放大器的-IN引脚处配置有第二耦合电容C2、第二直流通路电阻R2；
所述时分多路复用电路使用两路型号为ADG1406的多路复用芯片构成；其中，ADG1406的多路复用芯片的S1-S16引脚为输入信号单端，ADG1406的多路复用芯片的D引脚为公共输出端，ADG1406的多路复用芯片的A0、A1、A2、A3引脚为二进制地址线控制端；
所述带通滤波放大电路选用芯片型号为NE5532的双运算放大器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310688130.8A CN116413332B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 水下结构裂纹柔性阵列监测探头 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310688130.8A CN116413332B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 水下结构裂纹柔性阵列监测探头 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116413332A CN116413332A (zh) | 2023-07-11 |
| CN116413332B true CN116413332B (zh) | 2023-09-08 |
Family
ID=87059722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310688130.8A Active CN116413332B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 水下结构裂纹柔性阵列监测探头 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116413332B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5617024A (en) * | 1993-10-12 | 1997-04-01 | The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Flux focusing eddy current probe |
| JP2015105947A (ja) * | 2013-11-28 | 2015-06-08 | 賢二 毎床 | 欠陥検査機、欠陥検査装置及び欠陥検査方法 |
| CN205910156U (zh) * | 2016-08-17 | 2017-01-25 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种可检测飞机铆接结构裂纹缺陷的远场涡流无损检测装置 |
| CN107422030A (zh) * | 2017-09-22 | 2017-12-01 | 厦门大学 | 柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法 |
| CN108680638A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-10-19 | 中国人民解放军国防科技大学 | 平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法 |
| CN209102094U (zh) * | 2018-12-29 | 2019-07-12 | 江苏多维科技有限公司 | 一种磁导航传感器及磁导航系统 |
| CN111565024A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-08-21 | 华北电力大学 | 一种太阳能电池板故障检测与运行效率预测装置和方法 |
| CN113390954A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-14 | 中国石油大学(华东) | 基于交流电磁场的水下结构裂纹扩展可视化监测系统 |
| CN113390957A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-09-14 | 杭州电子科技大学 | 一种基于磁传感探头的防串扰涡流无损探伤检测系统 |
| CN113390955A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-14 | 中国石油大学(华东) | 交流电磁场裂纹可视化监测与评估方法 |
| CN114034766A (zh) * | 2021-04-20 | 2022-02-11 | 西安交通大学 | 一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法 |
| WO2023280023A1 (zh) * | 2021-07-08 | 2023-01-12 | 中国石油大学(华东) | 基于交流电磁场的水下结构裂纹扩展可视化监测系统和交流电磁场裂纹可视化监测与评估方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014109690A (ja) * | 2012-12-03 | 2014-06-12 | Kyocera Document Solutions Inc | 定着装置及びそれを備えた画像形成装置 |
| CN103414176B (zh) * | 2013-07-30 | 2016-01-20 | 江苏多维科技有限公司 | 一种磁阻限流器 |
| JP7311931B2 (ja) * | 2019-08-30 | 2023-07-20 | 江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司 | 電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサ |
-
2023
- 2023-06-12 CN CN202310688130.8A patent/CN116413332B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5617024A (en) * | 1993-10-12 | 1997-04-01 | The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Flux focusing eddy current probe |
| JP2015105947A (ja) * | 2013-11-28 | 2015-06-08 | 賢二 毎床 | 欠陥検査機、欠陥検査装置及び欠陥検査方法 |
| CN205910156U (zh) * | 2016-08-17 | 2017-01-25 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种可检测飞机铆接结构裂纹缺陷的远场涡流无损检测装置 |
| CN107422030A (zh) * | 2017-09-22 | 2017-12-01 | 厦门大学 | 柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法 |
| CN108680638A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-10-19 | 中国人民解放军国防科技大学 | 平面阵列式柔性电磁传感器、制备方法及应用方法 |
| CN209102094U (zh) * | 2018-12-29 | 2019-07-12 | 江苏多维科技有限公司 | 一种磁导航传感器及磁导航系统 |
| CN111565024A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-08-21 | 华北电力大学 | 一种太阳能电池板故障检测与运行效率预测装置和方法 |
| CN114034766A (zh) * | 2021-04-20 | 2022-02-11 | 西安交通大学 | 一种柔性螺旋形瞬变涡流匀场激励探头及缺陷检测方法 |
| CN113390957A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-09-14 | 杭州电子科技大学 | 一种基于磁传感探头的防串扰涡流无损探伤检测系统 |
| CN113390954A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-14 | 中国石油大学(华东) | 基于交流电磁场的水下结构裂纹扩展可视化监测系统 |
| CN113390955A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-14 | 中国石油大学(华东) | 交流电磁场裂纹可视化监测与评估方法 |
| WO2023280023A1 (zh) * | 2021-07-08 | 2023-01-12 | 中国石油大学(华东) | 基于交流电磁场的水下结构裂纹扩展可视化监测系统和交流电磁场裂纹可视化监测与评估方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于交流电磁场的水下结构物...纹尺寸及剖面高精度评估方法;袁新安 等;中国石油大学学报(自然科学版);第44卷(第6期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116413332A (zh) | 2023-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9170234B2 (en) | Magnetic sensor array and apparatus for detecting defect using the magnetic sensor array | |
| US9000781B2 (en) | Device for the non-destructive testing of an electrically conductive structure | |
| JP3343860B2 (ja) | 渦電流探傷プローブ | |
| US8704513B2 (en) | Shielded eddy current coils and methods for forming same on printed circuit boards | |
| US20140002072A1 (en) | Eddy current array configuration with reduced length and thickness | |
| US9322806B2 (en) | Eddy current sensor with linear drive conductor | |
| WO2018126808A1 (zh) | 电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法 | |
| EP2052274A2 (en) | Sensor coil array for magnetic inductance tomography with reduced mutual coil coupling | |
| CN202083785U (zh) | 一种空间磁场矢量测量装置 | |
| CN105067701B (zh) | 基于矩形探头的脉冲涡流检测硬件分离方法 | |
| US9279784B2 (en) | Durability enhanced and redundant embedded sensors | |
| CN113390957A (zh) | 一种基于磁传感探头的防串扰涡流无损探伤检测系统 | |
| CN109580771B (zh) | 双方形激励柔性涡流阵列传感器 | |
| CN103675094A (zh) | 一种无损探伤装置 | |
| CN113390954B (zh) | 基于交流电磁场的水下结构裂纹扩展可视化监测系统 | |
| CN116413332B (zh) | 水下结构裂纹柔性阵列监测探头 | |
| US7417424B2 (en) | Magnetic-field-measuring device | |
| CN210376233U (zh) | 正交旋转电涡流检测系统 | |
| CN105380645A (zh) | 一种肺磁图的检测方法与装置 | |
| JP4619884B2 (ja) | 鉄系材埋設コンクリート構造物の鉄系材の診断方法 | |
| US20240019399A1 (en) | Monitoring System Of Crack Propagation Of Underwater Structure Visual Based on Alternating Current Field, and Alternating Current Field Crack Visual Monitoring and Evaluation method | |
| RU2072519C1 (ru) | Устройство вихретокового неразрушающего контроля поверхности материала конструктивных элементов | |
| CN210834768U (zh) | 基于正交检测的电涡流探伤装置 | |
| CN113049675B (zh) | 一种旋转电磁场管道缺陷分层检测探头及方法 | |
| Pelkner et al. | Eddy current testing with high-spatial resolution probes using MR arrays as receiver |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20230711 Assignee: Tianjin water transport engineering survey and Design Institute Co.,Ltd. Assignor: CHINA University OF PETROLEUM (EAST CHINA) Contract record no.: X2024980004215 Denomination of invention: Flexible array monitoring probe for underwater structural cracks Granted publication date: 20230908 License type: Common License Record date: 20240410 |