CN117030839A - 双探头巨磁阻抗涡流传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置，包括GMI双探头敏感元件、微型螺线管、差分放大电路、基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统和上位机，其中GMI双探头敏感元件利用钴基非晶薄带的巨磁阻抗效应，可检测复杂工况下微小裂纹形成的涡流场，并将检测信号由可编程逻辑器件ZYNQ进行信号处理，最终将裂纹深度显示在上位机上，采用微型螺线管包裹敏感元件进行有效磁屏蔽，保护探头不受外界磁干扰，实现了在复杂工况下的磁测量，由于采用双探头结构可以提升两倍灵敏度且有效的抵制了共模信号干扰，同时在微型螺线管的覆盖下只对偏置磁场的变化负责，具有更高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置。
背景技术
随着我国工业生产对高端制造的重视，无损检测(NDT)的重要性也越来越突显，在大飞机、高精机床等精密设备的检测维护上具有重大意义。目前工业上常用的无损检测方法有涡流检测(ECT)、射线检测、磁粉检测、超声检测、漏磁检测等。涡流检测以电磁感应原理为基础，在复杂恶劣工况下具有明显优势，可以对导电材料中不连续的缺陷、电导率变化、厚度变化和工件腐蚀情况等进行非接触测量。
巨磁阻抗(GMI)效应是指，当一定频率的激励电流通过软磁材料时，其阻抗会随外加磁场的变化而发生相应显著变化的现象。基于巨磁阻抗效应的传感器探头具有高灵敏度、响应速度快、尺寸小、低功耗、温度稳定性高和线性范围大等突出特点，在涡流检测中具有广泛应用。
目前的GMI传感器在无损检测过程中多应用单探头，享有其高灵敏度的同时也丧失了一定的空间抗磁干扰能力。此外，基于GMI效应的传感装置多使用非晶丝式传感器，造价成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置，旨在解决现有的GMI传感器无损检测应用单探头时空间抗磁干扰能力低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置，包括GMI双探头敏感元件、微型螺线管、差分放大电路、基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统和上位机，所述GMI双探头敏感元件位于所述微型螺线管内部，所述微型螺线管、所述差分放大电路、所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统和所述上位机依次电性连接。
其中，所述GMI双探头敏感元件中双探头材料为非晶钴基薄带，经由MEMS工艺湿法刻蚀成曲折结构。
其中，所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统产生激励信号，并对所述GMI双探头敏感元件和所述微型螺线管进行信号激励。
其中，所述GMI双探头敏感元件与电阻元件构成的惠斯通电桥通过所述差分放大电路将测量得到的弱信号输入基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统进行数字信号处理。
其中，所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统包括信号采集模块、信号处理模块、信号激励模块和电源管理模块，所述信号采集模块负责采集并转换信号输送至所述信号处理模块计算处理，所述信号激励模块为GMI双探头敏感元件提供高频激励信号，所述电源管理模块为整个装置提供电源。
其中，所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统与所述上位机的信息双向流通，并会由上位机进行指令下达和终端显示。
本发明提供了一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置，包括GMI双探头敏感元件、微型螺线管、差分放大电路、基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统和上位机，其中GMI双探头敏感元件利用钴基非晶薄带的巨磁阻抗效应，可检测复杂工况下微小裂纹形成的涡流场，并将检测信号由可编程逻辑器件ZYNQ进行信号处理，最终将裂纹深度显示在上位机上，采用微型螺线管包裹敏感元件进行有效磁屏蔽，保护探头不受外界磁干扰，实现了在复杂工况下的磁测量，由于采用双探头结构可以提升两倍灵敏度且有效的抵制了共模信号干扰，同时在微型螺线管的覆盖下只对偏置磁场的变化负责，具有更高的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置的结构示意图。
图2为本发明的GMI双探头敏感元件示意图。
图3为本发明的差分放大电路示意图。
图4为本发明的信号采集模块原理框图。
图5为本发明的信号处理模块原理框图。
图6为本发明的信号激励模块原理框图。
图7为本发明的电源管理模块原理框图。
1-GMI双探头敏感元件、2-微型螺线管、3-差分放大电路、4-基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统、5-上位机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1至图7，本发明提出了一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置，包括GMI双探头敏感元件1、微型螺线管2、差分放大电路3、基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4和上位机5，所述GMI双探头敏感元件1位于所述微型螺线管2内部，所述微型螺线管2、所述差分放大电路3、所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4和所述上位机5依次电性连接。
具体的，微型螺线管2是由0.035mm漆包线在PVC管上缠绕1000匝而成，经基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4的外围电路产生激励信号，用于对GMI双探头敏感元件1产生直流偏置磁场，同时用于产生对被测导电工件的浅表层进行激励，当工件浅表面有微小缺陷时，缺陷位置产生局部涡流。
GMI双探头敏感元件1利用钴基非晶2714薄带，由MEMS工艺，在玻璃基底上，经湿法刻蚀制成有效传感面积为6640μm*6000μm的双探头敏感元件如图2所示。其固定放置在微型螺线管的中心。基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4会对GMI双探头敏感元件1产生其所需的最佳静态工作点频率的交流信号激励，以产生可测量微量磁信号的杂散场。同时GMI双探头敏感元件1的交流阻抗对磁场杂散场的变化相当敏感，当微型螺线管2搭载GMI双探头敏感元件1移动到导电工件浅表面的缺陷位置时，直流偏置磁场的改变使杂散场发生明显的改变，进而影响GMI双探头敏感元件1的阻抗输出。
差分放大电路3是由LT1994高共模抑制比差分放大芯片和惠斯通电桥组成，如图3所示。LT1994高共模抑制比差分放大芯片由可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4中的外围电路进行双电源供电GMI双探头敏感元件1所得到的阻抗变化经LT1994高共模抑制比差分放大芯片放大，放大信号输入基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4进行信号处理。
基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统4如图3所示，主要以Xilinx ZYNQ7010(简称“ZYNQ”)芯片为主要处理单元并搭载外围电路，包括信号采集模块、信号处理模块、信号激励模块和电源管理模块。信号采集模块包括模数转换模块，主控制模块、存储模块和内部总线。放大信号通过模数转换模块进入信号采集模块；模数转换模块由主控制模块控制实现模拟信号的实时数字转化；经模数转换后的数字信号在主控制单元的控制下进行编码打包，一方面进入存储单元，对测量数据进行保存；另一方面数据通过内部总线输出至信号处理模块。
信号处理模块如图4所示，针对于输入的数字信号的高频特点，配置包括高精度乘法模块和低通滤波模块。信号处理模块将内部总线传输的输入信号与对GMI双探头敏感元件1的激励信号输入高精度乘法模块，提取激励信号与输入信号的相干频率分量，对信号做乘法处理后进入低通滤波模块对相干的频率分量进行低通滤波而后输出，通过串口输入上位机5进行显示。高精度乘法模块是由基4-booth算法和Wallace压缩树组成的8bit的高速高精度乘法器和超前进位加法器组成；基4-booth算法对两组8bit数据生成booth编码，并生成四个部分积，Wallace压缩树将部分积压缩相加后最终得到8bit的最终乘积；低通滤波模块调用Xilinx的EDA数据库中IIRIP核产生。
信号激励模块如图5所示，主要为GMI双探头敏感元件1提供高频激励信号。包括信号发生模块、数模转换模块和内部总线。信号发生模块包括计数器模块、乘法器模块、查表模块和数字滤波模块。信号发生模块基于ZYNQ芯片内部时钟信号，通过计数器模块实现频率控制，可产生MHz级频率；乘法器模块用于控制信号发生器的输出幅值；查表模块可用于选择输出波形的类型，实现正弦波、方波、三角波等波形输出；数字滤波模块通过对生成的波形进行数字滤波，以去除噪声或不需要的频率成分。查表模块、数字滤波模块均调用Xilinx的EDA数据库中IP核产生。数模转换模块输出信号发生模块生成的高频信号，用于激励GMI双探头敏感元件以达到工作状态。
电源管理模块如图6所示，为整个装置提供电源，包括稳压滤波模块、充电模块、锂电池和外围电路。主要用于产生微型螺线管2的直流激励电压、差分放大电路3所需双电源、对可编程逻辑器件ZYNQ的供电和对锂电池的充电等。其中稳压滤波模块实现了外部220V电压转12V，并对外部电路和锂电池直接提供电压；外围电路指微型螺线管2上缠绕的线圈及差分放大电路3；锂电池直接对可编程逻辑器件ZYNQ提供稳定电压。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种双探头巨磁阻抗涡流传感装置，其特征在于，
包括GMI双探头敏感元件、微型螺线管、差分放大电路、基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统和上位机，所述GMI双探头敏感元件位于所述微型螺线管内部，所述微型螺线管、所述差分放大电路、所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统和所述上位机依次电性连接。
2.如权利要求1所述的双探头巨磁阻抗涡流传感装置，其特征在于，
所述GMI双探头敏感元件中双探头材料为非晶钴基薄带，经由MEMS工艺湿法刻蚀成曲折结构。
3.如权利要求2所述的双探头巨磁阻抗涡流传感装置，其特征在于，
所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统产生激励信号，并对所述GMI双探头敏感元件和所述微型螺线管进行信号激励。
4.如权利要求3所述的双探头巨磁阻抗涡流传感装置，其特征在于，
所述GMI双探头敏感元件与电阻元件构成的惠斯通电桥通过所述差分放大电路将测量得到的弱信号输入基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统进行数字信号处理。
5.如权利要求4所述的双探头巨磁阻抗涡流传感装置，其特征在于，
所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统包括信号采集模块、信号处理模块、信号激励模块和电源管理模块，所述信号采集模块负责采集并转换信号输送至所述信号处理模块计算处理，所述信号激励模块为GMI双探头敏感元件提供高频激励信号，所述电源管理模块为整个装置提供电源。
6.如权利要求5所述的双探头巨磁阻抗涡流传感装置，其特征在于，
所述基于可编程逻辑器件ZYNQ的数字电路系统与所述上位机的信息双向流通，并会由上位机进行指令下达和终端显示。
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