CN1959402A - 基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于巨磁电阻传感器检测探头的涡流检测装置。该装置采用基于直接数字合成技术的集成电路得到频率可调的正弦信号，为激励线圈提供激励信号。根据电磁感应原理，当激励线圈靠近被测导电结构时，被测件中会产生涡流；涡流反过来又影响激励线圈所产生的磁场。基于巨磁电阻传感器的检测探头检测出磁场的变化，该磁场变化信号经过差动放大后分两路送入相敏检波器。相敏检波器的输出信号与被测件的某个或某些待检测参数有密切关系，经过分析或反演计算，可推测出待测参数的状况或数值。该装置采用了基于巨磁电阻传感器的检测探头，探头适用于检测磁场尤其是微弱磁场，适用于航空航天等领域的多层导电结构里层和深层缺陷的无损检测与评估。

Description

基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置。

背景技术

当前军用和民用航空事业发展十分迅速。大量在役飞机需要在保证安全的情况下，尽量延长使用寿命。因此对在役飞机等航空器进行及时、快速和自动化的安全评估成为一项急需解决的挑战性课题。

众所周知，长期使用的飞机其机身往往会出现腐蚀、气隙、层间剥离、脱铆、裂纹等多种缺陷。在上述缺陷中，机身的腐蚀和裂纹，尤其是多层搭接结构中隐藏的腐蚀和裂纹，会引起机身的多处损坏，进而影响飞机的安全飞行。因此研制开发一种低成本、快速、自动化的能够检测多层导电结构中隐藏的疲劳裂纹和腐蚀的系统是迫切需要的。

针对疲劳裂纹和腐蚀缺陷的检测技术有很多。考虑到可及性、检测速度和检测成本，选用涡流检测技术是合理的选择。

常规涡流检测仪采用线圈作为检测探头，它能够解决一些表层及亚表层缺陷、厚度测量等问题，但难于应用于检测较深的缺陷，尤其是飞机机身等多层导电结构深层隐藏的小尺寸裂纹和腐蚀等缺陷，其主要问题是线圈式检测探头对于多层结构内部缺陷的敏感性及空间分辨率均不够高。为了检测深层缺陷，需要采用降低检测系统的激励频率(低频)、加大检测线圈的直径(大探头)等措施，但是这样做会导致检测线圈的灵敏度很低，分辨率不高，局部检测信号畸变增大，小于检测线圈直径的缺陷漏检等问题。基于巨磁电阻传感器检测探头的涡流检测装置，则可很好地解决上述难题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高灵敏度、高分辨率的基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，它不仅可以解决常规线圈式检测探头涡流仪可以解决的问题，而且用于检测多层导电结构中隐藏的里层和深层疲劳裂纹和腐蚀等缺陷，检测深度可达15mm，具有显著优越性。

基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置的硬件组成部分及连接关系为：PC机与单片机控制器、信号发生电路I、功率放大电路、探头I、差动放大电路、相敏检波器I、系统平衡电路I、放大电路I、数据采集卡、PC机连接，功率放大电路与探头II、差动放大电路、相敏检波器II、系统平衡电路II、放大电路II、数据采集卡连接，探头II与XY扫描仪、XY扫描控制器连接，信号发生电路I与波形变换电路I、相敏检波器I连接，单片机控制器与信号发生电路II、波形变换电路II、相敏检波器II连接。

所述的基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，其探头具有激励线圈，在线圈内固定有巨磁电阻传感器。

巨磁电阻传感器以SS501A为核心构成，SS501A的第1脚接正5v电源，SS501A的第2脚与INA118的第3脚连接，SS501A的第3脚接模拟地，SS501A的第4脚与INA118的第2脚连接，INA118的第1脚通过第一电阻与INA118的第8脚连接，INA118的第4脚接负5v电源，INA118的第7脚接正5v电源，INA118的第5脚接模拟地，INA118的第6脚与差动放大电路的输入端连接。

信号发生电路是以AD9832为核心构成，AD9832的第1脚通过第一电阻接模拟地，AD9832的第2脚、第3脚通过第一电容接模拟地，AD9832的第4脚接正5v电源，AD9832的第5脚接数字地，AD9832的第7脚、第8脚分别与单片机SPI模块的SCLK、SDATA脚连接，AD9832的第9脚、第10脚、第11脚、第12脚分别与单片机IO口的4个引脚连接，AD9832的第13脚接模拟地，AD9832的第14脚通过第二电阻与模拟地连接，AD9832的第15脚与正5v、第三电容的第一脚连接，AD9832的第16脚通过第二电容与正5v、第三电容的第一脚连接，第三电容的第二脚接模拟地，AD9832的第6脚与有源时钟的第3脚连接，有源时钟的第4脚接正5v电源，有源时钟的第2脚接数字地，有源时钟的第1脚悬空。

系统平衡电路的电路连接关系为：触发按钮与单稳电路I、二进制计数器、D/A转换器、电压放大器、仪器放大器、过零比较器、单稳电路III、方波发生器、二进制计数器连接；单稳电路II与方波发生器、二进制计数器连接。

本发明的优点：

1、采用了基于巨磁电阻传感器的检测探头，极大提高了涡流检测装置检测深层缺陷时的灵敏度和空间分辨率。相比较传统的线圈式和HALL等磁场传感器式探头，应用巨磁电阻传感器的探头具有以下优点：(1)、因为巨磁电阻传感器是直接检测磁场强度大小，而不受激励频率的影响，在低频下仍有极高的灵敏度；(2)、传感器可以做得很小，因缺陷存在而导致的检测信号畸变也非常小；(3)、温度稳定性好，从而使得测量结果受温度影响小，可适应各种温度变化大的工作条件；(4)与SQUID、FLUXGATE、AMR、HALL等众多磁场传感器相比，巨磁电阻传感器成本低、可测量磁场范围宽、信噪比高、功耗低，从而性价比最高。

2、引入了系统平衡电路，以抑制装置的零点漂移，有效消除了零点漂移引起的检测误差，提高了检测精度。

3、信号发生电路采用了DDS技术，工作频率调节方便，同时提高了激励信号的稳定性。

附图说明

图1是基于巨磁电阻传感器的涡流检测系统原理框图；

图2是本发明的探头结构截面示意图；

图3是本发明的探头结构俯视图；

图4是本发明的巨磁电阻传感器输出电路图；

图5是本发明的信号发生电路图；

图6是本发明的系统平衡电路原理图；

图7是本发明的系统软件流程图。

具体实施方式

本发明装置采用了基于巨磁电阻传感器的高灵敏度、高分辨率的检测探头，其工作频率可在0-10KHz范围内连续调节，可用于航空航天等重要领域的多层导电结构深层缺陷的检测。

首先，将探头1和探头2按照要求分别固定在标准件和被测件的上方；按下触发调零按钮，使仪器的输出为零；确定激励频率、增益等控制参数，并将之下载到单片机控制器；设置扫描仪的扫描速度，并启动扫描仪控制器。扫描仪控制器控制扫描仪的运动，使探头2按照要求扫描被测件。

其后，信号发生电路I、II产生两路正交正弦波，其中激励信号发生电路I的输出信号经功率放大后驱动探头I、探头II。含有巨磁电阻传感器的探头I、探头II检测到磁场的变化。探头I、探头II的两路输出信号经差动放大电路后分为两路：一路与探头I、探头II激励信号同频率同相位的参考方波信号I送入相敏检波器I进行乘法运算，另一路与探头I、探头II激励信号同频率但正交的参考方波信号II送入相敏检波器II进行乘法运算。由于探头I、探头II的差动输出信号的有效成分为与参考信号同频率的正弦信号，二者乘积的差频部分为直流信号。而各种噪声信号与参考信号的乘积为高频信号，通过相敏检波器中的低通滤波电路可以有效抑制噪声的影响。由此可以看出由传感器放大电路引入的噪声不会恶化测量电路输出信号的信噪比。

若经过放大的传感器输出信号和参考信号分别为：

S(t)＝x(t)+N(t)＝Asin(ωt+θ+φ)+N(t)                       (1)

y(t)＝Bsin(ωt+θ)                                          (2)

则它们的互相关函数为：

$R_{\mathrm{sy}}\left(0\right)=\frac{1}{T}\underset{0}{\∫}S\left(t\right)y\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{2}\mathrm{AB}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)---\left(3\right)$

从(3)式可以看出，噪声成分由于与参考信号没有相关性，对相关运算的结果没有影响。相敏检波器就是通过在信号处理电路中引入一个相关环节，从而极大地提高电路的噪声抑制能力。由于放大电路引入的信道噪声与参考信号也没有相关性而被相敏检波器充分抑制，所以可以通过提高放大电路的增益提高系统的分辨率而不需担心放大电路引入噪声影响检测数据的精度。

如图1所示，基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置具有测量电路板和内嵌巨磁电阻传感器的探头。基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置的硬件组成部分及连接关系为：PC机与单片机控制器、信号发生电路I、功率放大电路、探头I、差动放大电路、相敏检波器I、系统平衡电路I、放大电路I、数据采集卡、PC机连接，功率放大电路与探头II、差动放大电路、相敏检波器II、系统平衡电路II、放大电路II、数据采集卡连接，探头II与XY扫描仪、XY扫描控制器连接，信号发生电路I与波形变换电路I、相敏检波器I连接，单片机控制器与信号发生电路II、波形变换电路II、相敏检波器II连接。本发明装置的工作频率可在0-10KHz范围内连续调节，可用于航空航天等重要领域的多层导电结构深层缺陷的检测。

本发明采用专门用于强噪声背景下的微弱信号提取的相敏检波技术把系统信噪比可以提高80db以上。相敏检波器由乘法器和低通滤波器组成。乘法器可以通过开关电路、模拟乘法器及数字信号处理系统来实现。本发明的相敏检波电路采用了以AD835和OP07为核心构成的。

电路完全相同的信号发生电路I、II分别以一片基于DDS技术的AD9832为核心实现。两片AD9832采用同一有源时钟驱动，单片机控制器向两片AD9832写入相同的频率控制字，但是写入信号发生电路I、II的相位控制字不同，二者的相位控制字要使得产生的信号相位差为90°，通过AD9832的第9脚(FSYNC)使两片AD9832工作同步，从而保证产生的两路正弦波不仅频率相同，而且相位为90°，即两路信号正交。信号发生电路I的输出经功率放大电路后给探头I、探头II提供激励。

基于巨磁电阻传感器的探头结构截面示意图和俯视图分别如图2和图3所示。探头具有线圈，在线圈内固定有巨磁电阻传感器。

涡流检测技术实用化的一个非常关键的问题是磁场的测量。目前，有很多种测量磁场的传感器。基于超导量子干涉(SQUID)原理的磁场传感器虽然灵敏度非常高，但是其结构复杂、体积庞大且价格昂贵，目前多用于医疗及材料磁性研究领域；线圈式的磁场传感器制作简单、成本低，但在静态或者低频磁场测量方面能力不足；基于磁通门原理的磁场传感器具有较高的分辨率和良好的鲁棒性，但体积大、价格昂贵、频率响应差；各向异性磁阻传感器(AMR)灵敏度比较高，响应快，但AMR磁场传感器可测量磁场范围小，抗干扰能力差；霍尔传感器虽然成本低，应用非常广泛，但霍尔传感器的灵敏度比较低、偏移大、温度稳定性低；而最近商业化的巨磁电阻传感器则不仅灵敏度高、温度稳定性好，而且成本也比较低，抗干扰能力强，可测量磁场范围大。不同类型的磁场传感器性能比较对照表如表1和表2所示。

	GMR	HALL	AMR
				尺寸	小	小	大
信号水平	大	小	中
				灵敏度	高	低	高
温度稳定性	高	低	中
				功耗	低	低	高
成本	低	低	高

表1不同类型磁场传感器的比较

表2不同磁场传感器可探测磁场范围及市场价格

相比较传统的线圈式和HALL等磁场传感器式探头，应用巨磁电阻传感器的探头具有以下优点：(1)、因为巨磁电阻传感器是直接检测磁场强度大小，而不受激励频率的影响，在低频下仍有极高的灵敏度；(2)、传感器可以做得很小，所造成的检测信号畸变也非常小；(3)、温度稳定性好，从而使得测量结果受温度影响小，可适应各种温度变化大的工作条件；(4)与SQUID、FLUXGATE、AMR、HALL等众多磁场传感器相比，巨磁电阻传感器成本低、可测量磁场范围宽、信噪比高、功耗低，从而性价比最高。

如图4所示，巨磁电阻传感器以SS501A为核心构成，SS501A的第1脚接正5v电源，SS501A的第2脚与INA118的第3脚连接，SS501A的第3脚接模拟地，SS501A的第4脚与INA118的第2脚连接，INA118的第1脚通过第一电阻R1与INA118的第8脚连接，INA118的第4脚接负5v电源，INA118的第7脚接正5v电源，INA118的第5脚接模拟地，INA118的第6脚与差动放大电路的输入端连接。

基于巨磁电阻传感器的探头1与探头2的结构及电路原理完全相同。

如图5所示，信号发生电路I以AD9832为核心构成，AD9832的第1脚通过第一电阻R1接模拟地，AD9832的第2脚、第3脚通过第一电容C1接模拟地，AD9832的第4脚接正5v电源，AD9832的第5脚接数字地，AD9832的第7脚、第8脚分别与单片机SPI模块的SCLK、SDATA脚连接，AD9832的第9脚、第10脚、第11脚、第12脚分别与单片机IO口的4个引脚连接，AD9832的第13脚接模拟地，AD9832的第14脚通过第二电阻R2与模拟地连接，AD9832的第15脚与正5v、第三电容C3的第一脚连接，AD9832的第16脚通过第二电容C2与正5v、第三电容C3的第一脚连接，第三电容C3的第二脚接模拟地，AD9832的第6脚与有源时钟的第3脚连接，有源时钟的第4脚接正5v电源，有源时钟的第3脚接数字地，有源时钟的第1脚悬空。

信号发生电路II以AD9832为核心构成，其工作原理及电路连接与信号发生电路I相同。

信号发生电路I的信号输出经过功率放大后驱动探头I、探头II。本发明的功率放大电路采用了以集成功率放大芯片TDA2030和通用运放NE5532为核心的BTL型功率放大电路。

信号发生电路I、II的输出经过波形变换电路，将正弦波变为方波。本发明的波形变换电路是以TTL和CMOS电平兼容的AD8564为核心实现的。

经过差动放大探头I、II输出的信号分两路送入相敏检波器I、II。相敏检波器I的另一路输入信号为与探头I、探头II的激励信号同频率同相位的方波参考信号I；相敏检波器II的另一路输入信号为与探头I、探头II的激励信号同频率但相位差为90°的方波参考信号II。相敏检波器的两输入信号乘积的差频部分为直流信号，而各种噪声与参考信号的乘积为高频部分。经相敏检波器I、II中的低通滤波电路处理后，相敏检波器I、II的输出信号为直流，其幅值大小为与被测件中待检测参数对应。这两路直流信号分别经系统平衡电路I、II和放大电路I、II处理后，由数据采集卡转换为数字信号后送入PC机。

模拟电路设计中经常遇到的问题就是零点漂移。零点漂移的具体表现是仪器工作点的渐进慢变化。它是影响仪器检测精度的一个十分重要的因素，处理不当将达不到设计精度，严重的甚至影响系统的正常工作。一般来说，产生零点漂移的原因有两个：一个是温漂，一是时漂。在上述两个因素中，温漂是系统零点漂移的主要部分。而引起零点漂移的原因很多，例如电源电压的变化、环境温度、湿度的改变以及老化引起的电路元件参数的变化等。零点漂移在电容耦合放大器中也存在，但是由于耦合电容的隔直流作用，这种慢变化不会传送到下一级去，对电路影响不大。所以，应把克服电路零点漂移的重点放在直流放大部分，因为在直流放大阶段，前一级的直流工作点的漂移，会通过耦合电路加到下一级放大器，这样，经过后一级放大后漂移就增加了，对下一级工作点造成了很大影响。基于此，我们设计了抑制零点漂移电路，其工作原理如图5所示。系统平衡电路的电路为：触发按钮与单稳电路I、二进制计数器、D/A转换器、电压放大器、仪器放大器、过零比较器、单稳电路III、方波发生器、二进制计数器连接；单稳电路II与方波发生器、二进制计数器连接。

如图7所示，在PC机中首先对采集数据进行预处理，因为在实际的多层导电结构涡流扫描检测工作中，可能会因为非接触式的检测，探头信号比较弱，提离距离(探头底部到被测件表面的距离)发生变化、材料属性的差异以及工业生产过程的噪声等因素影响，微弱的有效信号与噪声混杂在采集的数据中。本发明装置采用了基于小波包分析方法进行信号消噪。

然后根据预处理后的“干净”数据，调用数据库中标准样件的实测数据，选择最小二乘、支持向量机(Support Vector Machine)等算法进行反演计算，得出被测件的待检测参数。其后根据反演结果对被测件进行性能评估，依据评估结果确定是否发送报警信息。

Claims (5)

1、一种基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，其特征在于，PC机与单片机控制器、信号发生电路I、功率放大电路、探头I、差动放大电路、相敏检波器I、系统平衡电路I、放大电路I、数据采集卡、PC机连接，功率放大电路与探头II、差动放大电路、相敏检波器II、系统平衡电路II、放大电路II、数据采集卡连接，探头II与XY扫描仪、XY扫描控制器连接，信号发生电路I与波形变换电路I、相敏检波器I连接，单片机控制器与信号发生电路II、波形变换电路II、相敏检波器II连接。

2、根据权利要求1所述的一种基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，其特征在于，所述的探头具有线圈，在线圈内固定有巨磁电阻传感器。

3、根据权利要求2所述的一种基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，其特征在于，所述的巨磁电阻传感器以SS501A为核心构成，SS501A的第1脚接正5v电源，SS501A的第2脚与INA118的第3脚连接，SS501A的第3脚接模拟地，SS501A的第4脚与INA118的第2脚连接，INA118的第1脚通过第一电阻(R1)与INA118的第8脚连接，INA118的第4脚接负5v电源，INA118的第7脚接正5v电源，INA118的第5脚接模拟地，INA118的第6脚与差动放大电路的输入端连接。

4、根据权利要求1所述的一种基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，其特征在于，所述的信号发生电路是以AD9832为核心构成，AD9832的第1脚通过第一电阻(R1)接模拟地，AD9832的第2脚、第3脚通过第一电容(C1)接模拟地，AD9832的第4脚接正5v电源，AD9832的第5脚接数字地，AD9832的第7脚、第8脚分别与单片机SPI模块的SCLK、SDATA脚连接，AD9832的第9脚、第10脚、第11脚、第12脚分别与单片机IO口的4个引脚连接，AD9832的第13脚接模拟地，AD9832的第14脚通过第二电阻(R2)与模拟地连接，AD9832的第15脚与正5v、第三电容(C3)的第一脚连接，AD9832的第16脚通过第二电容(C2)与正5v、第三电容(C3)的第一脚连接，第三电容(C3)的第二脚接模拟地，AD9832的第6脚与有源时钟的第3脚连接，有源时钟的第4脚接正5v电源，有源时钟的第2脚接数字地，有源时钟的第1脚悬空。

5、根据权利要求1所述的一种基于巨磁电阻传感器的涡流检测装置，其特征在于，所述的系统平衡电路的电路为：触发按钮与单稳电路I、二进制计数器、D/A转换器、电压放大器、仪器放大器、过零比较器、单稳电路III、方波发生器、二进制计数器连接；单稳电路II与方波发生器、二进制计数器连接。

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