CN209992433U - 一种基于脉冲漏磁的钢板缺陷自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于脉冲漏磁的钢板缺陷自动检装置，它的组成包括：图中，脉冲激励模块(1)，脉冲漏磁检测探头(2)，信号调理模块(3)，驱动模块(4)，定位模块(5)，方向模块(6)，多路开关(7)，模块控制器(8)，主控制器(9)，无线发射(接收)模块(10)，电源模块(11)，便携式电脑(12)，模块控制器(8)控制驱动模块(4)，定位模块(5)，方向模块(6)，主控制器(9)是自动检测装置的控制核心，脉冲漏磁检测探头(2)将检测的钢板缺陷信号通过信号调理电路(3)和主控制器(9)，由无线发射(接收)芯片(10)，进入便携式电脑(12)。可实现检测探头的微型化、便携化，有利于实现局部检测。

Description

一种基于脉冲漏磁的钢板缺陷自动检测装置

技术领域

本实用新型属于电磁无损检测技术领域，尤其是涉及钢板缺陷检测的脉冲漏磁检测装置。

背景技术

脉冲漏磁检测技术是近年在国外发展起来的一种无损检测方法，它融合了脉冲涡流检测和漏磁检测两种技术的优点与脉冲涡流检测相比，对铁磁性材料有更深的检测深度与传统漏磁检测相比，在励磁方式上，采用脉冲信号进行励磁，激励信号具有丰富的频谱。在对铁磁性材料的检测中，脉冲漏磁检测可以得到更多有关缺陷的信息，为提高检测铁磁性材料缺陷尺寸的精度和内外伤区分，提供了广阔前景。

脉冲漏磁检测是漏磁检测方法的一个新的发展方向，采用脉冲信号进行励磁，属于电磁方式进行励磁，与永磁体励磁相比，磁场强度易控制，拆卸容易，可实现检测探头的微型化、便携化，有利于局部检测。同时由于其励磁信号是脉冲信号，含有丰富的频率成分，通过时频分析其激励磁场下的缺陷信号得到更多有关缺陷的信息，更可靠的结果，有利于进行钢板表面缺陷和背面缺陷处漏磁信号的区分，使脉冲漏磁检测法有相对于交直流漏磁检测法更好的优势，值得推广。

实用新型内容

本实用新型针对钢板的缺陷检测，提出一种基于脉冲漏磁的自动检测装置技术方案。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于脉冲漏磁的钢板缺陷自动检测装置，它的组成包括：脉冲激励模块1，脉冲漏磁检测探头2，信号调理模块3，驱动模块4，定位模块5，方向模块6，多路开关7，模块控制器8，主控制器9，无线发射和接收模块10，电源模块11，便携式电脑12，模块控制器8 控制驱动模块4、定位模块5、方向模块6，主控制器9是自动检测装置的控制核，脉冲漏磁检测探头2将检测的钢板缺陷信号通过信号调理模块3和主控制器9，由无线发射和接收模块10，进入便携式电脑12。

所述脉冲漏磁检测探头2的组成包括：激励线圈，U型磁芯，检测传感器，被测钢板。

所述U型磁芯采用E型系列的硅钢片，制作成U型，多块叠加而成。

模块控制器8选用8位单片机。

主控制器9选用DSP芯片。

本实用新型有如下技术效果：

与永磁体励磁相比，磁场强度易控制，拆卸容易，可实现检测探头的微型化、便携化，有利于局部检测；有利于进行钢板表面缺陷和背面缺陷处漏磁信号的区分；自动检测装置小型化的结构已经成为发展趋势，体积更小，重量更轻，转向更灵活的自动检测装置，能够满足钢板缺陷自动检测的需要。

附图说明

图1是钢板缺陷自动检测装置组成图。

图2是脉冲漏磁检测探头组成图。

图3是脉冲激励源模块功率放大电路。

图4是方向位置检测模块接口电路图。

图5是电源模块框图。

图6是电源模块稳压电路图。

图中：1为脉冲激励模块，2为脉冲漏磁检测探头，3为信号调理模块，4为驱动模块，5 为定位开关，6为方向模块，7为多路开关，8为模块控制器，9为主控制器，10为无线发射和接收模块，11为电源模块，12为便携式电脑。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步的说明。

1.装置的整体结构

1)一种基于脉冲漏磁的钢板缺陷自动检测装置，它的组成包括：脉冲激励模块1，脉冲漏磁检测探头2，信号调理模块3，驱动模块4，定位模块5，方向模块6，多路开关7，模块控制器8，主控制器9，无线发射和接收模块10，电源模块11，便携式电脑12，模块控制器 8控制驱动模块4，定位模块5，方向模块6，主控制器9是自动检测装置的控制核，脉冲漏磁检测探头2将检测的钢板缺陷信号通过信号调理模块3和主控制器9，由无线发射和接收 10，进入便携式电脑12，如图1所示。

2)所述脉冲漏磁检测探头2的组成包括：激励线圈，U型磁芯，检测传感器，被测钢板，如图2所示。

3)所述U型磁芯采用E型系列的硅钢片，制作成U型，多块叠加而成。

4)模块控制器8选用8位单片机。

5)主控制器9选用DSP芯片。

2.脉冲漏磁检测探头

脉冲漏磁检测探头，采用的是低频脉冲激励频率，有利于检测亚表面的缺陷，选择硅钢片作为导磁体。选取E型W-360系列的硅钢片，制作成U型，多块叠加成厚度为6cm的磁芯。使用直径为0.5mm的漆包线缠绕成激励线圈，总匝数约为400。加载脉冲激励电流于激励线圈上，被测试块中产生相应的快速变化的磁场，采用霍尔传感器来感应缺陷处的漏磁场，通过分析采集到的瞬态电压信号来获取缺陷的情况。

传感器选择：目前常用的磁传感器：检测线圈、磁阻传感器、巨磁阻传感器、霍尔传感器、超导量子干涉器、磁敏二极管和磁通门等等，因磁敏传感器对低频响应检测效果较好，而脉冲漏磁检测的一个技术优势是通过分析低频感应磁场分量来检查被测试块的深层次缺陷，所以选择磁敏传感器检测脉冲漏磁场。为了实现大面积、快速检测缺陷，应该采用阵列传感器扫描被测试块。

3.脉冲激励模块

脉冲激励源的频率、占空比和幅值等参数直接影响到脉冲漏磁检测效果。脉冲激励信号源可以分为电压和电流两种激励方式，一般来说，非铁磁性材料采用脉冲电压信号源，铁磁性材料采用脉冲电流信号源。

脉冲信号产生：产生脉冲信号的单片机系统电路从成本、功能等方面综合考虑，选定宏晶STC12C5412AD单片机，此款单片机可通过串口进行下载程序，调试程序很方便，带有8路 10位精度的A/D、2个定时器，Flash程序存储器字节为12K，最大的特点是4路PWM输出。

功率放大电路：片机产生的PWM波电流很小，不足以驱动激励线圈，需后接一个功率放大电路。为了不失真放大脉冲信号，功率放大模块应具备以下条件：高转换速率和宽频带。采用宽频带、高转换速率的PA02集成功率放大芯片，是由美国APEX公司生产的一款可以带阻性、容性及感性负载的A/B类功放芯片，带宽350KHz，转换速率为20V/μs，最大输出电流可达±5A。PA02功放电路如图3所示，以电路形式进行放大，所以加载在激励线圈上的是脉冲电流。激励电流I_o＝V_in/R₁₁，其中R₁₁为1Ω/3W的精密金属膜电阻。通过调节R₁₂改变V_in的大小，从而改变了脉冲激励源的电流I_o大小，同时R₁₁的一端电压值out_反馈至单片机的 P1.6进行A/D转换，转换后结果传送至上位机实时显示，方便调节。由于加载在线圈上的电流不宜过大，R₉和R₁₀为限流电阻，控制电流幅值±3A之内。输出的激励电流两端所加的 FR307续流二极管。控制电流幅值±3A之内。输出的激励电流两端所加的FR307续流二极管，用于吸收激励线圈这种感性负载两端所出现的尖峰电压。PA02工作时散发热量而发热，配以高功率铝质散热片，以免烧坏功放。

4.驱动模块

驱动模块为检测装置在船体表面内自动扫查提供动力，本系统的驱动装置采用两台直流电机。为了适应船体表面大范围扫查的需求，使检测装置实现轨迹的变化，要求两直流电机差速驱动实现检测装置灵活转向功能。两台直流电机通过PWM调速实现转速的宽范围调节，采用两驱动轮的速度差实现电机的转向控制。并采用两个光电编码器分别采集两驱动轮的转速，作为速度控制的反馈。

(1)驱动电机

合理电机的选择不但能够影响检测装置尺寸和结构的安排，而且对检测装置移动机构运动灵活性有关键的作用。驱动电机采用有较好调速性能的直流电机和步进电机。

直流电机具有较小的转动惯量，较好的控制特性，较快的响应速度，可以实现检测装置的灵敏性要求；具有比较宽的速度调节范围，可以满足检测装置快速性的要求；低速平稳性能好，能够满足移动机构的稳定性要求；机械特性硬，过载能力较强，可以满足检测装置载物要求。

步进电机能够直接实现数字控制，控制性能较好，能够快速地启动、制动和反转，还具有较强的抵抗干扰的能力，不会有角位移或线位移的累计误差。但启动频率过高，控制不当时则会产生共振，很难获得比较大的转动力矩，难以得到较高的转动速度，且一般无过载能力。

(2)驱动轮

驱动轮为检测装置提供驱动力。为了能够满足船体表面检测需求，驱动轮要有防腐蚀性能。检测装置的驱动模块为两台直流电机，为了使得检测装置结构紧凑，两台直流电机采用竖直放置的方式，直流电机经过减速器与检测装置的上面板通过螺栓连接固定，减速器的输出轴通过一对直齿圆锥齿轮传动，将动力传动给驱动轴，驱动轴带动驱动轮转动。选择铝合金作为驱动轮的材料，驱动轮的直径为96mm，宽度为25mm。由于检测装置主要依靠驱动的转速差实现转向，所以驱动轮会产生严重的磨损。为了减少驱动轮的磨损并避免驱动轮与船体表面之间产生打滑现象，在两个驱动轮的外圆上分别套了一圈2mm厚的橡胶，增大了驱动轮与底板之间的摩擦力。

5.定位模块

定位模块是检测装置的关键部分之一，是为了确定缺陷在船体表面上的准确位置。设计的定位装置由编码器和激光距离传感器组成，从而可以确定缺陷在船体表面上的二维位置。工作原理为：在对船体表面进行检测过程中，驱动轮带动光电编码器同步转动，当漏磁检测探头相对应船体表面每移动一个采样间隔时，脉冲编码器会产生一个TTL电脉冲，则触发数据采集模块，所有24个通道采集一次。采样次数乘以一个采样间隔内检测装置行驶的距离即为它的纵向坐标。激光测距传感器可以测得缺陷到参照物的距离，从而可以确定它的横向坐标。

6.方向模块

由于本装置采用激光定位方式，所以采用两个夹角可调的激光测距传感器进行方向检测，能够测得检测装置偏离规划路径的方向，并能够及时作出调整。通过激光测距传感器测得检测装置到参照物之间的距离，配合编码器采集的信息，可以获得检测装置在船体表面的位姿。选用SKD系统激光距离传感器，具有测量精确、快速、距离远、非接触等显著的优点，并且在船体上，激光的亮度超过周围环境的亮度，也可增加测程。

本装置中采用RS232串口数据输出方式。MC9S12XS128单片机有两个增强型串行通信口，串口的RS-232驱动电路能够实现TTL电平和RS-232之间电平的转变，所以单片机和激光测距传感器能够方便地进行串口通信。采用一款RS232标准芯片MAX232进行电平转换，该芯片包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TLA/ELA-232-F电平。每一个接收器将TLA/ELA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平，从而将激光测距传感器测得的信号发送给单片机，其接口电路如图4所示。

7.模块控制器

模块控制器选用8位单片机。

单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。

8.主控制器

主控制器选择DSP芯片。

DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP 芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。

9.无线发射和接收模块

无线发射和接收模块选用ZigBee射频收发“芯片”。

ZigBee射频收发“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。而单芯片也只是把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路，但这种单芯片也并没有包含ZigBee协议在里面。

可靠的ZigBee应用“模块”具有在硬件上设计紧凑，体积小，贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到2500米不等，还包含了ADC，DAC，比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。

10.电源模块

由于检测装置是移动的，所以采用便携式电池为整个检测装置提供可靠的工作电压。目前，常用的可充电电池有：镍镉电池、镍氢电池、锂电池和铅酸电池等几类。综合考虑各种电池的优缺点，并结合控制模块设计方案需求分析整个装置的供电需求，包括电机、驱动器、传感器等，大概需要8A左右的电流。考虑到电池的性能、电流、重量等多方面因素，选用2 4V，10A的锂电池作为动力源。

在整个检测系统中，电路模块不同的地方所需要提供的工作电压各不相同，两个直流电机需要直接使用24V电源供电，推拉式电磁铁需要24V电压，电机驱动器需要24V电压，单片机系统需要5V电压，激光测距传感器和旋转编码器工作电压为5V。那么，需要采用多路电压电源供电方式，各模块的电压分配如图5所示。

为了实现对不同电压电源的转换，在电路板上需设计电源模块，其中电池的24v电压经 LM2576S-5.0开关电源稳压器转换后，产生的5v电压分别供给单片机、旋转编码器和激光测距传感器。LM2576S-5.0是一款开关电源稳压器，稳压电路原理如图6所示。

Claims (5)

1.一种基于脉冲漏磁的钢板缺陷自动检测装置，它的组成包括：脉冲激励模块(1)，脉冲漏磁检测探头(2)，信号调理模块(3)，驱动模块(4)，定位模块(5)，方向模块(6)，多路开关(7)，模块控制器(8)，主控制器(9)，无线发射和接收模块(10)，电源模块(11)，便携式电脑(12)，其特征在于：模块控制器(8)控制驱动模块(4)、定位模块(5)、方向模块(6)，主控制器(9)是自动检测装置的控制核，脉冲漏磁检测探头(2)将检测的钢板缺陷信号通过信号调理模块(3)和主控制器(9)，由无线发射和接收模块(10)，进入便携式电脑(12)。

2.根据权利要求1所述的钢板缺陷自动检测装置，其特征在于：所述脉冲漏磁检测探头(2)的组成包括：激励线圈，U型磁芯，检测传感器，被测钢板。

3.根据权利要求2所述的钢板缺陷自动检测装置，其特征在于：所述U型磁芯采用E型系列的硅钢片，制作成U型，多块叠加而成。

4.根据权利要求1所述的钢板缺陷自动检测装置，其特征在于：模块控制器(8)选用8位单片机。

5.根据权利要求1所述的钢板缺陷自动检测装置，其特征在于：主控制器(9)选用DSP芯片。

Images