專利名稱：基于柔性陣列式電渦流傳感器的球面層間間隙監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及兩內(nèi)外球面間的層間間隙的精密測量方法和數(shù)據(jù)處理方法。
球面層間間隙的檢測和監(jiān)控是科研課題研究中亟待解決的難題，其目的是測量兩內(nèi)外球面間的層間間隙，其中兩球面一個為金屬球面，一個為非金屬球面。球是機械制造、精密儀器、航空航天設(shè)備等各種高新技術(shù)裝備中的關(guān)鍵精密件，研究高精度球面形狀誤差的評定理論和測試技術(shù)早已成為精密測試領(lǐng)域中的重要課題，在球度誤差的評定理論及算法上也已取得了許多成果。然而對于兩內(nèi)外球面間隙的測量和數(shù)據(jù)處理方法還未見報道。
球面的測量方法一般有單測頭多測點法、光學(xué)干涉測徑法和三坐標(biāo)法三種。近年來也有人研究采用多測頭多測點的氣動測量方法進行高精度球面的測量。球面測量的目的一般是對被測球面的球度誤差進行評定。球度誤差的評定就是要找到符合評定要求的球心，評定的目的是要把測量數(shù)據(jù)由于測量時評定的球心與測量原點不重合而引進的位置誤差通過評定予以消除。球度誤差評定一般都是在“小偏差假設(shè)”和“小誤差假設(shè)”的條件下進行的，而在球面間隙測量中，兩球可能有較大的偏心，而傳感器是在兩球面的連心線上進行標(biāo)定的，當(dāng)傳感器不在兩球連心線上時，傳感器的測量值就會有誤差，這個誤差就是傳感器測量值的偏心誤差，故球面間隙測量不滿足“小偏差假設(shè)”和“小誤差假設(shè)”的條件，因此有必要提出新的適合于球面間隙測量的測量方法及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。
針對球面層間間隙測量的實際情況，由于被測對象的空間結(jié)構(gòu)和使用要求的限制，必須采用非接觸測量方法，同時球面間的間隙很小(2mm)，普通的測球方法不再適用。只能考慮將多個傳感器固定在一個球面上置于兩球面間，測量各點位置的球面間隙，因此傳感器的選擇是確定方案的一個很關(guān)鍵的因素。已經(jīng)有人研究采用電容式和光纖式傳感器陣列方案，但均沒能獲得成功?；谝郧暗慕?jīng)驗及實際的測量情況，采用電渦流傳感器陣列的測量方案。
電渦流檢測是一種無損、非接觸的檢測技術(shù)，在機械，電力，化工，石油，紡織，航空，原子能等工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用，可用來測量位移，尺寸，厚度，振動，轉(zhuǎn)速，壓力，電導(dǎo)率，溫度等參數(shù)和探測金屬材料表面的裂紋和缺陷等。渦流式位移傳感器廣泛應(yīng)用于軸位移測量，在一些非接觸式的間隙測量中更是發(fā)揮了它簡單可靠的優(yōu)點，與其它類型的位移傳感器相比，電渦流傳感器具有測量范圍寬、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
目前國外應(yīng)用電渦流傳感器陣列測試技術(shù)進行測量的研究較多，但是其應(yīng)用領(lǐng)域多是裂紋檢測，已經(jīng)有很成熟的一套測量方法和數(shù)據(jù)處理方法。如

圖1、2所示，是采用柔性電渦流傳感器陣列對材料為INCONEL600的管道2上的周向缺陷4和軸向缺陷5的檢測以實現(xiàn)對管道表面的重構(gòu)，檢測系統(tǒng)主要包括傳感器探頭3和將探頭3螺旋送進的柔性軸1，電渦流傳感器陣列6貼附在探頭3上，傳感器陣列6共有16個微傳感器線圈7及一個餡餅型的激勵線圈8，以實現(xiàn)對周向缺陷4和軸向缺陷5的的同時檢測。(基于柔性微線圈磁傳感器陣列的電渦流檢測，Eddy-current Testing by FlexibleMicroloop Magnetic Sensor Array，IEEE磁學(xué)學(xué)報TRANSACTIONS ON MAGNETICS，34卷，第4期，1998年，7月)該電渦流傳感器陣列采用了正方形分布的排列方式對同一點進行檢測，在這套渦流檢測系統(tǒng)中，采用一個激勵線圈與接收傳感器陣列配合來檢測由裂紋引起的電渦流突變從而實現(xiàn)缺陷的方位檢測。
由于電渦流傳感器應(yīng)用于裂紋等缺陷檢測的原理與應(yīng)用于位移測量的原理有很大的區(qū)別，上述電渦流缺陷檢測系統(tǒng)中傳感器的形式和布置方式給球面層間間隙測量提供了一個思路，但是該傳感器陣列及其檢測方法不適合于球面間隙的測量。
本發(fā)明提出的一種基于柔性陣列式電渦流傳感器的球面層間間隙監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器陣列線圈、前置電路、計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元三部分組成；其特征在于，所說的傳感器陣列線圈由超薄柔性電渦流敏感線圈陣列和各線圈信號線及其地線相連形成一條公共地線組成的密排長電纜組成，所說的前置電路包括由譯碼電路和模擬開關(guān)組成的多路模擬選通電路及與其相連的傳感器信號變換及調(diào)理電路，以及為各個電路提供工作電壓的電源模塊；所說的計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元包括一臺普通微機及設(shè)置在該微機中的一塊數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件程序；各部分的連接關(guān)系為傳感器陣列線圈通過其引出的密排長電纜與前置電路連接，其中，公共地線接在前置電路上模擬開關(guān)的公共端上，而各個傳感器線圈的信號線對應(yīng)接入模擬開關(guān)的輸入端；前置電路與計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元之間通過一根用于傳輸信號、地址及電源的多芯屏蔽電纜相連。
本發(fā)明的工作原理采用柔性印刷電路板工藝(FPCB)加工超薄柔性電渦流傳感器陣列線圈緊密貼附在非金屬球面上，通過引出的密排長電纜接入前置電路，與前置電路上的模擬開關(guān)串連接入傳感器信號變換電路。傳感器信號變換電路輸出的頻率信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后通過50米的10芯屏蔽電纜送入計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元。計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元直接對頻率信號進行采集并由數(shù)據(jù)處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理而將頻率值轉(zhuǎn)換為間隙值。計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元通過發(fā)出控制信號(地址)選通模擬開關(guān)，被選通的一路傳感器接入傳感器變換電路，測量該點處的球面間隙，從而實現(xiàn)了陣列式傳感器的多點測量。
陣列式傳感器各測點的測量數(shù)據(jù)代表了傳感器陣列線圈該點位置的球面間隙，對這些數(shù)據(jù)進行處理，得到球面上任意點的球面間隙?；谇蛎鎸娱g間隙測量的實際情況，本發(fā)明提出了基于對稱布點方式的四點組法，對球面層間間隙的傳感器測量數(shù)據(jù)進行處理。該方法的原理是將兩球面任意大小和方向的偏心量轉(zhuǎn)化到三個(或兩個)互相垂直的大圓平面內(nèi)求解，即分別求出偏心量在三個(或兩個)坐標(biāo)平面內(nèi)的投影的坐標(biāo)，再通過合成而得到偏心距和球心的相對坐標(biāo)。該方法計算簡單，精度也較高，在一定程度上消除傳感器線圈剩磁和線圈相互之間的影響以及傳感器測量值的偏心誤差，是一種精確、快速、有效的對球面間隙測量數(shù)據(jù)進行處理的方法。
本發(fā)明的主要技術(shù)特點如下1、根據(jù)被測對象空間結(jié)構(gòu)和使用要求的限制，采用超薄柔性陣列式電渦流位移傳感器的測量方案，將陣列式電渦流傳感器應(yīng)用于位移測量，實現(xiàn)球面層間間隙的測量；2、采用柔性印刷電路板工藝(FPCB)加工，各個傳感器探頭線圈可任意布置，提高了陣列式傳感器各探頭的一致性以及傳感器的溫度穩(wěn)定性，且柔性傳感器陣列線圈能很好的貼附于球面上；3、只用一套傳感器信號變換電路和調(diào)理電路，通過模擬開關(guān)，將傳感器陣列線圈分時接入傳感器信號變換電路，即實現(xiàn)了對所有傳感器陣列線圈的采樣，不僅簡化了設(shè)計，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，而且減小了各路傳感器由電路引起的不一致性；4、采用分時復(fù)用的采樣方式，避免了由于傳感器測量點多、引線密帶來的多路信號同時傳輸時各傳感器信號之間的干擾，提高了傳感器的精度；5、針對球面間隙測量的特殊要求，提出了基于對稱布點方式的四點組法，實現(xiàn)了對球面層間間隙測量數(shù)據(jù)精確、快速、有效的求解，解決了對球面層間間隙進行實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理問題。
6、測試系統(tǒng)的不確定度分別為1％(不含傳感器)和5％(含傳感器)；全部測點的采樣時間不大于1秒；可實時顯示測量數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。
圖2為圖1中的管道缺陷檢測傳感器示意圖。
圖3為本發(fā)明的球面層間間隙監(jiān)測系統(tǒng)框圖。
圖4為本發(fā)明的傳感器陣列線圈實施例示意圖。
圖5為本發(fā)明的傳感器信號變換電路實施例電路原理圖。
圖6為本發(fā)明的實施例的總體程序流程圖。
圖7為本發(fā)明的實施例的等精度測頻方法時序圖。
圖8為用于本發(fā)明的實施例的四點組法算法流程圖。
本監(jiān)測系統(tǒng)可用于內(nèi)球面為金屬外球面為非金屬或內(nèi)球面為非金屬外球面為金屬的兩種測試對象，對于不同直徑的球面和要求，布點方式和數(shù)目不同。
本發(fā)明用于內(nèi)球面為非金屬外球面為金屬情況下各個組成部分的具體實施例詳細(xì)說明如下(一)傳感器陣列線圈本實施例的傳感器陣列線圈布局如圖4所示，傳感器陣列線圈共有四路，成正交布置，每路有6個敏感線圈，一組傳感器陣列共有24個敏感線圈，傳感器陣列線圈的引出電纜從敏感線圈陣列的中心引出。傳感器陣列線圈采用柔性印刷電路板工藝(FPCB)加工，在聚酰亞胺薄膜基底上制作圓形敏感線圈陣列及引出電纜。傳感器的量程為2mm，精度±1％FS，厚度不超過0.15mm，線圈直徑為10mm，引線寬10mm。對于內(nèi)外球面間隙的測量，采用兩組圖中所示的傳感器陣列，對稱貼附在內(nèi)球面的上下表面。
(二)前置電路本實施例的前置電路的主要模塊分別說明如下1.電源模塊電源模塊提供前面?zhèn)鞲衅麝嚵泻颓爸秒娐返墓ぷ麟娫矗捎肕AXIM公司的小功率DC-DC變換器MAX744，輸入電壓為12V，輸出電壓為5V。
2.傳感器信號變換及調(diào)理電路傳感器信號變換電路采用電容三點式振蕩電路的改進型——克拉潑電路，如圖5所示，該電路由三極管、電阻、電容、敏感線圈組成。三極管N1為振蕩電路的核心元件，四個電阻Rb1、Rb2、Rc、Re決定三極管直流工作點，電容Cb、C1、C2和三極管三極相連，并和電容C3及敏感線圈一起，組成電容三點式振蕩電路。在此基礎(chǔ)上，在敏感線圈兩端還并聯(lián)了一個電感Lb，以提高電路的起振能力，輸出信號為較高頻的頻率信號(3MHz左右)。
傳感器信號調(diào)理電路選用驅(qū)動能力較大的高頻比較器MAX903，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號接收電路加上拉電阻抑制信號衰減。信號經(jīng)過整形放大后直接輸入計算機，不需另外加驅(qū)動電路。
3.多路模擬選通電路模擬選通電路是實現(xiàn)陣列式傳感器多路數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，而譯碼電路則由模擬選通電路決定。選用八選一多路復(fù)用器MAX4617，它的導(dǎo)通電阻很小(10Ω)，相應(yīng)的譯碼電路也很簡單，采用一個3-8譯碼器74LS138即可實現(xiàn)對48路傳感器的多路選通功能。
(三)計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元本實施例的計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元的硬件部分主要包括一塊ISA數(shù)據(jù)采集卡和一臺普通微機，操作系統(tǒng)為Windows98/2000。計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元的軟件程序包括信號的采集和數(shù)據(jù)的處理兩部分。數(shù)據(jù)采集和處理單元總體程序流程如圖6所示，程序開始運行后，計算機發(fā)出控制信號(地址)選通模擬開關(guān)，測量傳感器輸出信號的頻率，然后選通下一路傳感器，循環(huán)采樣，直到采樣完全部傳感器測點，同時根據(jù)傳感器的標(biāo)定曲線將頻率值轉(zhuǎn)換為位移量(間隙值)，并完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲，按照用戶的要求顯示間隙與時間的變化曲線，然后對間隙值進行計算求得兩球面的偏心量，實現(xiàn)偏心量的三維圖形顯示，然后判斷程序是否要求結(jié)束，如果是，則退出程序；如果否，則地址信號回復(fù)初始值，重復(fù)采樣。軟件設(shè)計主要采用Inprise公司推出的開發(fā)工具C++builder作為編程工具。
1.信號的采集程序使用一塊ISA數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)信號的采集。本實施例直接對頻率信號進行采集，采用等精度測頻方法，圖7是等精度測頻方法的時序圖，其中f0和N0分別為標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率值和計數(shù)值，fx和Nx分別為被測信號的頻率值和計數(shù)值，a為測量開始信號，b為預(yù)制門信號，c為同步門信號，則被測信號頻率 2.數(shù)據(jù)的處理程序數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個方面的內(nèi)容①將采集到的頻率值轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?間隙值)；②各測點間隙的實時顯示及存儲；③各測點間隙與時間的變化曲線；④各測點位置和間隙的三維圖形實時顯示；
⑤球面間隙測量數(shù)據(jù)處理方法。
前面四個方面的內(nèi)容都采用目前比較通用的方法實現(xiàn)，球面間隙測量的數(shù)據(jù)處理方法采用基于對稱布點方式的四點組法。四點組法每組四個點，各成90°角布置，四點組法要求測點分布在非金屬球面的三個(也可以是兩個)兩兩垂直的大圓上，通過對以相互垂直的四點為一組的測量數(shù)據(jù)進行簡單的代數(shù)運算而求得金屬球面的球心。用c語言編制的算法程序?qū)嶋H算例進行計算，四點組法程序算法流程見圖8。在一個大圓平面上，設(shè)一組四個點的極坐標(biāo)分別為 A2(r，π+θ)、A3(r，π/2+θ)和A4(r，3π/2+θ)，各點傳感器的測量值分別是m1、m2、m3和m4，則c=(m2-m1)2+(m3-m4)22,]]>流程圖中cxkj、cykj和czkj(k＝1，2；j＝1，2，…，m)就是按照上述公式計算出的c在各個坐標(biāo)軸上的投影。本實施例中傳感器陣列線圈只在兩個大圓上布點，故另外一個沒有布點的大圓平面上各點的測量值用0代替。
權(quán)利要求
1.一種基于柔性陣列式電渦流傳感器的球面層間間隙監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器陣列線圈、前置電路、計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元三部分組成；其特征在于，所說的傳感器陣列線圈由超薄柔性電渦流敏感線圈陣列和各線圈信號線及其地線相連形成一條公共地線組成的密排長電纜組成，所說的前置電路包括由譯碼電路和模擬開關(guān)組成的多路模擬選通電路及與其相連的傳感器信號變換及調(diào)理電路，以及為各個電路提供工作電壓的電源模塊；所說的計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元包括一臺普通微機及設(shè)置在該微機中的一塊數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件程序；各部分的連接關(guān)系為所說的傳感器陣列線圈通過其引出的密排長電纜與前置電路連接，其中，公共地線接在前置電路上模擬開關(guān)的公共端上，而各個傳感器線圈的信號線對應(yīng)接入模擬開關(guān)的輸入端；所說的前置電路與計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元之間通過一根用于傳輸信號、地址及電源的多芯屏蔽電纜相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于柔性陣列式電渦流傳感器的球面層間間隙監(jiān)測系統(tǒng),屬于精密測試技術(shù)領(lǐng)域。由傳感器陣列線圈、前置電路、計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元三部分組成;傳感器陣列線圈由超薄柔性電渦流敏感線圈陣列和各線圈信號線及其地線相連形成一條公共地線組成的密排長電纜組成,前置電路包括由譯碼電路和模擬開關(guān)組成的多路模擬選通電路及與其相連的傳感器信號變換及調(diào)理電路,以及電源模塊;計算機數(shù)據(jù)采集和處理單元包括一臺普通微機及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件程序。本發(fā)明設(shè)計簡單,系統(tǒng)的抗干擾能力強,陣列式傳感器各路傳感器的一致性好,傳感器的精度高;對測量數(shù)據(jù)的處理精確、快速,可實現(xiàn)對作緩慢相對運動兩球面層間間隙的實時監(jiān)測。
文檔編號G01B7/14GK1356545SQ0114010
公開日2002年7月3日 申請日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月23日
發(fā)明者丁天懷, 陳祥林, 朱惠忠, 黃毅平 申請人:清華大學(xué)