專利名稱：一種基于平面電磁傳感器的板材損傷探測裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電磁檢測技術中電磁層析成像領域，具體涉及一種基于新型電磁探傷成像傳感器的板材損傷探測裝置及方法。
背景技術：
隨著現(xiàn)代工業(yè)迅猛發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場使用金屬材質構件的場合越來越多，但由于金屬構件加工工藝中造成的金屬表面或內部存在的微傷害即影響不大的裂紋等因素，使得在實際工業(yè)現(xiàn)場中，外界因素(如腐蝕，強力等)的不斷侵襲使得這些原本并不顯著的微傷害會出現(xiàn)融合等現(xiàn)象，使得傷害加劇，最終往往會造成更加嚴重的后果。因此需要對工業(yè)現(xiàn)場使用的金屬構件進行檢測工作，以便及時更新使用構件或結構，避免造成工業(yè)事故。目前使用的電磁探傷傳感結構大多為單一激勵單一采集，在使用過程中采樣數(shù)據(jù)過于單一，往往無法全面的對缺陷參數(shù)進行有效合理的評定；即使有些傳感系統(tǒng)采用多激勵多采集模式，但由于傳感結構自身的特點，使得采集信號過于微弱，造成了系統(tǒng)整體靈敏度不高的設計缺陷。除此之外由于工業(yè)現(xiàn)場使用的金屬固件的微結構、導電率、導磁率等因素的干擾，往往會造成 對檢測結果的誤判，使得測試結果不準確。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種靈敏度高、可實現(xiàn)低功耗、低成本、快速實時檢測、不停機檢測的板材損傷探測裝置及方法。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:一種基于平面電磁傳感器的板材損傷探測裝置，包括電磁探傷成像傳感器、功率放大電路、信號調理電路、A/D及D/A轉換電路、作為控制中心的FPGA控制芯片和上位機，其特征在于，所述的電磁探傷成像傳感器，是由均勻分布的6個具有差動結構的鐵芯傳感器組成，6組傳感器正好圍成一平面的正六邊形探測區(qū)域，每組傳感器包括與所圍成的平面相互垂直并同軸的一個激勵線圈和一個檢測線圈，激勵線圈位于中間，檢測線圈分成匝數(shù)相同、繞制方向相反、分別位于激勵線圈兩側的兩個差動部分，具有消除共模干擾的作用；FPGA控制芯片發(fā)送的激勵信號經(jīng)過DA轉換和功率放大后加載在電磁探傷成像傳感器的某一組傳感器的激勵線圈上，依次選取其他5組傳感器的兩個檢測線圈的感應信號進行檢測，感應信號經(jīng)過信號調理和AD轉換后被送入FPGA控制芯片，采用如上所述的交叉采樣方式，對于6組傳感器，每一輪采集C〗=15組采樣數(shù)據(jù)；FPGA控制芯片將采樣數(shù)據(jù)傳輸至上位機，由上位機根據(jù)每輪15組的采樣數(shù)據(jù)，采用反投影圖像重建算法對采樣數(shù)據(jù)進行反推算處理，實現(xiàn)被測區(qū)域的圖像重建，從而實現(xiàn)對被測金屬構件或板材的損傷探測。本發(fā)明同時提供一種采用所述的基于平面電磁傳感器的板材損傷探測裝置實現(xiàn)的探測方法，包含以下步驟:
(I)FPGA控制芯片發(fā)送的激勵信號經(jīng)過DA轉換和功率放大后加載在電磁探傷成像傳感器的某一組傳感器的激勵線圈上，依次選取其他5組傳感器的檢測線圈的感應信號進行檢測，感應信號經(jīng)過信號調理和AD轉換后被送入FPGA控制芯片，采用如上所述的交叉采樣方式，對于6組傳感器，每一輪采集C〗=15組采樣數(shù)據(jù)；(2) FPGA控制芯片將采樣數(shù)據(jù)傳輸至上位機；(3)上位機根據(jù)每輪15組的采樣數(shù)據(jù)，采用反投影圖像重建算法對采樣數(shù)據(jù)進行反推算處理，實現(xiàn)被測區(qū)域的圖像重建，從而實現(xiàn)對板材的損傷探測。本發(fā)明可以對被測金屬構件進行有效的信息采集，通過鐵芯連接的六個傳感器很好的克服了傳統(tǒng)平面成像傳感器因激勵磁場分散性較大、強弱不均而致使剩余檢測線圈檢測信號較微弱且結果非線性較強的特點。通過依次變換激勵和檢測傳感器組，可以使得每組采集信號在反映相應位置板材損傷上，具有針對性強、檢測數(shù)據(jù)更加準確、充實。此傳感結構的發(fā)明實現(xiàn)了低功耗低成本、靈敏度高、快速實時檢測、不停機檢測等優(yōu)點。


圖1為本發(fā) 明的基于電磁探傷成像傳感器的板材損傷探測裝置的系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明的基于新型電磁探傷成像傳感器的板材損傷探測裝置的傳感器結構圖，(a)為傳感器側面圖；(b)為俯視圖。圖3為本發(fā)明一種基于新型電磁探傷成像傳感器的板材損傷探測裝置的差分繞線方式。左側的引線為檢測線圈的引線，右側的引線為激勵線圈的引線。
具體實施例方式以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。本發(fā)明提出的電磁探傷成像傳感器系統(tǒng)用于金屬構件或板材損傷檢測領域，可以有效地對被測金屬構件的電磁參數(shù)信息及狀態(tài)進行判別，同時參數(shù)獲取量的增加可以為檢測系統(tǒng)成像提供更多的、完整的測試信息。探傷成像系統(tǒng)結構(如圖1所示)主要包括:新型的電磁探傷成像傳感器1、信號調理電路2、A/D轉換電路3、D/A轉換電路4、作為控制中心的FPGA芯片5和上位機六部分。電磁探傷成像傳感器(I)是由均勻分布的6個具有差動結構的鐵芯傳感器組成(如圖2所示)，6組傳感器正好圍成一平面的正六邊形探測區(qū)域，區(qū)域大小可根據(jù)被測對象調整。傳感器的繞線方法如圖3所示:激勵線圈位于中間，檢測線圈由同一根導線繞制而成，分成兩個部分，兩個部分分別位于激勵線圈兩側，兩者匝數(shù)相同但且繞制方向相反，由此實現(xiàn)物理上的差動效果，消除了空場信號波動的影響。信號調理電路(2)實現(xiàn)原始激勵信號的驅動放大和濾波，以驅動激勵線圈。同時，對差動檢測線圈上的感應信號進行預處理，提高其傳輸過程的信噪比。由AD9754芯片實現(xiàn)數(shù)字正弦信號進行D/A轉換，轉換后的信號經(jīng)過信號調理電路加載到激勵線圈上。檢測線圈得到耦合信號，經(jīng)過調理電路預處理后返回至FPGA主板電路的A/D轉換輸入端，由AD9240進行采樣和A/D轉換，并將轉化結果傳向FPGA芯片。作為控制中心的FPGA芯片4是整個系統(tǒng)的核心部分:首先，為探傷傳感器陣列提供原始正弦激勵信號；其次，對系統(tǒng)中探傷傳感器陣列的切換進行時序邏輯控制；再次，采集并處理檢測數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)的傳輸。反投影成像算法(LBP)在上位機中通過VC++程序實現(xiàn)圖像重建。傳感器、信號調理電路、A/D及D/A轉換電路提供的原始測量信號是圖像重建的原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過正交序列解調可提取得到激勵線圈和檢測線圈的互感值?；ジ兄档奶摬靠捎糜诜赐队八惴ǖ闹亟ㄟ^程。本發(fā)明提供的檢測方法，包含以下步驟:(I)將被測金屬構件或板材置于傳感結構之下，使傳感結構垂直于被測金屬構件或板材之上，每次成像需要C〖=15組采樣數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)對應6組傳感器中的兩組傳感器。每次測量時，選取其中一組傳感器的激勵線圈，對其施加特定幅值、特定頻率、特定相位的激勵信號，選取另一組傳感器的檢測線圈作為感應線圈，將其采樣的電壓信號送至后續(xù)電路中進行信號調理。每組測量數(shù)據(jù)依次對應兩組傳感器的感應值洱_2、U1+ U1+ U卜6、
υ2-3.> U2-4> U2-5、U2-6 > U3_4、U3_5、U3_6、U4_5、U4_6、U5_go(2)每完成一輪15組的傳感器測量數(shù)據(jù)后，調理電路會對感應信號進行預處理并在A/D轉換之后送到F PGA中，F(xiàn)PGA將采集的數(shù)據(jù)打包上傳至上位機處理和存儲。(3)上位機通過對比分析全局采樣數(shù)據(jù)，采用反投影圖像重建算法對采樣數(shù)據(jù)進行反推算處理，實現(xiàn)被測區(qū)域的圖像重建，從而實現(xiàn)對被測金屬構件或板材的損傷探測。本發(fā)明所提供的基于新型電磁探傷成像傳感器的板材損傷探測裝置及方法具有檢測信息量大、靈敏度高、非接觸、非侵入、不停機檢測等優(yōu)點。本發(fā)明能夠提高金屬構件及板材的探測靈敏度，提高工業(yè)上金屬探測的速度，能夠實現(xiàn)金屬構件與半殘的實時無損檢測。在金屬無損檢測領域，尤其是大型工業(yè)機械的在線狀態(tài)監(jiān)測、鋼鐵生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質量檢測等方面有著較高的應用價值。盡管本發(fā)明的內容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種基于平面電磁傳感器的板材損傷探測裝置，包括電磁探傷成像傳感器、功率放大電路、信號調理電路、A/D及D/A轉換電路、作為控制中心的FPGA控制芯片和上位機，其特征在于， 所述的電磁探傷成像傳感器，是由均勻分布的6個具有差動結構的鐵芯傳感器組成，6組傳感器正好圍成一平面的正六邊形探測區(qū)域， 每組傳感器包括與所圍成的平面相互垂直并同軸的一個激勵線圈和一個檢測線圈，激勵線圈位于中間，檢測線圈分成匝數(shù)相同、繞制方向相反、分別位于激勵線圈兩側的兩個差動部分，具有消除共模干擾的作用； FPGA控制芯片發(fā)送的激勵信號經(jīng)過DA轉換和功率放大后加載在電磁探傷成像傳感器的某一組傳感器的激勵線圈上，依次選取其他5組傳感器的檢測線圈的感應信號進行檢測，感應信號經(jīng)過信號調量和AD轉換后被送入FPGA控制芯片，采用如上所述的交叉采樣方式，對于6組傳感器，每一輪采集C,: 15組采樣數(shù)據(jù)；FPGA控制芯片將采樣數(shù)據(jù)傳輸至上位機，由上位機根據(jù)每輪15組的采樣數(shù)據(jù)，采用反投影圖像重建算法對采樣數(shù)據(jù)進行反推算處理，實現(xiàn)被測區(qū)域的圖像重建，從而實現(xiàn)對被測金屬構件或板材的損傷探測。
2.一種采用權利要求1所述的基于平面電磁傳感器的板材損傷探測裝置實現(xiàn)的探測方法，包含以下步驟: (1)FPGA控制芯片發(fā)送的激勵信號經(jīng)過DA轉換和功率放大后加載在電磁探傷成像傳感器的某一組傳感器的激勵線圈上，依次選取其他5組傳感器的檢測線圈的感應信號進行檢測，感應信號經(jīng)過信號調理和AD轉換后被送入FPGA控制芯片，采用如上所述的交叉采樣方式，對于6組傳感器，每一輪采集15組采樣數(shù)據(jù)； (2)FPGA控制芯片將采樣數(shù)據(jù)傳輸至上位機； (3)上位機根據(jù)每輪15組的采樣數(shù)據(jù)，采用反投影圖像重建算法對采樣數(shù)據(jù)進行反推算處理，實現(xiàn)被測區(qū)域的圖像重建，從而實現(xiàn)對板材的損傷探測。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁檢測技術中電磁層析成像領域，涉及一種基于平面電磁傳感器的板材損傷探測裝置，包括電磁探傷成像傳感器、A/D及D/A轉換電路、FPGA控制芯片和上位機，電磁探傷成像傳感器由均勻分布的6個具有差動結構的鐵芯傳感器組成，6組傳感器正好圍成一平面的正六邊形探測區(qū)域，每組傳感器包括激勵線圈和檢測線圈；采用交叉采樣方式，采集6組傳感器，并由FPGA控制芯片將采樣數(shù)據(jù)傳輸至上位機，由上位機根據(jù)每輪采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對被測板材的損傷探測。本發(fā)明同時提供一種采用上述裝置板材損傷探測方法。本發(fā)明具有簡單快速、靈敏度高且成本較低的優(yōu)點。
文檔編號G01N27/82GK103226129SQ20131006177
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權日2013年2月27日
發(fā)明者李安陽, 徐凱, 尹武良, 王奔 申請人:常州兆能電子科技有限公司