專利名稱：基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置。
背景技術(shù)：
在石油、化工、冶金、造船、PCB生產(chǎn)、航空、航天等領(lǐng)域，需要對各種 板材和各種加工零件進(jìn)行測量，或者對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān) 測，測量多層導(dǎo)電材料的厚度，或者檢測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程 度。因此，厚度的檢測具有極為廣闊的應(yīng)用市場。常用的厚度檢測手段主要有 超聲波測厚、射線測厚、磁性測厚、激光測厚和渦流測厚等方法。超聲波測厚 的方法受到材料表面粗糙度、耦合劑及溫度等因素的影響， 一般價格昂貴，測
量精度也不高。射線(x射線和e射線等)測厚的方法其裝置復(fù)雜而昂貴，測
量范圍較小。因有放射源，使用者必須遵守射線防護規(guī)范。磁性測厚的方法一 般適用于磁性基體上非磁性鍍層的測量。激光測厚的方法易受表面粗糙度及反 光強弱的影響，其靜態(tài)測量精度一般較低。
采用渦流測量厚度是基于電磁感應(yīng)的原理。交流信號在檢測線圈中產(chǎn)生電 磁場，檢測線圈靠近導(dǎo)體時，就在其中形成渦流。對于涂層的厚度測量而言， 檢測線圈離導(dǎo)電基體越近，渦流就越大，其振幅和相位是導(dǎo)體與檢測線圈之間 非導(dǎo)電覆蓋層厚度的函數(shù)。在測量導(dǎo)體材料的厚度時，渦流信號是導(dǎo)體厚度的 函數(shù)。通過測量檢測線圈輸出信號的大小，并將這一信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，即可 得到被測涂層的厚度值或者導(dǎo)體材料的厚度。
渦流檢測能夠無損地測量金屬材料的厚度，或者磁性金屬基體，如鋼、鐵、 合金和硬磁性鋼等材料上非磁性覆蓋層(如鋅、鋁、鉻、銅、橡膠、油漆等) 的厚度，具有測量范圍寬、反應(yīng)快和精度高等特點。但是，常規(guī)的渦流檢測儀 采用普通線圈作為檢測的傳感器，它能夠解決一些單層厚度的測量以及表層和 亞表層缺陷檢測等問題，卻難以應(yīng)用于多層材料的厚度或深層缺陷的檢測，其 主要原因是線圈式傳感器對于多層材料的厚度或深層缺陷的敏感性和空間分辨 率不夠高。采用基于巨磁阻傳感器的渦流檢測裝置，則可以很好地解決多層材 料的厚度或深層缺陷的檢測問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的高靈敏度的多層厚度渦 流檢測裝置。基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置中的單片機系統(tǒng)分 別與計算機、液晶顯示器、鍵盤和程控放大器連接，單片機系統(tǒng)與信號發(fā)生器、 功率放大器、激勵線圈依次連接，檢測線圈與檢波電路和程控放大器依次連接。所述的信號發(fā)生器電路為AD9833芯片的第1腳通過第四電容接電源 VDD， AD9833的第2腳接電源VDD，并通過第一電容接地，AD9833的第3 腳通過并聯(lián)的第二電容和第三電容接地，AD9833的第4腳和第9腳接地， AD9833的第5腳接有源晶振，AD9833的第6腳、第7腳和第8腳通過驅(qū)動芯 片7407分別接單片機的SCLK、 SDA和I/O端，AD9833的第10腳通過第一電 阻和第五電容接地，第一電阻另一端通過第二電阻和第六電容接地，激勵信號 由第二電阻的另一端輸出。所述的程控放大器電路為LMP8100芯片的第1膽卩、第9腳和第14腳懸空 不接，LMP8100的第2腳、第7腳、第10腳和第11腳接地，LMP8100的第3 腳、第4腳和第5腳分別接單片機的1/01、 1/03和1/02端，LMP8100的第6 腳接下一級放大器，LMP8100第8腳接+5V電源，并通過并聯(lián)的第一電容和第 二電容接地，LMP8100的第12腳接檢波電路的輸出信號，LMP8100的第13腳 通過第一電阻和第三電容接地，第一電阻的另一端通過第二電阻和第四電容接 地，放大信號由第二電阻的另一端輸出。所述的激勵線圈和檢測線圈都繞制在 巨磁阻芯片和磁鋼上。木發(fā)明由于巨磁阻的檢測線圈直接測量渦流信號的大小，受激勵頻率的影 響不大，在低頻下也有極高的靈敏度，與霍爾、磁通量閘門等磁場傳感器相比， 巨磁阻傳感器具有體積小、成本低、測量范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、信噪比高、 功耗低等優(yōu)點。


圖1是基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置的原理框圖； 圖2是本發(fā)明的信號發(fā)生原理圖； 圖3是本發(fā)明的程控放大原理圖； 圖4是本發(fā)明的單片機系統(tǒng)的主程序流程圖； 圖5是本發(fā)明的單片機系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序流程圖； 圖6是本發(fā)明的單片機系統(tǒng)與計算機通信的中斷服務(wù)程序流程圖； 圖7是本發(fā)明的計算機系統(tǒng)軟件程序流程圖。
具體實施方式
如圖l所示，基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置中的單片機系統(tǒng)分別與計算機、液晶顯示器、鍵盤和程控放大器連接，單片機系統(tǒng) 與信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈依次連接，檢測線圈與檢波電路和程控 放大器依次連接。所述的激勵線圈和檢測線圈都繞制在巨磁阻芯片和磁鋼上。如圖2所示，信號發(fā)生器電路為AD9833芯片的第1腳通過第四電容接電 源VDD， AD9833的第2腳接電源VDD，并通過第一電容接地，AD9833的第 3腳通過并聯(lián)的第二電容C2和第三電容C3接地，AD9833的第4腳和第9腳接 地，AD9833的第5腳接有源晶振OSC， AD9833的第6腳、第7腳和第8腳通 過驅(qū)動芯片7407分別接單片機的SCLK、 SDA和I/O端，AD9833的第10腳通 過第一電阻R1和第五電容C5接地，第一電阻R1另一端通過第二電阻R2和第 六電容C6接地，激勵信號由第二電阻R2的另一端輸出。如圖3所示，程控放大器電路為LMP8100芯片的第l腳、第9腳和第14 腳懸空不接，LMP8100的第2腳、第7膽P、第10腳和第11腳接地，LMP8100 的第3膽P、第4腳和第5腳分別接單片機的1/01、 1/03和1/02端，LMP8100 的第6腳接下一級放大器，LMP8100第8腳接+5V電源，并通過并聯(lián)的第一電 容C1和第二電容C2接地，LMP8100的第12腳接檢波電路的輸出信號，LMP8100 的第13腳通過第一電阻R1和第三電容C3接地，第一電阻R1的另一端通過第 二電阻R2和第四電容C4接地，放大信號由第二電阻R2的另 一端輸出。本發(fā)明采用了基于巨磁阻芯片的高靈敏度、高分辨率的傳感器，其放大電 路的倍數(shù)可以在1~200倍的范圍內(nèi)選擇，步長為10。工作頻率可在1 10KHz的 范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，步長為50Hz。本裝置適用于機械、印刷電路板、航空航天和 國防等領(lǐng)域的多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的厚度檢測。由于GMR具有非線性和磁滯特性，本發(fā)明中通過采用磁鋼引入一個偏置磁 場，可以顯著降低GMR的磁滯和非線性。在進(jìn)行測量時，先將傳感器放置在被測件的上方，通過單片機系統(tǒng)的鍵盤 設(shè)置信號類型、兩個不同的激勵頻率和放大倍數(shù)，或者通過計算機進(jìn)行設(shè)置， 并確定待檢測的層數(shù)，然后下載到單片機系統(tǒng)中起動檢測。信號發(fā)生器在單片機系統(tǒng)的控制下，先后輸出兩個不同頻率的激勵信號， 經(jīng)過功率放大器放大后，驅(qū)動內(nèi)置巨磁阻芯片和磁鋼的激勵線圈，通過內(nèi)置巨 磁阻芯片和磁鋼的檢測線圈進(jìn)行檢測。檢測線圈的輸出信號在檢波電路中進(jìn)行 低通濾波，可以有效地抑制噪聲，避免功率放大器所引入的噪聲的影響，提高 信號的信噪比和測量精度。濾波后的信號經(jīng)過程控放大器放大后，再傳送到單 片機系統(tǒng)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機系統(tǒng)采用中斷的方式分別采集到在兩個激勵頻率下相應(yīng)測量結(jié)果的數(shù)字量，并將數(shù)據(jù)傳送到計算機中進(jìn)行預(yù)處理，然后采 用改進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演計算。在計算機中，首先對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在具體的檢測過程中，由于提 離(探頭底部到被測件表面的距離)的變化、材料屬性的差異以及實際生產(chǎn)過 程的千擾等因素的影響，采集的數(shù)據(jù)混有一些噪聲信號。本發(fā)明中采用離散小 波變換強制消噪法，有效地分離提離等干擾信號；采用基于香農(nóng)熵準(zhǔn)則的WPA 法，有效地消除高頻噪聲。BP網(wǎng)絡(luò)采用典型的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即由輸入層、隱含層和輸出層組成。常 規(guī)的BP網(wǎng)絡(luò)存在易于陷入局部極小和學(xué)習(xí)速度慢的問題。本發(fā)明中采用變步長 的學(xué)習(xí)速率，在加快學(xué)習(xí)速度的同時，保證了權(quán)值的穩(wěn)定性；采用加動量項的 BP算法，減小了權(quán)值的振蕩，避免網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小。首先設(shè)置合適的初始步 長，保證誤差有收斂的趨勢。經(jīng)過數(shù)次迭代后，誤差幾乎不再變化，或在某值 附近振蕩，此時應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃蟛介L。當(dāng)誤差漸進(jìn)到可接受的程度時，適當(dāng)減小 學(xué)習(xí)步長，使網(wǎng)絡(luò)權(quán)值趨于最佳。BP算法的動量改進(jìn)公式為△)^) = / A《.d - (1 - ");^ f ( 1 )△《k) -(1-">7^ (2)式(1)和式(2)為第m層網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏置值的更新公式，其中k為學(xué) 習(xí)歷程，『為BP元的更新權(quán)值，"為動量系數(shù)，"為變動的學(xué)習(xí)速率，《S為 BP元的敏感性，fl為網(wǎng)絡(luò)的實際輸出矢量，6為偏置值。使用動量項后，算法 可以在減小振蕩維持穩(wěn)定的前提下使用更高的學(xué)習(xí)速度，而且當(dāng)權(quán)值和偏置值 的運動軌跡進(jìn)入某個一致的方向后可以加速收斂。根據(jù)預(yù)處理后得到的雙頻測量數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)樣件的實測數(shù)據(jù)， 采用改進(jìn)BP算法進(jìn)行反演計算，就能得出被測件的待檢測參數(shù)。權(quán)利要求
1. 一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置，其特征在于，單片機系統(tǒng)分別與計算機、液晶顯示器、鍵盤和程控放大器連接，單片機系統(tǒng)與信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈依次連接，檢測線圈與檢波電路和程控放大器依次連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦 流檢測裝置，其特征在于，所述的信號發(fā)生器電路為AD9833芯片的第1腳通 過第四電容接電源VDD， AD9833的第2腳接電源VDD，并通過第一電容接地， AD9833的第3腳通過并聯(lián)的第二電容(C2)和第三電容(C3)接地，AD9833 的第4腳和第9腳接地，AD9833的第5腳接有源晶振(OSC)， AD9833的第6 腳、第7腳和第8腳通過驅(qū)動芯片7407分別接單片機的SCLK、 SDA和I/O端， AD9833的第IO腳通過第一電阻(Rl)和第五電容(C5)接地，第一電阻(Rl) 另一端通過第二電阻(R2)和第六電容(C6)接地，激勵信號由第二電阻(R2) 的另一端輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦 流檢測裝置，其特征在于，所述的程控放大器電路為LMP8100芯片的第1腳、 第9腳和第14腳懸空不接，LMP8100的第2腳、第7腳、第10腳和第11腳接 地，LMP8100的第3腳、第4腳和第5腳分別接單片機的1/01、 1/03和1/02 端，LMP8100的第6腳接下一級放大器，LMP8100第8腳接+5V電源，并通過 并聯(lián)的第一電容(Cl)和第二電容(C2)接地，LMP8100的第12腳接檢波電 路的輸出信號，LMP8100的第13腳通過第一電阻(Rl)和第三電容(C3)接 地，第一電阻(Rl)的另一端通過第二電阻(R2)和第四電容(C4)接地，放 大信號由第二電阻(R2)的另一端輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦 流檢測裝置，其特征在于，所述的激勵線圈和檢測線圈都繞制在巨磁阻芯片和 磁鋼上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于巨磁阻傳感器和智能算法的多層厚度渦流檢測裝置。該裝置通過信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，經(jīng)過功率放大器放大后為內(nèi)置GMR和磁鋼的激勵線圈提供激勵信號?；趦?nèi)置GMR和磁鋼的檢測線圈檢測出渦流信號的大小，經(jīng)檢波電路檢波后送入放大電路進(jìn)行放大。放大電路的輸出由基于單片機的數(shù)據(jù)采集電路采集到計算機中進(jìn)行處理。該信號與被檢測的多層導(dǎo)電材料的厚度有密切關(guān)系，經(jīng)過采用改進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演計算，可得到各層導(dǎo)電材料的厚度。本裝置適用于機械、印刷電路板、航空航天和國防等領(lǐng)域的多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的厚度檢測。
文檔編號G01B7/02GK101532816SQ20091009733
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者候迪波, 波 葉, 周澤魁, 張光新, 李國厚, 范孟豹, 文 蔡, 陳佩華, 高揚華, 黃平捷 申請人:浙江大學(xué)