U形兩級差分渦流探頭、檢測系統(tǒng)及檢測方法與流程

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本發(fā)明涉及u形兩級差分渦流探頭、檢測系統(tǒng)及檢測方法，用于金屬、復合材料表面、亞表面或不同深度的裂紋檢測，屬于無損檢測技術領域。

背景技術：

脈沖渦流無損檢測是一種快速、有效的新型無損檢測技術，主要用于導體或復合材料表面、亞表面的缺陷檢測。相比超聲、漏磁等其他無損檢測技術，脈沖渦流無損檢測具有無需耦合劑、無需被檢材料磁飽和等優(yōu)點。脈沖渦流無損檢測采用方波或階躍方式激勵線圈產生磁場并作用于被測材料，使被測材料中產生感生渦流，由于材料中的缺陷會對渦流的分布產生影響，通過測量渦流在材料中的衰減可間檢測出材料中的缺陷參數。測量渦流衰減一般使用感應線圈、霍爾傳感器、tmr傳感器等，由于感應線圈易于加工、無需輔助電路、且成本較低，在大部分渦流探頭中得到廣泛應用。

常規(guī)圓柱鐵芯差分探頭中，在加工、制作中由于感應線圈提離高度難以完全一致或完全對稱，會造成感應線圈不能共享相同的磁路，差分后引起差分信號的輸出誤差，需要繁瑣的定標、調零。因此設計一種感應線圈能共享磁路、差分信號準確輸出的探頭勢在必行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：本發(fā)明提供u形兩級差分渦流探頭，同時提供使用該探頭的檢測系統(tǒng)，并進一步提供該系統(tǒng)的檢測方法，目的在于克服常規(guī)圓柱鐵芯差分探頭在制作、加工中感應線圈提離高度難以完全一致或完全對稱，造成的感應線圈不能共享相同的磁路，差分后引起的差分信號誤差的問題。本發(fā)明能減小差分信號誤差、有效抑制提離效應影響，系統(tǒng)及檢測方法易于工程實現(xiàn)，可快速、精確檢測材料裂紋缺陷。

本發(fā)明提供一種u形兩級差分渦流探頭，包括激勵線圈1、感應線圈2a、2b、2c、2d、u形鐵芯3、探頭外殼4、接線端頭5、底蓋6、固定支架7；所述激勵線圈1繞于u形鐵芯3頂部，4個感應線圈2a、2b、2c、2d繞于u形鐵芯3兩側，每側各2個感應線圈，4個感應線圈完全相同，呈軸對稱分布；探頭外殼4頂部開孔，固定有接線端頭5，5個線圈的接線由接線端頭5開孔中穿出；所述底蓋6將饒有線圈的u形鐵芯3軸向壓緊封裝在探頭外殼4內；固定支架7安裝在探頭外殼4外表面。

所述u形鐵芯3由硅鋼制成，探頭外殼4由工業(yè)純鐵制成，底蓋6為陶瓷纖維材料制成，固定支架7兩端帶有螺孔，可使用螺絲將抬頭固定于機械掃描裝置上。

所述激勵線圈1為漆包銅線圓形空心線圈，線經0.6mm，內徑5.5mm，外徑9.5mm，長12.5mm，240匝；4個感應線圈2a、2b、2c、2d為漆包銅線圓形線圈，線經0.4mm，內徑5.5mm，外徑10.5mm，高10.5mm，400匝；u形鐵芯3每一側上兩個激勵線圈構成1級差分，兩側線圈差分再構成2級差分。

本發(fā)明還提供一種利用u形兩級差分渦流探頭構成的檢測系統(tǒng)，包括u形兩級差分渦流探頭8、微控制器、步進電機驅動模塊、機械掃描裝置、波形發(fā)生器、功率放大器、數據采集卡、串行通信模塊、信號調理模塊、pc上位機；

所述u形兩級差分渦流探頭8通過螺絲固定在機械掃描裝置的手動微調滑架10上，u形兩級差分渦流探頭8可在x、y方向直線移動，且在z方向手動微調；所述機械掃描裝置的控制線通過步進電機驅動模塊和微控制器連接，微控制器通過串行通信模塊rs232串行接口同pc上位機連接；所述波形控制器產生脈沖信號，經功率放大器放大后接入u形兩級差分渦流探頭8輸入線；所述u形兩級差分渦流探頭8輸出線輸出感應電壓，依次通過低通濾波器、信號調理模塊后，經數據采集卡采集傳輸至pc上位機，pc上位機對數據分析后得出被測試件11裂紋長度。

所述機械掃描裝置由手動微調滑架10、y方向直線導軌滑臺11a、x方向直線導軌滑臺11b、底板基座14構成；y方向直線導軌滑臺11a固定在x方向直線導軌滑臺11b的滑塊x12b上，x方向直線導軌滑臺11b固定在底板基座14上；手動微調滑架10固定在y方向直線導軌滑臺11a的滑塊y12a上，手動微調滑架10的滑塊z12c用于固定u形兩級差分渦流探頭8；y方向直線導軌滑臺11a、x方向直線導軌滑臺11b的滑塊y12a、滑塊x12b可分別在y、x方向移動，手動微調滑架10的滑塊z12c可在z方向通過旋轉旋鈕16手動微調u形兩級差分渦流探頭8提離高度。

利用所述檢測系統(tǒng)的檢測方法，用于在pc上位機中分析被測材料的裂紋長度，所述檢測方法的步驟在于：

步驟(1)：通過pc上位機控制機械掃描裝置上的u形兩級差分渦流探頭8在y方向上移動，接收到實測的4個感應線圈電壓信號后求差分信號，探頭每一側上兩個激勵線圈構成1級差分，兩側線圈的差分再構成2級差分，差分信號為：

x(t)＝[u2d(t)-u2c(t)]-[u2b(t)-u2a(t)]

步驟(2)：將差分信號x(t)進行卷積形式的小波變換：

其中，a為尺度因子，ψ(t)為引入尺度因子的高斯函數的一階導數，σ為差分信號的標準方差，t為時間，τ為時間平移因子；

步驟(3)：取尺度因子a為1-32，在該尺度范圍下，求出在不同尺度上表現(xiàn)相同的wax(t)＝0的時間點t1、t2、t3、t4，根據u形探頭特性，x(t1)、x(t2)、x(t3)、x(t4)為原始信號x(t)的前波谷、前波峰、后波谷、后波峰；

步驟(4)：在y軸向上的裂紋長度為：

sy＝p1×v×(t3-t1)+p2×v×(t2-t4)

其中，v為探頭的軸向移動速度，p1、p2為：

步驟(5)：使用步驟(1)-(4)的方法在x軸向上測出x軸向上的裂紋長度為sx，最后得到被測材料裂紋長度

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的u形兩級差分渦流探頭，感應線圈共享相同的磁路，可以克服常規(guī)圓柱鐵芯差分探頭中，由于感應線圈提離高度不一致或不對稱引起的差分信號輸出誤差，有效抑制提離效應影響。本發(fā)明檢測方法易于工程實現(xiàn)，可快速、精確檢測材料裂紋缺陷。

附圖說明

圖1-2為本發(fā)明的u形兩級差分渦流探頭外觀和內部結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的機械掃描裝置直線導軌滑臺安裝方式示意圖；

圖4-5為本發(fā)明的機械掃描裝置手動微調滑架正面結構示意圖和背面結構示意圖；

圖6為本發(fā)明的機械掃描裝置手動微調滑架安裝方式局部示意圖；

圖7為本發(fā)明的檢測系統(tǒng)結構、流程圖；

圖8為本發(fā)明的微處理器電路圖；

圖9為本發(fā)明的步進電機驅動模塊電路圖；

圖10為本發(fā)明的信號調理模塊電路圖；

圖11為本發(fā)明的串行通信模塊電路圖；

圖12為本發(fā)明的檢測方法流程圖。

圖1-5中各標號：1-激勵線圈、2a、2b、2c、2d-感應線圈、3-u形鐵芯、4-探頭外殼、5-接線端頭、6-底蓋、7-固定支架、8-u形兩級差分渦流探頭、9a-螺絲a、9b-螺絲b、10-手動微調滑架、11-被測試件，11a-y方向直線導軌滑臺、11b-x方向直線導軌滑臺、12a-滑塊y、12b-滑塊x、12c-滑塊z、13-導軌螺孔、14-底板基座、15-底板基座螺孔、16-旋鈕、17-手動微調滑架螺孔。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：如圖1所示，u形兩級差分渦流探頭，包括激勵線圈1、感應線圈2a、2b、2c、2d、u形鐵芯3、探頭外殼4、接線端頭5、底蓋6、固定支架7；所述u形鐵芯3由硅鋼制成，所述激勵線圈1繞于u形鐵芯3頂部，4個感應線圈2a、2b、2c、2d繞于u形鐵芯3兩側，每側各2個感應線圈，4個感應線圈完全相同，呈軸對稱分布；探頭外殼4由工業(yè)純鐵制成，探頭外殼4頂部開孔，固定有接線端頭5，5個線圈的接線由接線端頭5開孔中穿出；所述底蓋6為陶瓷纖維材料制成，底蓋6將饒有線圈的u形鐵芯3軸向壓緊封裝在探頭外殼4內；固定支架7安裝在探頭外殼4外表面，固定支架7兩端帶有螺孔，可使用螺絲將抬頭固定于機械掃描裝置上。

作為本發(fā)明的進一步方案，所述激勵線圈1為漆包銅線圓形空心線圈，線經0.6mm，內徑5.5mm，外徑9.5mm，長12.5mm，240匝；4個感應線圈2a、2b、2c、2d為漆包銅線圓形線圈，線經0.4mm，內徑5.5mm，外徑10.5mm，高10.5mm，400匝；u形鐵芯3每一側上兩個激勵線圈構成1級差分，兩側線圈差分再構成2級差分。

作為本發(fā)明的進一步方案，如圖3所示：y方向直線導軌滑臺11a、x方向直線導軌滑臺11b底板和左擋板上有導軌螺孔13，y方向直線導軌滑臺11a使用螺絲9b通過導軌螺孔13固定在x方向直線導軌滑臺11b的滑塊x12b上，x方向直線導軌滑臺11b使用螺絲9b通過導軌螺孔13固定在底板基座14上；以上機械掃描裝置組裝后可在x、y方向移動。

如圖4、5、6所示：手動微調滑架10背板上有手動微調滑架螺孔17，手動微調滑架10使用螺絲9b通過手動微調滑架螺孔17固定在y方向直線導軌滑臺11a的滑塊y12a上；手動微調滑架10的滑塊z12c使用螺絲9a穿過探頭的固定支架7固定住u形兩級差分渦流探頭8；手動微調滑架10的滑塊z12c可在z方向通過旋轉旋鈕16手動微調探頭提離高度。

作為本發(fā)明的進一步方案，如圖7所示：機械掃描裝置組裝完成、探頭固定之后，搭建如圖所示的檢測系統(tǒng)，包括u形兩級差分渦流探頭8、微控制器、步進電機驅動模塊、機械掃描裝置、波形發(fā)生器、功率放大器、數據采集卡、串行通信模塊、信號調理模塊、pc上位機；所述u形兩級差分渦流探頭8通過螺絲固定在機械掃描裝置的手動微調滑架10上，u形兩級差分渦流探頭8可在x、y方向直線移動，且在z方向手動微調；調節(jié)旋轉旋鈕16使探頭離底板基座14上的被測試件11高1cm；機械掃描裝置的控制線通過步進電機驅動模塊和微控制器連接，微控制器通過rs232串行接口同pc上位機連接；在pc上位機上設置參數后，通過串行通信模塊發(fā)送至微處理器，微處理器根據收到參數，通過步進電機驅動模塊控制掃描裝置移動；設置波形控制器參數，產生脈沖信號，經功率放大器放大后接入u形兩級差分渦流探頭8輸入線；探頭產生激勵磁場，作用于被測試件11，探頭的感應線圈感應到試件渦流產生感生磁場后，通過輸出線輸出感應電壓；感應電壓依次通過低通濾波器、信號調理模塊后，經數據采集卡采集傳輸至pc上位機，上位機對數據進行分析、計算得出被測試件11裂紋長度。

作為本發(fā)明的進一步方案，其中，激勵信號發(fā)生器可以為北京普源精電科技有限公司(rigol)的dds任意函數/波形發(fā)生器，其型號可以為dg1022z；功率放大器可以為西安安泰電子科技有限公司(agitek)的單通道理想交直流信號功率信號放大器，其型號可以為ata3040；數據采集卡可以為凌華公司8通道、16bits、250k采樣率pxi數據采集卡，其型號可以為pxi-2020。

作為本發(fā)明的進一步方案，如圖8所示：微控制器可以為stc15f2k32s單片機，通過串行通信模塊和pc上位機相連，通過io口p2.0～p2.3、p2.4～p2.7連接步進電機驅動模塊控制輸入端x_in1～x_in4、y_in1～y_in4，io口p1.0～p1.3連接輸入使能端x_ena、x_enb、y_ena、y_enb；如圖9所示，步進電機驅動模塊為l298n電機驅動芯片搭建的兩相混合式步進電機驅動模塊，模塊輸入端與微控制器io口連接，2片l298n芯片的輸出接口out1～out4分別連接機械掃描裝置中的x、y方向直線導軌滑臺(11a、12b)的電機控制線；微控制器接受上位機指令后，通過控制x_in1～x_in4、y_in1～y_in4、x_ena、x_enb、y_ena、y_enb端狀態(tài)來控制電機運行狀態(tài)、步數，從而控制機械掃描裝置移動。

作為本發(fā)明的進一步方案，如圖10所示：信號調理模塊可以由運算放大器芯片lm324n構成，由二階低通濾波器和二階高通濾波器依次連接，可濾除直流干擾和高頻噪聲，并對信號進行電壓放大；脈沖激勵信號的頻率為100-200hz，選擇脈沖激勵信號基頻的50倍，即10khz作為低通濾波器的截止頻率，選擇100hz作為高通濾波器截止頻率。

運放a構成低通濾波器，其通帶電壓放大倍數為1，截止頻率

運放b構成高通濾波器，其通帶電壓放大倍數為au＝1+r6/r3,放大倍數可通過滑動變阻器r6調節(jié)；另外，截止頻率

作為本發(fā)明的進一步方案，如圖11所示：串行通信模塊主要可以由max232芯片構成，實現(xiàn)微控制器ttl電平與pc機rs232電平的相互轉換，完成微控制器與pc機之間的通信。

作為本發(fā)明的進一步方案，如圖12所示：上述檢測系統(tǒng)在pc上位機中分析被測材料裂紋長度的檢測方法，其步驟可以為：