專利名稱：一種用于進行金屬缺陷檢測的渦流檢測裝置及其渦流探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材料缺陷無損檢測傳感器結構及相應檢測電路。
背景技術：
金屬材料的缺陷檢測在軍工領域具有重要意義。根據電磁感應原理，載有交流電的線圈會在靠近它的金屬材料中感應出渦流，感應的渦流反過來會影響檢測線圈周圍原有的磁場分布，從而導致感應線圈的測量阻抗發生變化。渦流攜帶了金屬材料的厚度，缺陷、電導率等信息，通過測量因渦流引起的線圈阻抗變化可推知金屬材料的相關物理參數，如是否存在缺陷等。常規渦流檢測，感應線圈在檢測過程中有原始的感應電壓信號輸出，為擴大信號檢測動態范圍，提高檢測靈敏度，一般采用差動探頭結構。在對金屬進行缺陷檢測時，差動探頭的兩個線圈需置于完全相同的電磁環境中，才可使渦流探頭的初始電壓信號為零，這在實際檢測中，有時較難實現。微擾檢測技術一般采用較大的激勵線圈及兩個結構相同的小感應線圈組成。兩個感應線圈平行放置，均垂直于激勵線圈，兩個感應線圈位置完全對等。這種微擾結構可以使放置于金屬塊上的渦流傳感器在下方金屬不存在缺陷時，兩個小感應線圈差動輸出信號近乎為零，這種檢測結構的優點在于對缺陷非常敏感，可對極微小的缺陷進行檢測。渦流探傷中，一般只能在一個能明顯切斷感應渦流流經路徑的方向進行缺陷的有效檢測，同時一般采用單個探頭進行檢測，這些都在一定程度上制約著渦流檢測系統的檢測效率。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于進行金屬缺陷檢測的渦流檢測裝置及其渦流探頭，以克服現有技術的全部或部分缺陷。為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是:
本發明用于進行金屬缺陷檢測的渦流探頭包括一個以上正交組合探頭，每個正交組合探頭包括一個激勵線圈和兩個感應線圈，所述兩個感應線圈的幾何中心重合，所述兩個感應線圈的中心橫截面均經過激勵線圈的幾何中心，激勵線圈以及兩個感應線圈的中心橫截面兩兩垂直。進一步地，本發明所述正交組合探頭為兩個以上，所有正交組合探頭的激勵線圈的中心橫截面在同一個平面上，且所有激勵線圈的幾何中心在同一直線上。本發明含有上述渦流探頭的渦流檢測裝置包括控制器、信號發生電路、濾波及放大電路、相敏檢波電路、信號采集卡、上位機、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關和所述渦流探頭，控制器分別與信號發生電路、濾波及放大電路、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關連接，濾波及放大電路的輸出端與相敏檢波電路的輸入端連接，相敏檢波電路的輸出端與信號采集卡連接，信號采集卡與上位機連接，信號發生電路與第一高速模擬開關連接，濾波及放大電路與第二高速模擬開關連接；所述渦流探頭中的每個激勵線圈與第一高速模擬開關連接，渦流探頭中的每個感應線圈與第二高速模擬開關連接。進一步地，本發明所述信號發生電路為正弦信號發生電路。進一步地，本發明渦流檢測裝置還包括機械掃描裝置，渦流探頭固定于所述機械掃描裝置上。進一步地，本發明所述控制器為單片機。進一步地，本發明所述第一高速模擬開關的輸出電流為100毫安以上。與現有技術相比，本發明的優點是:
(I)絕對式基于微擾原理的探頭結構，可以測量極微小的金屬表面缺陷。(2)兩個正交感應線圈可實現二維平面縱橫兩個方向相同精度的缺陷檢測。(3)陣列探頭大大提高了缺陷檢測效率，對各個探頭分時激勵，減小了探頭間的干擾，簡化了后續硬件處理電路。(4)采用了可通大電流的高速模擬開關芯片，保證了激勵場的強度和系統檢測精度。(5)本發明具有較高的檢測靈敏度和檢測速度。
圖1是本發明渦流探頭的激勵線圈上方磁場分布圖(磁力線擴張時刻)；
圖2是渦流激勵線圈上方磁場分布圖(磁力線收縮時刻)；
圖3是渦流激勵線圈上方某一時刻磁場分布俯視 圖4是本發明的一種僅含有單個正交組合探頭的渦流探頭的結構示意 圖5是本發明的一種含有兩個以上正交組合探頭的渦流探頭的結構示意 圖6是兩種渦流探頭的工作方式比較示意圖，其中，(a)含有單個正交組合探頭，(b)含有多個正交組合探頭；
圖7是本發明的一種渦流檢測裝置的結構框 圖8是本發明的第一高速模擬開關的一種電路 圖9是本發明的第二高速模擬開關的一種電路圖。
具體實施例方式 本發明的一種渦流探頭的結構如圖4所示。其中，2為激勵線圈，5、6分別為感應線圈。圖4所示的渦流探頭包括一個正交組合探頭,該正交組合探頭包括一個激勵線圈2、感應線圈5和感應線圈6。其中，感應線圈5和感應線圈6的幾何中心重合，感應線圈5和感應線圈6的中心橫截面均經過激勵線圈2的幾何中心，激勵線圈2、感應線圈5和感應線圈6三者的中心橫截面兩兩垂直。本發明的渦流探頭可以將兩個感應線圈5、6置于激勵線圈2的內部(如圖4所示),也可以如圖5所示將兩個感應線圈5、6置于激勵線圈2的外部。在不破壞場的對稱性的前提下，激勵線圈2可以采用圓柱型同軸線圈，感應線圈5、6可以為矩形線圈。當渦流探頭由多個結構相同的正交組合式探頭并排在一起構成陣列探頭時(如圖5所示)，所有正交組合探頭的激勵線圈2的中心橫截面在同一個平面7上，并且，所有激勵線圈2的幾何中心在同一直線上。在進行渦流檢測時，含有單個正交組合探頭的渦流探頭和含有多個正交組合探頭的陣列渦流探頭的掃描方式分別如圖6 (a)、圖6 (b)所示。其中，陣列渦流探頭為多個結構完全一致的正交組合探頭組成的線陣，采用陣列渦流探頭進行探傷可大大提聞檢測效率。本發明的一種渦流檢測裝置的結構如圖7所示，它包括控制器、信號發生電路、濾波及放大電路、相敏檢波電路、信號采集卡、上位機、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關和本發明的渦流探頭。其中，控制器分別與信號發生電路、濾波及放大電路、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關連接，濾波及放大電路的輸出端與相敏檢波電路的輸入端連接，相敏檢波電路的輸出端與信號采集卡連接，信號采集卡與上位機連接，信號發生電路與第一高速模擬開關連接，濾波及放大電路與第二高速模擬開關連接；所述渦流探頭中的每個激勵線圈2與第一高速模擬開關連接，渦流探頭中的每個感應線圈與第二高速模擬開關連接。其中，信號發生電路可以使用正弦信號發生電路，例如使用dds (數字式頻率合成器)芯片。控制器可以使用單片機。在單片機控制下，dds (數字式頻率合成器)芯片產生正弦激勵信號送往第一高速模擬開關芯片的輸入端口，正弦激勵信號在單片機控制下依次激勵陣列探頭中的各個正交組合探頭的激勵線圈，正交組合探頭中各感應線圈的渦流感應信號通過第二高速模擬開關芯片依次進入濾波及放大電路進行處理，而后通過相敏檢波電路將渦流感應信號由交流信號轉為與感應線圈阻抗對應的模擬直流信號，經信號采集卡后送往上位機進行顯示和處理。使用本發明對導體進行渦流探傷時，為提高檢測精確度，可配置機械掃描裝置，渦流探頭固定在機械掃描裝置上，上位機裝有機械掃描裝置的運動控制卡，通過上位機對機械掃描裝置進行運動控制。上位機可選用Iabview軟件進行渦流感應信號的采集、顯示和后處理。將渦流探頭置于被測導體的上方，在Iabview程序中設置機械掃描裝置的掃描速度和激勵頻率，啟動掃描控制器后，即可使渦流探頭按照要求掃描被測導體，通過信號采集卡采集的相敏檢波電路的直流輸出信號變化趨勢，獲得被測金屬材料的缺陷信息。
如圖8、圖9所示，在本發明渦流檢測裝置中，第一高速模擬開關可選用ADG1414芯片，第二高速模擬開關可選用CD4052BCM芯片。以下以線陣式渦流探頭為例進一步說明本發明。在本實施例中，線陣式渦流探頭共由8個結構完全一致的正交組合探頭組成，因此該渦流探頭共有八個激勵線圈和16個感應線圈。如圖5所示，所有正交組合探頭的其中一個感應線圈的放置方式相同且它們的中心橫截面相互平行，所有正交組合探頭的另一個感應線圈的放置方式相同且它們的中心橫截面重合。單片機通過控制第一高速模擬開關依次激勵渦流探頭中的各個激勵線圈，通過控制第二高速模擬開關依次采集渦流探頭中的各個感應線圈的信號。渦流探頭中，每個激勵線圈的一端接第一高速模擬開關，另一端接地；每個感應線圈的兩端都接第二高速模擬開關。因此，使用渦流探頭檢測時，可用一片ADG1414芯片依次激勵渦流探頭中的8個激勵線圈，用4片CD4052BCM芯片依次采集16個感應線圈的渦流感應信號。其中，第一片⑶4052BCM芯片接第I至第4感應線圈，第二片⑶4052BCM芯片接第5至第8感應線圈，第三片⑶4052BCM芯片接第9至第12感應線圈，第四片⑶4052BCM芯片接第13至第16感應線圈。參見圖5，第I至第8感應線圈分別對應地為第一至第八正交組合探頭的一個感應線圈，且第I至第8感應線圈的中心橫截面相互平行；第9至第16感應線圈亦分別對應地為第一至第八正交組合探頭的另一個感應線圈，且第9至第17感應線圈的中心橫截面相互重合。以下結合圖8和圖9進行具體的說明。參見圖8，ADG1414芯片的第I管腳、第3管腳、第23管腳、第24管腳分別與單片機的相關控制口連接。ADG1414芯片的第2管腳接正5v電源，第21管腳接負5v電源，第4管腳接數字地，第22管腳通過電阻Rl接至正5v電源 ADG1414芯片的第5管腳、第7管腳、第9管腳、第11管腳、第14管腳、第16管腳、第18管腳、第20管腳接分別接信號發生電路以獲取激勵信號；ADG1414芯片的第6管腳、第8管腳、第10管腳、第12管腳、第13管腳、第15管腳、第17管腳、第19管腳分別接第I至第8激勵線圈的一端。第I至第8激勵線圈的另一端均接地。參見圖9，每個⑶4052BCM芯片的第6管腳、第10管腳、第9管腳分別與單片機的相關控制口連接。每個⑶4052BCM芯片的第8管腳接數字地，第16管腳接+5V電源，第7管腳接-5V電源。每個⑶4052BCM芯片的第12管腳、第14管腳、第15管腳、第11管腳分別依次連接至對應的四個感應線圈的一端，四個感應線圈的另一端則分別與同一個⑶4052BCM芯片的第I管腳、第5管腳、第2管腳、第4管腳連接，⑶4052BCM的第3管腳、第13管腳接濾波及放大電路輸入端。利用本發明渦流探頭對金屬板進行檢測時，通正弦激勵信號的各激勵線圈產生的磁場在空間不同位置、方向和大小各異，并均隨時間而改變。激勵線圈上方的空間磁場在磁力線擴張和收縮時刻的分布如圖1、圖2所示。圖1中，I為被測金屬板，2為激勵線圈，3為激勵線圈正上方的一定體積的空間區域，4為激勵線圈產生的磁場在空間區域3中某一時刻的分布。在磁力線擴張時刻，激勵線圈2上方俯視時的空間磁場分布情況如圖3所示，磁場以激勵線圈2的圓心為中心對稱分布。這種對稱性無論在磁力線擴張時還是在收縮磁力線時刻(即任何時刻)均成立。使用本發明渦流探頭檢測時，激勵線圈產生的場分布與圖1、圖2中的場分布是類似的。如果使兩個感應線圈5和6的幾何中心重合，兩個感應線圈
5、6的中心橫截面均經過激勵線圈2的幾何中心并且激勵線圈2、兩個感應線圈5、6的中心橫截面兩兩垂直，則因磁場對圓心的對稱性，將使垂直通過兩個感應線圈5、6的凈磁力線均近乎為零。在進行渦流探傷時，缺陷的存在引起渦流的改變從而導致感應線圈中磁通發生改變，由于場分布的對稱性，在無缺陷時，感應線圈中磁通量很小，近乎為零，因此掃描缺陷時，很小的磁通量改變也將被靈敏地檢測到。綜上，在本發明的渦流檢測裝置中，渦流探頭信號的激勵和采集均由單片機用模擬開關進行控制。激勵線圈與感應線圈相互垂直的微擾式結構極大地提高了檢測靈敏度，同時兩個感應線圈的正交組合的放置方式可以實現二維平面縱、橫兩個方向相同精度的缺陷檢測，同時采集的兩個垂直方位的缺陷檢測信息，輔以現代信息處理技術，可以對導體中缺陷形狀和分布做出更多更合理的推斷，模擬開關芯片的應用大大降低了檢測電路硬件成本，陣列技術的應用極大地提高了檢測效率，使大面積金屬快速缺陷渦流檢測成為可能。
權利要求
1.一種用于進行金屬缺陷檢測的渦流探頭，其特征在于:包括一個以上正交組合探頭，每個正交組合探頭包括一個激勵線圈和兩個感應線圈，所述兩個感應線圈的幾何中心重合，所述兩個感應線圈的中心橫截面均經過激勵線圈的幾何中心，激勵線圈以及兩個感應線圈的中心橫截面兩兩垂直。
2.根據權利要求1所述的用于進行金屬缺陷檢測的渦流探頭，其特征在于:所述正交組合探頭為兩個以上，所有正交組合探頭的激勵線圈的中心橫截面在同一個平面上，且所有激勵線圈的幾何中心在同一直線上。
3.一種含有權利要求1或2的渦流探頭的渦流檢測裝置，其特征在于:包括控制器、信號發生電路、濾波及放大電路、相敏檢波電路、信號采集卡、上位機、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關和所述渦流探頭，控制器分別與信號發生電路、濾波及放大電路、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關連接，濾波及放大電路的輸出端與相敏檢波電路的輸入端連接，相敏檢波電路的輸出端與信號采集卡連接，信號采集卡與上位機連接，信號發生電路與第一高速模擬開關連接，濾波及放大電路與第二高速模擬開關連接；所述渦流探頭中的每個激勵線圈與第一高速模擬開關連接，渦流探頭中的每個感應線圈與第二高速模擬開關連接。
4.根據權利要求3所述的渦流檢測裝置，其特征在于:所述信號發生電路為正弦信號發生電路。
5.根據權利要求3或4所述的渦流檢測裝置，其特征在于:還包括機械掃描裝置，渦流探頭固定于所述機械掃描裝置上。
6.根據權利要求3或4所述的渦流檢測裝置，其特征在于:所述控制器為單片機。
7.根據權利要求3或4所述的渦流檢測裝置，其特征在于:所述第一高速模擬開關的輸出電流為100暈安以上。
8.根據權利要求6所述的渦流檢測裝置，其特征在于:還包括機械掃描裝置，所述渦流探頭固定于所述機械掃描裝置上。
9.根據權利要求8所述的渦流檢測裝置，其特征在于:所述第一高速模擬開關的輸出電流為100暈安以上。
全文摘要
本發明公開一種用于進行金屬缺陷檢測的渦流檢測裝置及其渦流探頭。渦流探頭包括一個以上正交組合探頭，每個正交組合探頭包括一個激勵線圈和兩個感應線圈，兩個感應線圈的幾何中心重合，兩個感應線圈的中心橫截面均經過激勵線圈的幾何中心，激勵線圈以及兩個感應線圈的中心橫截面兩兩垂直。若正交組合探頭為兩個以上，則所有正交組合探頭的激勵線圈的中心橫截面在同一個平面上，且所有激勵線圈的幾何中心在同一直線上。渦流檢測裝置包括控制器、信號發生電路、濾波及放大電路、相敏檢波電路、信號采集卡、上位機、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關和所述渦流探頭。本發明具有較高的檢測靈敏度和檢測速度。
文檔編號G01N27/90GK103196996SQ201310133460
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者陳佩華, 黃平捷, 李國厚, 周澤魁 申請人:浙江大學