基于交流電磁場的缺陷信號高精度空間成像系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種成像系統及方法，特別涉及一種基于交流電磁場的缺陷信號高精度空間成像系統及方法。
【背景技術】
[0002]交流電磁場檢測技術利用激勵線圈在工件表面激勵出均勻電場，電場遇到缺陷后發生擾動，擾動電場引起空間磁場畸變，畸變磁場包含缺陷尺寸信息。由于具有非接觸測量、無需標定、定量識別等優點，交流電磁場檢測技術已經廣泛用于石油化工、交通運輸、核電等領域的無損檢測。傳統交流電磁場檢測技術采用平面特征信號來識別缺陷，不能精確、直觀地讀取缺陷的形狀和尺寸信息。本發明基于交流電磁場檢測技術，借助高靈敏度GMR傳感器實現微弱缺陷磁場信號的測量，利用高精度三維掃描臺架帶動探頭實現缺陷周圍空間磁場的準確定位掃描，能夠實現缺陷上方磁場信號的分層高精度空間成像，直觀定量缺陷的形狀、尺寸和位置信息，具有重要的學術研究和工程應用價值。
【發明內容】
[0003]本發明的目的就是針對現有技術不足，基于交流電磁場檢測技術，借助高靈敏度GMR傳感器實現微弱缺陷磁場信號的測量，利用高精度三維掃描臺架帶動探頭實現缺陷周圍空間磁場的準確定位掃描，能夠實現缺陷上方磁場信號的分層高精度空間成像，直觀定量缺陷的形狀、尺寸和位置信息，具有重要的學術研究和工程應用價值。
[0004]—種基于交流電磁場的缺陷高精度空間成像系統及方法，其特征是:主要由計算機、PLC、驅動器、X電機、Y電機、Z電機、緩沖裝置、夾具、探頭、支撐柱、底座、試件和機箱組成;所述計算機與PLC連接，所述PLC與驅動器連接，所述驅動器的細分數為32，所述驅動器分別與X電機、γ電機和Z電機連接，所述X電機、Y電機和Z電機均為步距角為1.8°的步進電機，所述X電機安裝在X導軌端部，所述X導軌安裝在兩根支撐柱頂端，所述支撐柱安裝在底座一側，所述X電機與X絲杠同軸連接，所述X絲杠與安裝在X導軌上的X滑塊的內螺紋孔配合;所述Y電機安裝在Y導軌端部，所述Y導軌安裝在X滑塊上，所述Y電機與Y絲杠同軸連接，所述Y絲杠與安裝在Y導軌上的Y滑塊的內螺紋孔配合，所述Y電機的信號線通過X坦克鏈與驅動器連接，所述X坦克鏈伴隨X滑塊移動;所述Z電機安裝在Z導軌頂端，所述Z導軌安裝在Y滑塊上，所述Z電機與Z絲杠同軸連接，所述Z絲杠與安裝在Z導軌上的Z滑塊的內螺紋孔配合，所述Z電機的信號線通過Y坦克鏈與驅動器連接，所述Y坦克鏈伴隨Y滑塊移動;所述緩沖裝置安裝在Z滑塊上，所述夾具依靠螺紋安裝在緩沖裝置的限位光軸底端，所述探頭安裝在夾具上且由螺釘固緊;所述試件為設有缺陷的導電性材料，所述試件放置于底座上;所述探頭與機箱內的信號發生器和采集卡連接，所述信號發生器與采集卡連接，所述采集卡與計算機連接。
[0005]所述緩沖裝置包括限位光軸、頂蓋、彈簧、Z坦克鏈、與限位光軸配合的直線軸承，所述直線軸承安裝在緩沖裝置的內孔，所述頂蓋安裝在限位光軸的頂端，所述頂蓋下端面與直線軸承的頂端接觸，所述頂蓋的上端面與安裝在緩沖裝置內孔頂部且處于壓縮狀態的彈簧接觸，所述限位光軸在直線軸承配合下僅可上下移動且不可轉動，所述限位光軸底部設有外螺紋，所述Z坦克鏈與緩沖裝置連接。
[0006]所述探頭內部設有激勵線圈、U型錳鋅鐵氧體磁芯、底蓋和電路板組成，所述激勵線圈由纏繞在U型錳鋅鐵氧體磁芯橫梁上的若干圈漆包線組成，所述激勵線圈與信號發生器連接，所述底蓋為2mm厚的有機玻璃薄板，所述電路板豎直安裝在U型錳鋅鐵氧體磁芯兩個粧腿之間;所述電路板的一側面設有靈敏軸與底蓋平行且位于電路板底部的X方向GMR傳感器、X放大器和X濾波器，所述X方向GMR傳感器的輸出與X放大器的輸入連接，所述X放大器的輸出與X濾波器輸入連接，所述X濾波器的輸出與采集卡連接;所述電路板的另一側面設有靈敏軸與底蓋垂直且與X方向GMR傳感器檢測點重合的Z方向GMR傳感器、Z放大器和Z濾波器，所述Z方向GMR傳感器的輸出與Z放大器的輸入連接，所述Z放大器的輸出與Z濾波器輸入連接，所述Z濾波器的輸出與采集卡連接。
[0007]所述基于交流電磁場的缺陷高精度空間成像方法，主要包括以下步驟:
(1)信號發生器將頻率為6KHz幅值為IV的正弦交流信號加載至探頭內部的激勵線圈；
(2)激勵線圈產生的交變磁場在試件表面產生一定區域的均勾電場；
(3)計算機控制PLC發送一段脈沖序列，所述脈沖序列經過驅動器后驅動Z電機轉動，Z電機通過Z絲杠帶動緩沖裝置下移，緩沖裝置通過限位光軸帶動探頭下移，當探頭的底蓋與試件上表面接觸時，Z電機停止轉動；
(4)計算機控制PLC發送若干段的正轉脈沖序列，每段脈沖序列包含i個脈沖信號，所述正轉脈沖序列經過驅動器后驅動X電機間歇轉動，X電機每次轉動角度為360i/6400，轉動后停留時間為0.1秒，X電機通過X絲杠帶動X滑塊沿著X方向間歇式移動，X絲杠的螺距為λ，Χ電機帶動X滑塊移動的步長為λ?/6400，Χ滑塊移動完成后停止0.1秒，X滑塊重復間歇式移動，直至X滑塊移動至試件邊緣，X電機停止轉動，則X滑塊在PLC發送第m段脈沖序列后相對于原點的位置在X方向的位移信息為mAi/6400;
(5)計算機控制PLC發送一段脈沖序列，所述脈沖序列包含h個脈沖信號，所述脈沖序列經過驅動器后驅動Y電機轉動角度360h/6400后停止，Y絲杠的螺距為μ，則Y電機通過Y絲杠帶動Υ滑塊沿著Υ方向移動，Υ滑塊移動后的位置相對于原點在Υ方向偏移距離為yh/6400;
(6)計算機控制PLC發送若干段反轉脈沖序列，每段脈沖序列包含i個脈沖信號，所述脈沖序列經過驅動器后驅動X電機反向間歇轉動，X電機通過X絲杠帶動X滑塊沿著X反向間歇式移動，X電機帶動X滑塊反向移動的步長為λ?/6400，Χ滑塊反向移動完成后停止0.1秒，X滑塊重復反向間歇式移動，直至X滑塊移動至試件邊緣，X電機停止反向轉動，則X滑塊在PLC發送任意r段脈沖序列后的位置相對于原點的X方向位置信息為(m-r)Ai/6400;
(7)計算機控制PLC發送一段脈沖序列，所述脈沖序列包含h個脈沖信號，所述脈沖序列經過驅動器后驅動Y電機轉動角度360h/6400后停止;X電機和Y電機經過p次周期性轉動，通過X滑塊和Y滑塊帶動緩沖裝置及探頭在試件表面完成矩形方陣軌跡掃描；則Y滑塊相對于原點的位置信息為yhp/6400 ；
(8)激勵線圈在試件表面產生的均勻電場遇到缺陷會產生擾動，擾動電場引起空間磁場畸變，在X電機停止轉動的0.1秒時，計算機通過采集卡采集探頭內部的X方向GMR傳感器和Z方向GMR傳感器在該位置的磁場數值，該位置被稱為磁場信號采集點，當X電機繼續帶動X滑塊移動時，采集卡停止采集磁場數據；
(9)計算機通過X滑塊任意位置信息得到探頭內部X方向GMR傳感器和Z方向GMR傳感器檢測重合點相對于原點的在X方向的位置信息，通過Y滑塊沿著Y方向移動位置得到探頭內部X方向GMR傳感器和Z方向GMR傳感器檢測重合點在Y方向相對原點的位置信息；
(10)將信號發生器產生的正弦交流信號設為參考信號，利用計算機內部軟件對磁場信號采集點的X方向GMR傳感器檢測到的Bx信號強度或磁場信號采集點的Z方向GMR傳感器檢測到的Bz信號進行