CN102879462A - 一种金属缺陷涡流检测装置及其探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混频技术的金属缺陷涡流检测装置及其探头结构。该装置结合常规涡流和低频远场涡流两种技术，可实现较宽范围的金属材料缺陷的一次性全面检测?该装置在探头中施加高低频两种激励信号，高频信号采用常规涡流检测方式，低频信号采用远场涡流检测方式?探头采用差动结构，由两组线圈组组成，两组线圈组呈镜像对称排列。每组线圈组由轴心相距一定距离的大线圈和小线圈组成，两者依远场原理放置。探头中的大线圈通以低频正弦信号，小线圈通以高频正弦信号，小线圈作为检测线圈，接收高低频信号。该装置可在较大范围内同时准确获得板状金属材料上下表面或管状金属材料内外壁缺陷信息。

Description

一种金属缺陷涡流检测装置及其探头

技术领域

本发明涉及混频技术，以及一种金属材料缺陷无损检测装置及相关探头结构。

背景技术

     金属材料的缺陷检测在军工领域具有重要意义?根据电磁感应原理，载有交流电的线圈会在靠近它的金属材料中感应出涡流，感应的涡流反过来会影响检测线圈周围原有的磁场分布，从而导致检测线圈的测量阻抗发生变化?涡流携带了金属材料的厚度，缺陷、电导率等信息，通过测量因涡流引起的线圈阻抗变化可推知金属材料的相关物理参数，如是否存在缺陷等。

     传统的涡流检测装置因设备简单、使用方便、没有污染，在金属材料缺陷检测方面具有较大优势，但受限于涡流的趋肤效应，一般只适于金属材料表面及近表面的测量；用于金属管道检测的远场涡流没有趋肤效应的限制，可以相同的灵敏度检测管内外壁的缺陷，但较难准确判别缺陷所在位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属缺陷涡流检测装置及其探头，从而克服现有技术的部分或全部缺陷。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

本发明用于进行金属缺陷涡流检测的探头由两个线圈组组成，每一个线圈组由一个大线圈和一个小线圈组成，每一个线圈组内的大线圈和小线圈依远场方式布置，所述两个线圈组呈镜像排列；在每一个线圈组中，大线圈与低频激励信号连接，小线圈与高频激励信号连接且用于检测高频信号和低频信号。

    本发明含有上述探头的金属缺陷涡流检测装置还包括单片机控制器、高频正弦信号发生电路及其90度移相电路、低频正弦信号发生电路及其90度移相电路、通讯模块、功率放大电路、仪表放大电路、分频滤波电路、第一相敏检波电路、第二相敏检波电路、放大电路和上位机；所述单片机控制器与高频正弦信号发生电路、低频正弦信号发生电路、通讯模块分别连接，高频正弦信号发生电路、低频正弦信号发生电路分别与功率放大电路连接，所述探头与功率放大电路、仪表放大电路分别连接，分频滤波电路与仪表放大电路、第一相敏检波电路、第二相敏检波电路分别连接，高频正弦信号发生电路、低频正弦信号发生电路分别与各自的90度移相电路连接，所述高频正弦信号发生电路及其90度移相电路分别与所述第一相敏检波电路连接， 所述低频正弦信号发生电路及其90度移相电路分别与第二相敏检波电路连接，所述第一相敏检波电路、第二相敏检波电路、通讯模块分别与放大电路连接，所述通讯模块与上位机连接。

进一步地，本发明金属缺陷涡流检测装置还包括机械扫描装置，所述上位机与机械扫描装置的运动控制卡连接，所述探头固定在机械扫描装置上。 

     进一步地，本发明金属缺陷涡流检测装置的各所述90度移相电路包含OP37芯片、第一电阻R7、第二电阻R8、第三电阻R6、第一电容C9、第二电容C10、第三电容C11、第十四电容C7和第十五电容C8，所述OP37芯片的第1管脚和第2管脚相连，OP37芯片的第1管脚和第2管脚均与第一电阻R7和第二电阻R8的一端相连，第一电阻R7的另一端与OP37芯片的第6管脚连接，第二电阻R8的另一端与OP37芯片的第5管脚连接，且OP37芯片的第5管脚通过第三电容C11接地，OP37芯片的第6管脚与第三电阻R6的一端连接，第三电阻R6的另一端与OP37芯片的第7管脚连接，OP37芯片的第8管脚分别通过第十四电容C7、第十五电容C8接地，且OP37芯片的第8管脚接正12v电源，OP37芯片的第4管脚接负12v电源，且OP37芯片的第4管脚分别通过第一电容C9、第二电容C10接地，OP37芯片的第3管脚接输入信号。

     进一步地，本发明金属缺陷涡流检测装置的所述第一相敏检波电路和第二相敏检波电路均由两个相敏检波电路构成，各所述相敏检波电路包括AD734AQ芯片和OP37芯片，所述AD734AQ芯片的第1管脚连接所采集的电压信号VOLSIG，AD734AQ芯片的第2管脚、第3管脚、第4管脚、第5管脚、第7管脚、第10管脚分别接地， AD734AQ芯片的第6管脚接输入信号，AD734AQ芯片的第8管脚接负12v电源，且AD734AQ芯片的第8管脚分别通过第四电容C24、第五电容C25接地，AD734AQ芯片的第14管脚连接正12v电源，且AD734AQ芯片的第14管脚分别通过第六电容C16、第七电容C18接地，AD734AQ芯片的第11管脚与第12管脚连接，且AD734AQ芯片的第11管脚和第12管脚共接第四电阻R17的一端；所述OP37芯片的第1管脚与第五电阻R15的一端、第八电容C20的一端分别连接，第五电阻R15的另一端与OP37芯片的第2管脚连接，且OP37芯片的第2管脚通过第六电阻R16接地，OP37芯片的第3管脚通过第九电容C21接地，且OP37芯片的第3管脚接第七电阻R18的一端，第七电阻R18的另一端分别接所述第四电阻R17的另一端和所述第八电容C20的另一端，OP37芯片的第4管脚接负12v电源，且OP37芯片的第4管脚分别通过第十电容C22、第十一电容C23接地，OP37芯片的第8管脚接正12v电源，且OP37芯片的第8管脚分别通过第十二电容C17、第十三电容C19接地?

     与现有技术相比，本发明的优点是： 

     1.高频正弦信号高达数兆赫兹，可据此准确计算金属板材上层或金属管材            内壁与探头的距离；

         2.低频信号采用远场涡流方式，克服了趋肤效应的限制，增大了缺陷测量范  围，将其拓宽应用于板状金属材料检测中；

     3.采用高低混频技术，综合高低频检测信号，可快速准确获得较大范围内金属材料的缺陷信息；

          4.采用DDS集成芯片产生正弦信号，所需信号的频率、幅值、及持续时间更改方便，采用高性能乘法芯片及高带宽运放芯片提高了电路性能；

5.本发明装置可将远场低频涡流结构也应用于板状金属材料，同时结合传统涡流，可实现较大范围的板状或管状金属材料缺陷检测?

6.本发明检测装置对其探头进行混频激励，综合了常规涡流和远场涡流技术，可同时获得较大范围内板状金属材料的上、下表面以及管状金属材料的内、外壁的缺陷信息。

附图说明

    图1 是本发明高频采用自感方式工作的探头结构示意图；

图2 是本发明金属缺陷涡流检测装置的结构示意图；

图3是本发明的一种实施方式的高频正弦信号发生电路图；

图4 是本发明的一种实施方式的90度移相电路图；

图5是本发明的一种实施方式的相敏检波电路图。

具体实施方式  

       本发明采用了混频涡流检测技术，对探头施加高、低频两种正弦激励信号，高频信号采用常规涡流检测方式，低频信号采用远场涡流检测方式?

本发明为提高信号动态范围，其探头采用差动探头结构。本发明探头的具体结构如图1所示，它由两个线圈组组成，两个线圈组呈镜像排列；每一个线圈组由轴心相距一定距离的一个大线圈和一个小线圈组成且每一个线圈组内的大线圈和小线圈依远场方式布置；在每一个线圈组中，大线圈通以低频正弦信号，小线圈通以高频正弦信号，小线圈作为信号的检测线圈，接收高、低频信号?图1中，高频采用自感方式检测，因此高频的激励小线圈与检测小线圈是同一线圈。

如图2所示，利用本发明的探头进行金属缺陷涡流检测装置主要包括探头、单片机控制器、高频信号发生电路及其90度移相电路、低频信号发生电路及其90度移相电路、通讯模块、功率放大电路、仪表放大电路、分频滤波电路、第一相敏检波电路Ⅰ、第二相敏检波电路Ⅱ、放大电路和上位机。其中，单片机控制器与高频信号发生电路、低频信号发生电路、通讯模块分别连接，高频信号发生电路、低频信号发生电路分别与功率放大电路连接，探头与功率放大电路、仪表放大电路分别连接，分频滤波电路与仪表放大电路、第一相敏检波电路Ⅰ、第二相敏检波电路Ⅱ分别连接，高频信号发生电路、低频信号发生电路分别与各自的90度移相电路连接，高频信号发生电路及其90度移相电路分别与所述第一相敏检波电路Ⅰ连接，低频信号发生电路及其90度移相电路分别与第二相敏检波电路Ⅱ连接，第一相敏检波电路Ⅰ、第二相敏检波电路Ⅱ、串口通讯模块分别与放大电路连接，通讯模块与上位机连接。

相对普通运放，仪表运放采用差分输入方式，抑制共模干扰，可提高检测精度。相对普通运放，功率放大电路可以提高信号带负载能力，输出较大电流，增加激励磁场和感应磁场的强度。上位机通过运动控制卡对机械扫描装置进行相应运动方式（例如，何时启停、运动速度、方向、加速度等）的控制。

使用本发明金属缺陷涡流检测装置对板状金属材料进行检测时，为提高检测精确度，可配置机械扫描装置，将探头固定在机械扫描装置上；上位机与机械扫描装置的运动控制卡（即扫描控制器）连接。

本发明中，高频正弦信号发生电路和低频正弦信号发生电路产生的信号均为正弦信号。如图3所示，作为本发明的一种实施方式，高频正弦信号发生电路以AD9832芯片为核心构成。其中，AD9832的第1管脚通过电阻R1接模拟地，AD9832的第2管脚、第3管脚通过电容 C3接模拟地，AD9832的第4管脚通过零欧电阻接正3.3v电源，AD9832的第5管脚接数字地，AD9832的第7管脚、第8管脚、第9管脚分别与单片机控制器的相关控制口连接，AD9832的第10管脚、第11管脚、第12管脚接数字地，AD9832的第13管脚接模拟地，AD9832的第14管脚通过电阻R3与模拟地连接，AD9832的第15管脚与正3.3v电源、电容C1的一脚连接，AD9832的第16管脚通过电容C2与正3.3v电源、电容C1的一端连接，电容C1的另一管脚接模拟地，AD9832的第6管脚与有源时钟的第3管脚连接，有源时钟的第4管脚接正3.3v电源，并通过电容C5接地，有源时钟的第2管脚接数字地，有源时钟的第1管脚悬空?

高频正弦信号发生电路和低频正弦信号发生电路中的集成芯片AD9832 由单片机控制器控制产生高频、低频两路正弦波，两路信号隔直后进行功率放大驱动探头?在DDS1、DDS2信号发生电路中均加90度移相电路，从而产生与激励信号正交的高低频信号?

如图4所示，与高频正弦信号发生电路连接的90度移相电路以芯片OP37为核心构成?OP37芯片的第1管脚和第2管脚相连，OP37芯片的第1管脚和第2管脚与第一电阻R7、第二电阻R8的一端相连，第一电阻R7的另一端与OP37芯片的第6管脚连接，第二电阻R8的另一端与OP37芯片的第5管脚连接，且OP37芯片的第5管脚通过第三电容C11接地，OP37芯片的第6管脚与第三电阻R6的一端连接，第三电阻R6的另一端与OP37芯片的第7管脚连接，OP37芯片的第8管脚分别通过第十四电容C7、第十五电容C8接地，且OP37芯片的第8管脚接正12v电源，OP37芯片的第4管脚接负12v电源，且OP37芯片的第4管脚分别通过第一电容C9、第二电容C10接地，OP37芯片的第3管脚接输入信号。

高频正弦信号产生电路及其90度移相电路的结构分别如图3、图4所示?低频正弦信号发生电路及其90度移相电路与高频正弦信号产生电路及其90度移相电路基本相同，区别在于移相电路的电容取值不同?

激励信号经功率放大后驱动探头。本发明的功率放大电路可采用甲乙类推挽放大电路?

探头的输出信号经仪表放大电路及分频频滤波电路后分别与功率放大前的同频激励信号及与其90度正交信号送入两路相敏检波器进行乘法运算?

由于探头输出信号的有效成分为与参考信号同频率的正弦信号，二者乘积的差频部分为直流信号?而噪声与参考信号没有相关性将被相敏检波器充分抑制?相敏检波技术是一种具有强抗干扰能力的微弱信号提取技术，可极大地提高***信噪比?

第一相敏检波电路Ⅰ和第二相敏检波电路Ⅱ均由两个相敏检波电路单元构成，分别对高、低频信号进行处理。四个相敏检波电路单元的构成相同，均如图5所示。如图5所示，各相敏检波电路单元由乘法器和低通滤波器组成，乘法器和低通滤波器分别以AD734AQ芯片和OP37芯片为核心?其中，AD734AQ芯片的第1管脚接所采集的电压信号VOLSIG，AD734AQ芯片的第2管脚、第7管脚、第10管脚分别接地，AD734AQ芯片的第3管脚、第4管脚、第5管脚亦分别接地， AD734AQ芯片的第6管脚接参考信号SIGNAL，AD734AQ芯片的第8管脚接负12v电源，且AD734AQ芯片的第8管脚分别通过第四电容C24、第五电容C25接地，AD734AQ芯片的第14管脚接正12v电源，且AD734AQ芯片的第14管脚分别通过第六电容C16、第七电容C18接地，AD734AQ芯片的第11管脚与第12管脚连接，且AD734AQ芯片的第11管脚和第12管脚共接第四电阻R17的一端。OP37芯片的第1管脚与第五电阻R15的一端、第八电容C20的一端分别连接，第五电阻R15的另一端与OP37芯片的第2管脚连接，且OP37芯片的第2管脚通过第六电阻R16接地，OP37芯片的第3管脚通过第九电容C21接地，且OP37芯片的第3管脚接第七电阻R18的一端，第七电阻R18的另一端分别接第四电阻R17的另一端和第八电容C20的另一端，OP37芯片的第4管脚接负12v电源，且OP37芯片的第4管脚分别通过第十电容C22、第十一电容C23接地，OP37芯片的第8管脚接正12v电源，且OP37芯片的第8管脚分别通过第十二电容C17、第十三电容C19接地?

第一相敏检波电路Ⅰ和第二相敏检波电路Ⅱ中的相敏检波电路单元的区别在于AD734AQ芯片的第1管脚所接电压信号VOLSIG和第6管脚所接参考信号SIGNAL不同。第一相敏检波电路Ⅰ中的两片AD734AQ芯片的第1管脚所接电压信号均为高频检测电压信号，第二相敏检波电路Ⅱ中的两片AD734AQ芯片第1管脚所接电压信号均为低频检测电压信号。第一相敏检波电路Ⅰ中的两片AD734AQ芯片的第6管脚分别接高频信号和高频90度移相信号，第二相敏检波电路Ⅱ中的两片AD734AQ芯片的第6管脚分别接低频信号和低频90度移相信号。

本发明金属缺陷涡流检测装置基于混频技术的，利用图1所示的探头对金属缺陷进行检测，低频采用远场涡流检测方式，高频采用常规涡流检测方式，综合了远场涡流及常规涡流检测技术。 

高频检测时，本发明金属缺陷涡流检测装置利用提离效应检测金属板上层表面或管内壁的缺陷情况，电路的测量频率可高达数兆赫兹，在此频率段附近，由于趋肤效应，绝大多数金属材料中感应的涡流将几乎完全趋于材料表面，因此可极大地抑制因金属材料厚度不同或不同金属材料电导率相异而引起的信号差异，较准确获得探头离金属板上表面或管内壁的距离?

低频检测时，激励线圈（即大线圈）和检测线圈（即小线圈）的距离通常为金属管材内径的2-3倍（当被测试件为管材时），或为金属板材厚度的2-3倍（当被测试件为板材时）?激励线圈产生的电磁场穿过板状金属的上表面或管状金属的管内壁向外扩散，在远场区穿过板状金属的下表面或管状金属的管外壁向内扩散，被检测线圈接收?检测线圈接收到的信号的幅度和相位与金属材料厚度有关，若存在缺陷，则信号将发生改变，据此判断金属材料的厚度变化情况，因通过高频信号可获得金属板上表面或管内壁的平整度信息，加之低频检测信号可较完整地得到金属板上下表面或管内外壁的缺陷情况?采用混频技术，拓宽了常规涡流金属材料缺陷的可检测范围，并可一次性得到较完整的缺陷信息?

上位机装有labview编写的涡流检测软件，可选用labview软件进行数据控制、采集和显示?将探头置于被测试件（如导体金属）的上方，在上位机的labview程序中设置机械扫描装置的扫描速度和激励频率，启动扫描控制器后，可使探头按照要求扫描被测试件?

单片机控制器控制AD9832芯片产生高低频激励信号经功率放大后送往探头，探头随机械装置运动，在扫描被测试件过程中，采集的涡流高低频检测信号所携带的被测试件的相关信息，将其送往仪表放大器放大并滤波后连同高频信号、低频信号及各自90度移相信号分别送往第一相敏检波电路Ⅰ和第二相敏检波电路Ⅱ中的乘法器芯片的相应输入管脚。

相敏检波电路中的低通滤波器得到的两路直流信号与乘法器的两路输入信号（即检测信号和同频参考信号）的各自幅值及其信号间的相位差的正余弦有关?由于参考信号的幅值已知，由得到的两路直流信号可方便求得检测信号的幅值和相位。通过第一相敏检波电路Ⅰ和第二相敏检波电路Ⅱ这两路相敏检波电路可分别获得探头的高、低频检测信号的幅值和相位信息。上位机中的labview程序对采集的涡流检测信号进行必要的滤波处理后，根据高、低频涡流检测信号的幅值和相位信息得出被测金属材料的缺陷信息?

Claims (5)

1.一种用于进行金属缺陷涡流检测的探头，其特征在于：它由两个线圈组组成，每一个线圈组由一个大线圈和一个小线圈组成，每一个线圈组内的大线圈和小线圈依远场方式布置，所述两个线圈组呈镜像排列；在每一个线圈组中，大线圈与低频激励信号连接，小线圈与高频激励信号连接且用于检测高频信号和低频信号。

2.一种含有权利要求1的探头的金属缺陷涡流检测装置，其特征在于：还包括单片机控制器、高频正弦信号发生电路及其90度移相电路、低频正弦信号发生电路及其90度移相电路、通讯模块、功率放大电路、仪表放大电路、分频滤波电路、第一相敏检波电路、第二相敏检波电路、放大电路和上位机；所述单片机控制器与高频正弦信号发生电路、低频正弦信号发生电路、通讯模块分别连接，高频正弦信号发生电路、低频正弦信号发生电路分别与功率放大电路连接，所述探头与功率放大电路、仪表放大电路分别连接，分频滤波电路与仪表放大电路、第一相敏检波电路、第二相敏检波电路分别连接，高频正弦信号发生电路、低频正弦信号发生电路分别与各自的90度移相电路连接，所述高频正弦信号发生电路及其90度移相电路分别与所述第一相敏检波电路连接， 所述低频正弦信号发生电路及其90度移相电路分别与第二相敏检波电路连接，所述第一相敏检波电路、第二相敏检波电路、通讯模块分别与放大电路连接，所述通讯模块与上位机连接。

3.根据权利要求2所述的金属缺陷涡流检测装置，其特征在于：还包括机械扫描装置，所述上位机与机械扫描装置的运动控制卡连接，所述探头固定在机械扫描装置上。

4.根据权利要求2或3所述的金属缺陷涡流检测装置，其特征在于：各所述90度移相电路包含OP37芯片、第一电阻R7、第二电阻R8、第三电阻R6、第一电容C9、第二电容C10、第三电容C11、第十四电容C7和第十五电容C8，所述OP37芯片的第1管脚和第2管脚相连，OP37芯片的第1管脚和第2管脚均与第一电阻R7和第二电阻R8的一端相连，第一电阻R7的另一端与OP37芯片的第6管脚连接，第二电阻R8的另一端与OP37芯片的第5管脚连接，且OP37芯片的第5管脚通过第三电容C11接地，OP37芯片的第6管脚与第三电阻R6的一端连接，第三电阻R6的另一端与OP37芯片的第7管脚连接，OP37芯片的第8管脚分别通过第十四电容C7、第十五电容C8接地，且OP37芯片的第8管脚接正12v电源，OP37芯片的第4管脚接负12v电源，且OP37芯片的第4管脚分别通过第一电容C9、第二电容C10接地，OP37芯片的第3管脚接输入信号。

5.根据权利要求2或3所述的金属缺陷涡流检测装置，其特征在于：所述第一相敏检波电路和第二相敏检波电路均由两个相敏检波电路构成，各所述相敏检波电路包括AD734AQ芯片和OP37芯片，所述AD734AQ芯片的第1管脚连接所采集的电压信号VOLSIG，AD734AQ芯片的第2管脚、第3管脚、第4管脚、第5管脚、第7管脚、第10管脚分别接地， AD734AQ芯片的第6管脚接输入信号，AD734AQ芯片的第8管脚接负12v电源，且AD734AQ芯片的第8管脚分别通过第四电容C24、第五电容C25接地，AD734AQ芯片的第14管脚连接正12v电源，且AD734AQ芯片的第14管脚分别通过第六电容C16、第七电容C18接地，AD734AQ芯片的第11管脚与第12管脚连接，且AD734AQ芯片的第11管脚和第12管脚共接第四电阻R17的一端；所述OP37芯片的第1管脚与第五电阻R15的一端、第八电容C20的一端分别连接，第五电阻R15的另一端与OP37芯片的第2管脚连接，且OP37芯片的第2管脚通过第六电阻R16接地，OP37芯片的第3管脚通过第九电容C21接地，且OP37芯片的第3管脚接第七电阻R18的一端，第七电阻R18的另一端分别接所述第四电阻R17的另一端和所述第八电容C20的另一端，OP37芯片的第4管脚接负12v电源，且OP37芯片的第4管脚分别通过第十电容C22、第十一电容C23接地，OP37芯片的第8管脚接正12v电源，且OP37芯片的第8管脚分别通过第十二电容C17、第十三电容C19接地?

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