CN106596713A - 一种高信噪比的无损检测探头*** - Google Patents

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Abstract

一种高信噪比的无损检测探头***，包括正弦波发生模块、功率放大模块、无损检测电涡流探头、信号调理模块和数据采集处理模块，所述无损检测电涡流探头包括线圈和位于线圈底部的巨磁电阻传感芯片，所述线圈包括激励线圈和位于激励线圈内部的消除线圈，消除线圈与激励线圈为同轴线圈且串联；所述激励线圈的一端连接功率放大模块的输出端，另一端与消除线圈的一端相连，消除线圈的另一端接地，巨磁电阻传感芯片的输出端连接信号调理模块的输入端。本发明通过对探头结构及相应***电路的改进，大大提高了信噪比，提高了探头探测的灵敏度，使其可用于航空航天等重要领域的多层导电结构里层和深层缺陷的无损检测与评估。

Description

一种高信噪比的无损检测探头***
技术领域
本发明涉及一种具有高信噪比的无损检测探头***。
背景技术
电涡流检测技术是无损检测技术的一种，它可以实现对材料及工件实施检测时不对试件本身产生损害或不影响其未来使用功能，具有检测成本低、检测速度快等优点，目前在航空航天、飞机轮船汽车等建造工业领域已被广泛应用于关键部件的检测及故障诊断。
航空航天等行业对安全性要求极高，为了减少事故发生，必须及时检测关键***、关键零部件的疲劳裂纹，尤其是隐藏在多层导电结构深层的以及位于零部件、铆钉孔边缘的疲劳裂纹和腐蚀等。由于趋附效应的限制，在检测某一试件时，缺陷越深，检测***的工作频率越低，导致探头输出信号的变化率也越小；缺陷越靠近边缘和铆钉孔，边缘效应对探头输出信号影响越大。然而快速准确的识别及定量化检测多层或者较厚导电结构深层缺陷、导电结构边缘及铆钉孔边缘缺陷是航空航天、核电等领域的关键部件检测中经常遇到的问题，因此，电涡流检测技术在深层缺陷以及边缘缺陷检测方面的应用仍然是一项挑战性课题。
为了解决深层缺陷和边缘缺陷检测的难题，需要研制高灵敏度的电涡流探头。要检测深层缺陷，必须降低激励频率以增加渗透深度；常规式电涡流探头采用线圈或者霍尔传感器芯片等作为磁场传感器，采用线圈作为磁场传感器，其灵敏度与磁场的变化率成正比，降低激励频率的同时也降低了电涡流探头的灵敏度，而采用霍尔传感器虽然具有成本低、应用广泛的优点，但其灵敏度较低、偏移大、温度稳定性低。近年来，基于巨磁电阻效应(巨磁电阻效应是指在有外加磁场作用时相比无外加磁场作用有些特定结构的磁性材料的电阻率存在巨大变化的现象)原理制作的磁场传感器--巨磁电阻(Giantmagnetoresistance,GMR)芯片，因其具有灵敏度高、损耗低、尺寸小等优点，在电涡流无损检测技术领域日益受到重视。与线圈式电涡流探头不同的是，巨磁电阻电涡流探头采用灵敏度很高的巨磁电阻芯片作为磁场传感器，它直接测量磁场大小，灵敏度与磁场的交变频率无关，在很宽的频率范围(DC到几MHz)内具有很高的灵敏度，且灵敏度几乎不变，因此巨磁电阻电涡流探头特别适用于多层导电结构深层缺陷检测。
为了解决多层导电结构深层缺陷和边缘缺陷检测的问题，需要设计一种高灵敏度的巨磁电阻涡流探头，通常提高灵敏度的方法是选用灵敏度更高的测量磁场的传感器或者改变电涡流探头的相关结构。目前，灵敏度优于GMR的有AMR(各向异性磁阻传感器)和超导量子干涉(SQUID)仪，AMR灵敏度比较高，响应快，但其可测量磁场范围小，抗干扰能力差；而基于超导量子干涉原理的磁场传感器虽然灵敏度非常高，但是其结构复杂，体积庞大且价格昂贵，目前多用于医疗及磁性材料研究领域。目前，电涡流探头的结构通常是一个单一的激励线圈，由于巨磁电阻芯片在感应涡流场的同时也会对通入交流电后的激励线圈产生的激励场作出感应，而此时的激励场是作为一种干扰信号存在，为了检测结果的准确性，需要尽可能地将干扰信号降到最低。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种高信噪比的无损检测探头***。本发明通过对探头结构及相应***电路的改进，大大提高了信噪比，提高了探头探测的灵敏度，使其可用于航空航天等重要领域的多层导电结构里层和深层缺陷的无损检测与评估。
本发明的技术方案如下：
一种高信噪比的无损检测探头***，如图1所示，包括正弦波发生模块、功率放大模块、无损检测电涡流探头、信号调理模块和数据采集处理模块，所述无损检测电涡流探头包括线圈和位于线圈底部的巨磁电阻传感芯片，所述线圈包括激励线圈和位于激励线圈内部的消除线圈，消除线圈与激励线圈为同轴线圈且串联；所述激励线圈的一端连接功率放大模块的输出端，另一端与消除线圈的一端相连，消除线圈的另一端接地，巨磁电阻传感芯片的输出端连接信号调理模块的输入端；
正弦波发生模块产生一定幅值和频率的正弦波，经过功率放大模块以提高电路的驱动能力，然后传输至无损检测电涡流探头，探头用于检测待测金属是否存在缺陷，探头输出的信号微弱，需经过信号调理模块处理后再输入数据采集处理模块进行分析和处理。
进一步地，所述激励线圈的匝数为500～1500，消除线圈的匝数为100～300。
进一步地，所述激励线圈和消除线圈均由直径为0.19～0.45mm的漆包线绕制而成，其线圈骨架为圆柱形。
进一步地，所述施加在激励线圈和消除线圈两端的交流电频率为500～1500Hz。
进一步地，所述信号调理模块包括放大电路、滤波电路、锁相放大电路和低通滤波电路。
进一步地，所述放大电路的原理图如图3所示，其中：放大芯片的第1引脚接滑动变阻器R3的一端，滑动变阻器R3的另一端接放大芯片的第8引脚，放大芯片的第2、3引脚分别接探头的差分输出，放大芯片的第7引脚接第一极性电容C1的正端、第二电容C2的一端以及正向芯片电源，第一极性电容C1的负端和第二电容的另一端分别各自接地，放大芯片的第4引脚接第三电容C3的一端、第四极性电容C4的负端和负向芯片电源，第三电容C3的另一端和第四极性电容C4的正端分别各自接地，放大芯片的第5引脚接第一电阻R1和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端接正向芯片电源，第二电阻R2的另一端接地，第一电阻和第二电阻串联提供一个参考电压，便于后期示波器上幅值的观察，放大芯片的第6引脚输出放大信号，通过滤波电路后输出给锁相放大电路的输入端。
进一步地，所述锁相放大电路的原理图如图4所示，其中，锁相放大器芯片的第1引脚接上一级滤波电路的输出信号，第3引脚接正弦波发生模块的输出信号，第2、4引脚接地，第5引脚接负向芯片电源和第六电容C6的一端，第7引脚输出信号，经低通滤波器后连接到数据采集模块的输入端，第8引脚接正向芯片电源和第五电容C5的一端，锁相放大器芯片的第6引脚、第五电容C5和第六电容C6的另一端分别各自接地。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的高信噪比的无损检测探头***中无损检测电涡流探头中除了现有的激励线圈外，还增加了一个消除线圈，可有效减小巨磁电阻处的激励场，降低干扰，进而获得较高的信噪比。
2、本发明高信噪比的无损检测探头***中采用巨磁电阻作为金属缺陷探测元件，大大提高了探头的灵敏度和分辨率，特别是在低频(<100Hz)工作范围。
3、本发明高信噪比的无损检测探头***在信号调理模块的放大电路中加入滑动变阻器以调节放大倍数，并引入参考电压便于后续示波器上幅值的观察。
4、本发明高信噪比的无损检测探头***在信号调理模块中引入锁相放大电路对探测信号进行处理，将探测信号的幅值信息提取出来便于分析判断金属缺陷的有无。
附图说明
图1是本发明高信噪比的无损检测探头***的结构示意图；
图2是本发明高信噪比的无损检测探头***中电涡流探头的结构示意图；
图3是本发明高信噪比的无损检测探头***中放大电路的原理图；
图4是本发明高信噪比的无损检测探头***中锁相放大电路的原理图；
图5是现有的仅采用激励线圈的探头在检测无(左)、有(右)缺陷试件时表面磁感应强度分布对比图；
图6是本发明(与图5对比加入了消除线圈)实施例提供的探头在检测无(左)、有(右)缺陷试件时表面磁感应强度分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
如图1所示，为本发明提供的高信噪比的无损检测探头***的结构示意图；包括正弦波发生模块、功率放大模块、无损检测电涡流探头、信号调理模块和数据采集处理模块，所述正弦波发生模块与功率放大模块的输入端相连，功率放大模块的输出端与无损检测电涡流探头的输入端相连，电涡流探头的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与数据采集处理模块相连。
进一步地，所述无损检测电涡流探头包括线圈和位于线圈底部的巨磁电阻传感芯片，其工作原理为：由无损检测原理可知，当被检测的金属物体放置在交变电流产生的交变磁场(即激励场)中，根据法拉利电磁感应基本原理，被测金属物体中会产生电涡流，进而产生涡流场，而金属的缺陷会使涡流场发生变化，巨磁电阻传感器则是通过探测这一变化来反映物体的缺陷情况。由于激励场会对探头在探测涡流场信号时产生干扰，本发明无损检测电涡流探头中除了常规的激励线圈外，还增加了一个消除线圈，消除线圈与激励线圈串联并放置在巨磁电阻芯片的正上方，当激励线圈中通入交变电流时，消除线圈激发产生的磁场与激励场相反，这就减小了激励场对涡流场的干扰，从而提高了信噪比。通过有限元软件Maxwell仿真，即可印证上述结论。
进一步地，如图2所示，为本发明高信噪比的无损检测探头***中电涡流探头的结构示意图；该探头包括线圈和巨磁电阻传感芯片(AAH002-02)两部分，所述线圈包括激励线圈和消除线圈，消除线圈位于激励线圈内部且与激励线圈串联，消除线圈位于巨磁电阻传感芯片正上方，由于线圈的匝数、骨架形状、漆包线直径以及交流电的频率会对检测结果有影响，实施例经过反复试验选取激励线圈匝数为1000，消除线圈匝数为200，漆包线直径0.23mm，交流电频率为1000Hz，骨架形状为圆柱状。激励线圈由圆柱状塑料骨架和直径为0.23mm的漆包线绕制而成，消除线圈与激励线圈为同轴线圈且串联，由漆包线绕成直径小于线圈骨架直径的圆柱状嵌套在塑料骨架内部使其刚好位于PCB板上巨磁电阻传感芯片的正上方，激励线圈的一端接功率放大模块的输出端，激励线圈的另一端与消除线圈的一端相连，消除线圈的另一端接地，巨磁电阻传感芯片的输出端连接信号调理模块的输入端。PCB板上主要是由巨磁电阻传感芯片和相关元件构成的传感电路，其焊接的排针用于探头和***电路的连接，印制电路板和线圈是可拆卸的，便于前期调试和后期异常情况的排查。
进一步地，所述信号调理模块包括放大电路、滤波电路、锁相放大电路和低通滤波器。
如图3所示，为放大电路的原理图，其中，放大芯片的第1引脚接阻值为50K的滑动变阻器R3的一端，滑动变阻器R3的另一端接放大芯片的第8引脚，放大芯片的第2、3引脚分别接探头的差分输出，放大芯片的第7引脚接阻值为10μF的第一极性电容C1的正端、阻值为0.1μF的第二电容C2的一端以及+5V，第一极性电容C1的负端和第二电容的另一端分别各自接地，放大芯片的第4引脚接阻值为0.1μF的第三电容C3的一端、阻值为10μF的第四极性电容C4的负端和-5V，第三电容C3的另一端和第四极性电容C4的正端分别各自接地，放大芯片的第5引脚接阻值为1K的第一电阻R1和阻值为1K的第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端接+5V，第二电阻R2的另一端接地，第一电阻和第二电阻串联提供一个参考电压，便于后期示波器上幅值的观察，放大芯片的第6引脚输出放大信号，通过滤波电路后输出给锁相放大电路的输入端。
更进一步地，本发明放大电路以模拟放大芯片AD620为核心，由于探头探测的信号非常微弱，需经过放大后再进行下一步处理，AD620的放大增益计算公式如下：
式中，G为放大增益，R3为一滑动变阻器，通过修改其阻值来改变放大增益，同时为了便于显示和观察，芯片的第5引脚所接的两个电阻通过分压提供一个参考电压。
如图4所示，为锁相放大电路的原理图，其中，锁相放大器芯片的第1引脚接上一级滤波电路的输出信号，锁相放大器芯片的第3引脚接正弦波发生模块的输出信号，锁相放大器芯片的第2、4引脚接地，锁相放大器芯片的第5引脚接-15V和阻值为0.1μF的第六电容C6的一端，锁相放大器芯片的第7引脚输出信号，经过低通滤波器后连接到数据采集模块的输入端，锁相放大器芯片的第8引脚接+15V和阻值为0.1μF的第五电容C5的一端，锁相放大器芯片的第6引脚、第五电容C5和第六电容C6的另一端分别各自接地。
更进一步地，本发明锁相放大电路以乘法芯片AD633为核心，主要用于将检测信号的幅值和相位信息提取出来；其工作原理为：
设模拟乘法器的检测信号e1和基准信号e2分别为：
e1＝Asin(2πf1+φ1)，e2＝Bsin(2πf2+φ2)
其中，A、f1、φ1分别为e1的幅值、频率和初相，B、f2、φ2分别为e2的幅值、频率和初相，两信号e1、e2通过乘法器后，由两者的乘积得到输出信号e：
再经过低通滤波器后输出为一差频分量。①当e1＝e2时，则相位相同，此时是一个包含幅值信息的信号；②当e1、e2相位不同时，锁相放大电路的输出e＝ABcos(φ1-φ2)/2，是一个包含幅值信息和相位信息的信号。因此，通过使用两个不同的基准信号和检测信号做锁相放大，就可实现对缺陷信号幅值和相位信息的提取。
图5是仅采用激励线圈的探头在检测无(左)、有(右)缺陷试件时表面磁感应强度分布对比图；图6是本发明(与图5对比仅加入了消除线圈)实施例提供的探头在检测无(左)、有(右)缺陷试件时表面磁感应强度分布对比图。根据图5和图6对比巨磁电阻传感芯片位置处的磁感应强度大小分布可知：本发明中加入额外的消除线圈可有效减小激励场对涡流场的干扰，从而提高信噪比。

Claims (6)

1.一种高信噪比的无损检测探头***，包括正弦波发生模块、功率放大模块、无损检测电涡流探头、信号调理模块和数据采集处理模块，所述无损检测电涡流探头包括线圈和位于线圈底部的巨磁电阻传感芯片，所述线圈包括激励线圈和位于激励线圈内部的消除线圈，消除线圈与激励线圈为同轴线圈且串联；所述激励线圈的一端连接功率放大模块的输出端，另一端与消除线圈的一端相连，消除线圈的另一端接地，巨磁电阻传感芯片的输出端连接信号调理模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的高信噪比的无损检测探头***，其特征在于，所述激励线圈的匝数为500～1500，消除线圈的匝数为100～300。
3.根据权利要求1所述的高信噪比的无损检测探头***，其特征在于，所述激励线圈和消除线圈均由直径为0.19～0.45mm的漆包线绕制而成，其线圈骨架为圆柱状。
4.根据权利要求1所述的高信噪比的无损检测探头***，其特征在于，施加在所述激励线圈和消除线圈两端的交流电频率为500～1500Hz。
5.根据权利要求1所述的高信噪比的无损检测探头***，其特征在于，所述信号调理模块包括放大电路、滤波电路、锁相放大电路和低通滤波电路；放大电路中放大芯片的第1引脚接滑动变阻器R3的一端，滑动变阻器R3的另一端接放大芯片的第8引脚，放大芯片的第2、3引脚分别接探头的差分输出，放大芯片的第7引脚接第一极性电容C1的正端、第二电容C2的一端以及正向芯片电源，第一极性电容C1的负端和第二电容的另一端分别各自接地，放大芯片的第4引脚接第三电容C3的一端、第四极性电容C4的负端和负向芯片电源，第三电容C3的另一端和第四极性电容C4的正端分别各自接地，放大芯片的第5引脚接第一电阻R1和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端接正向芯片电源，第二电阻R2的另一端接地，放大芯片的第6引脚输出放大信号。
6.根据权利要求5所述的高信噪比的无损检测探头***，其特征在于，所述锁相放大电路中锁相放大器芯片的第1引脚接上一级滤波电路的输出信号，第3引脚接正弦波发生模块的输出信号，第2、4引脚接地，第5引脚接负向芯片电源和第六电容C6的一端，第7引脚输出信号，经低通滤波器后连接到数据采集模块的输入端，第8引脚接正向芯片电源和第五电容C5的一端，锁相放大器芯片的第6引脚、第五电容C5和第六电容C6的另一端分别各自接地。
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