专利名称：一种用于进行金属缺陷检测的涡流检测装置及其涡流探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料缺陷无损检测传感器结构及相应检测电路。
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，从而导致感应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。常规涡流检测，感应线圈在检测过程中有原始的感应电压信号输出，为扩大信号检测动态范围，提高检测灵敏度，一般采用差动探头结构。在对金属进行缺陷检测时，差动探头的两个线圈需置于完全相同的电磁环境中，才可使涡流探头的初始电压信号为零，这在实际检测中，有时较难实现。微扰检测技术一般采用较大的激励线圈及两个结构相同的小感应线圈组成。两个感应线圈平行放置，均垂直于激励线圈，两个感应线圈位置完全对等。这种微扰结构可以使放置于金属块上的涡流传感器在下方金属不存在缺陷时，两个小感应线圈差动输出信号近乎为零，这种检测结构的优点在于对缺陷非常敏感，可对极微小的缺陷进行检测。涡流探伤中，一般只能在一个能明显切断感应涡流流经路径的方向进行缺陷的有效检测，同时一般采用单个探头进行检测，这些都在一定程度上制约着涡流检测系统的检测效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于进行金属缺陷检测的涡流检测装置及其涡流探头，以克服现有技术的全部或部分缺陷。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:
本发明用于进行金属缺陷检测的涡流探头包括一个以上正交组合探头，每个正交组合探头包括一个激励线圈和两个感应线圈，所述两个感应线圈的几何中心重合，所述两个感应线圈的中心横截面均经过激励线圈的几何中心，激励线圈以及两个感应线圈的中心横截面两两垂直。进一步地，本发明所述正交组合探头为两个以上，所有正交组合探头的激励线圈的中心横截面在同一个平面上，且所有激励线圈的几何中心在同一直线上。本发明含有上述涡流探头的涡流检测装置包括控制器、信号发生电路、滤波及放大电路、相敏检波电路、信号采集卡、上位机、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关和所述涡流探头，控制器分别与信号发生电路、滤波及放大电路、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关连接，滤波及放大电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接，相敏检波电路的输出端与信号采集卡连接，信号采集卡与上位机连接，信号发生电路与第一高速模拟开关连接，滤波及放大电路与第二高速模拟开关连接；所述涡流探头中的每个激励线圈与第一高速模拟开关连接，涡流探头中的每个感应线圈与第二高速模拟开关连接。进一步地，本发明所述信号发生电路为正弦信号发生电路。进一步地，本发明涡流检测装置还包括机械扫描装置，涡流探头固定于所述机械扫描装置上。进一步地，本发明所述控制器为单片机。进一步地，本发明所述第一高速模拟开关的输出电流为100毫安以上。与现有技术相比，本发明的优点是:
(I)绝对式基于微扰原理的探头结构，可以测量极微小的金属表面缺陷。(2)两个正交感应线圈可实现二维平面纵横两个方向相同精度的缺陷检测。(3)阵列探头大大提高了缺陷检测效率，对各个探头分时激励，减小了探头间的干扰，简化了后续硬件处理电路。(4)采用了可通大电流的高速模拟开关芯片，保证了激励场的强度和系统检测精度。(5)本发明具有较高的检测灵敏度和检测速度。
图1是本发明涡流探头的激励线圈上方磁场分布图(磁力线扩张时刻)；
图2是涡流激励线圈上方磁场分布图(磁力线收缩时刻)；
图3是涡流激励线圈上方某一时刻磁场分布俯视 图4是本发明的一种仅含有单个正交组合探头的涡流探头的结构示意 图5是本发明的一种含有两个以上正交组合探头的涡流探头的结构示意 图6是两种涡流探头的工作方式比较示意图，其中，(a)含有单个正交组合探头，(b)含有多个正交组合探头；
图7是本发明的一种涡流检测装置的结构框 图8是本发明的第一高速模拟开关的一种电路 图9是本发明的第二高速模拟开关的一种电路图。
具体实施例方式 本发明的一种涡流探头的结构如图4所示。其中，2为激励线圈，5、6分别为感应线圈。图4所示的涡流探头包括一个正交组合探头,该正交组合探头包括一个激励线圈2、感应线圈5和感应线圈6。其中，感应线圈5和感应线圈6的几何中心重合，感应线圈5和感应线圈6的中心横截面均经过激励线圈2的几何中心，激励线圈2、感应线圈5和感应线圈6三者的中心横截面两两垂直。本发明的涡流探头可以将两个感应线圈5、6置于激励线圈2的内部(如图4所示),也可以如图5所示将两个感应线圈5、6置于激励线圈2的外部。在不破坏场的对称性的前提下，激励线圈2可以采用圆柱型同轴线圈，感应线圈5、6可以为矩形线圈。当涡流探头由多个结构相同的正交组合式探头并排在一起构成阵列探头时(如图5所示)，所有正交组合探头的激励线圈2的中心横截面在同一个平面7上，并且，所有激励线圈2的几何中心在同一直线上。在进行涡流检测时，含有单个正交组合探头的涡流探头和含有多个正交组合探头的阵列涡流探头的扫描方式分别如图6 (a)、图6 (b)所示。其中，阵列涡流探头为多个结构完全一致的正交组合探头组成的线阵，采用阵列涡流探头进行探伤可大大提闻检测效率。本发明的一种涡流检测装置的结构如图7所示，它包括控制器、信号发生电路、滤波及放大电路、相敏检波电路、信号采集卡、上位机、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关和本发明的涡流探头。其中，控制器分别与信号发生电路、滤波及放大电路、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关连接，滤波及放大电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接，相敏检波电路的输出端与信号采集卡连接，信号采集卡与上位机连接，信号发生电路与第一高速模拟开关连接，滤波及放大电路与第二高速模拟开关连接；所述涡流探头中的每个激励线圈2与第一高速模拟开关连接，涡流探头中的每个感应线圈与第二高速模拟开关连接。其中，信号发生电路可以使用正弦信号发生电路，例如使用dds (数字式频率合成器)芯片。控制器可以使用单片机。在单片机控制下，dds (数字式频率合成器)芯片产生正弦激励信号送往第一高速模拟开关芯片的输入端口，正弦激励信号在单片机控制下依次激励阵列探头中的各个正交组合探头的激励线圈，正交组合探头中各感应线圈的涡流感应信号通过第二高速模拟开关芯片依次进入滤波及放大电路进行处理，而后通过相敏检波电路将涡流感应信号由交流信号转为与感应线圈阻抗对应的模拟直流信号，经信号采集卡后送往上位机进行显示和处理。使用本发明对导体进行涡流探伤时，为提高检测精确度，可配置机械扫描装置，涡流探头固定在机械扫描装置上，上位机装有机械扫描装置的运动控制卡，通过上位机对机械扫描装置进行运动控制。上位机可选用Iabview软件进行涡流感应信号的采集、显示和后处理。将涡流探头置于被测导体的上方，在Iabview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，即可使涡流探头按照要求扫描被测导体，通过信号采集卡采集的相敏检波电路的直流输出信号变化趋势，获得被测金属材料的缺陷信息。
如图8、图9所示，在本发明涡流检测装置中，第一高速模拟开关可选用ADG1414芯片，第二高速模拟开关可选用CD4052BCM芯片。以下以线阵式涡流探头为例进一步说明本发明。在本实施例中，线阵式涡流探头共由8个结构完全一致的正交组合探头组成，因此该涡流探头共有八个激励线圈和16个感应线圈。如图5所示，所有正交组合探头的其中一个感应线圈的放置方式相同且它们的中心横截面相互平行，所有正交组合探头的另一个感应线圈的放置方式相同且它们的中心横截面重合。单片机通过控制第一高速模拟开关依次激励涡流探头中的各个激励线圈，通过控制第二高速模拟开关依次采集涡流探头中的各个感应线圈的信号。涡流探头中，每个激励线圈的一端接第一高速模拟开关，另一端接地；每个感应线圈的两端都接第二高速模拟开关。因此，使用涡流探头检测时，可用一片ADG1414芯片依次激励涡流探头中的8个激励线圈，用4片CD4052BCM芯片依次采集16个感应线圈的涡流感应信号。其中，第一片⑶4052BCM芯片接第I至第4感应线圈，第二片⑶4052BCM芯片接第5至第8感应线圈，第三片⑶4052BCM芯片接第9至第12感应线圈，第四片⑶4052BCM芯片接第13至第16感应线圈。参见图5，第I至第8感应线圈分别对应地为第一至第八正交组合探头的一个感应线圈，且第I至第8感应线圈的中心横截面相互平行；第9至第16感应线圈亦分别对应地为第一至第八正交组合探头的另一个感应线圈，且第9至第17感应线圈的中心横截面相互重合。以下结合图8和图9进行具体的说明。参见图8，ADG1414芯片的第I管脚、第3管脚、第23管脚、第24管脚分别与单片机的相关控制口连接。ADG1414芯片的第2管脚接正5v电源，第21管脚接负5v电源，第4管脚接数字地，第22管脚通过电阻Rl接至正5v电源 ADG1414芯片的第5管脚、第7管脚、第9管脚、第11管脚、第14管脚、第16管脚、第18管脚、第20管脚接分别接信号发生电路以获取激励信号；ADG1414芯片的第6管脚、第8管脚、第10管脚、第12管脚、第13管脚、第15管脚、第17管脚、第19管脚分别接第I至第8激励线圈的一端。第I至第8激励线圈的另一端均接地。参见图9，每个⑶4052BCM芯片的第6管脚、第10管脚、第9管脚分别与单片机的相关控制口连接。每个⑶4052BCM芯片的第8管脚接数字地，第16管脚接+5V电源，第7管脚接-5V电源。每个⑶4052BCM芯片的第12管脚、第14管脚、第15管脚、第11管脚分别依次连接至对应的四个感应线圈的一端，四个感应线圈的另一端则分别与同一个⑶4052BCM芯片的第I管脚、第5管脚、第2管脚、第4管脚连接，⑶4052BCM的第3管脚、第13管脚接滤波及放大电路输入端。利用本发明涡流探头对金属板进行检测时，通正弦激励信号的各激励线圈产生的磁场在空间不同位置、方向和大小各异，并均随时间而改变。激励线圈上方的空间磁场在磁力线扩张和收缩时刻的分布如图1、图2所示。图1中，I为被测金属板，2为激励线圈，3为激励线圈正上方的一定体积的空间区域，4为激励线圈产生的磁场在空间区域3中某一时刻的分布。在磁力线扩张时刻，激励线圈2上方俯视时的空间磁场分布情况如图3所示，磁场以激励线圈2的圆心为中心对称分布。这种对称性无论在磁力线扩张时还是在收缩磁力线时刻(即任何时刻)均成立。使用本发明涡流探头检测时，激励线圈产生的场分布与图1、图2中的场分布是类似的。如果使两个感应线圈5和6的几何中心重合，两个感应线圈
5、6的中心横截面均经过激励线圈2的几何中心并且激励线圈2、两个感应线圈5、6的中心横截面两两垂直，则因磁场对圆心的对称性，将使垂直通过两个感应线圈5、6的净磁力线均近乎为零。在进行涡流探伤时，缺陷的存在引起涡流的改变从而导致感应线圈中磁通发生改变，由于场分布的对称性，在无缺陷时，感应线圈中磁通量很小，近乎为零，因此扫描缺陷时，很小的磁通量改变也将被灵敏地检测到。综上，在本发明的涡流检测装置中，涡流探头信号的激励和采集均由单片机用模拟开关进行控制。激励线圈与感应线圈相互垂直的微扰式结构极大地提高了检测灵敏度，同时两个感应线圈的正交组合的放置方式可以实现二维平面纵、横两个方向相同精度的缺陷检测，同时采集的两个垂直方位的缺陷检测信息，辅以现代信息处理技术，可以对导体中缺陷形状和分布做出更多更合理的推断，模拟开关芯片的应用大大降低了检测电路硬件成本，阵列技术的应用极大地提高了检测效率，使大面积金属快速缺陷涡流检测成为可能。
权利要求
1.一种用于进行金属缺陷检测的涡流探头，其特征在于:包括一个以上正交组合探头，每个正交组合探头包括一个激励线圈和两个感应线圈，所述两个感应线圈的几何中心重合，所述两个感应线圈的中心横截面均经过激励线圈的几何中心，激励线圈以及两个感应线圈的中心横截面两两垂直。
2.根据权利要求1所述的用于进行金属缺陷检测的涡流探头，其特征在于:所述正交组合探头为两个以上，所有正交组合探头的激励线圈的中心横截面在同一个平面上，且所有激励线圈的几何中心在同一直线上。
3.一种含有权利要求1或2的涡流探头的涡流检测装置，其特征在于:包括控制器、信号发生电路、滤波及放大电路、相敏检波电路、信号采集卡、上位机、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关和所述涡流探头，控制器分别与信号发生电路、滤波及放大电路、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关连接，滤波及放大电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接，相敏检波电路的输出端与信号采集卡连接，信号采集卡与上位机连接，信号发生电路与第一高速模拟开关连接，滤波及放大电路与第二高速模拟开关连接；所述涡流探头中的每个激励线圈与第一高速模拟开关连接，涡流探头中的每个感应线圈与第二高速模拟开关连接。
4.根据权利要求3所述的涡流检测装置，其特征在于:所述信号发生电路为正弦信号发生电路。
5.根据权利要求3或4所述的涡流检测装置，其特征在于:还包括机械扫描装置，涡流探头固定于所述机械扫描装置上。
6.根据权利要求3或4所述的涡流检测装置，其特征在于:所述控制器为单片机。
7.根据权利要求3或4所述的涡流检测装置，其特征在于:所述第一高速模拟开关的输出电流为100晕安以上。
8.根据权利要求6所述的涡流检测装置，其特征在于:还包括机械扫描装置，所述涡流探头固定于所述机械扫描装置上。
9.根据权利要求8所述的涡流检测装置，其特征在于:所述第一高速模拟开关的输出电流为100晕安以上。
全文摘要
本发明公开一种用于进行金属缺陷检测的涡流检测装置及其涡流探头。涡流探头包括一个以上正交组合探头，每个正交组合探头包括一个激励线圈和两个感应线圈，两个感应线圈的几何中心重合，两个感应线圈的中心横截面均经过激励线圈的几何中心，激励线圈以及两个感应线圈的中心横截面两两垂直。若正交组合探头为两个以上，则所有正交组合探头的激励线圈的中心横截面在同一个平面上，且所有激励线圈的几何中心在同一直线上。涡流检测装置包括控制器、信号发生电路、滤波及放大电路、相敏检波电路、信号采集卡、上位机、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关和所述涡流探头。本发明具有较高的检测灵敏度和检测速度。
文档编号G01N27/90GK103196996SQ201310133460
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者陈佩华, 黄平捷, 李国厚, 周泽魁 申请人:浙江大学