一种基于远场涡流的飞机铆接结构缺陷自动检测装置的制作方法

本实用新型属于电磁无损检测技术领域，尤其是涉及飞机铆接结构缺陷检测的磁记忆自动检测装置。

背景技术：

由于特殊的工作环境，飞机机身铆接结构会承受巨大的应力，因此极易在其结构内部产生疲劳裂纹，从而给飞行安全带来严重的隐患。如何实现对铆接结构中缺陷的检测，是无损检测领域中面临的难点问题。

传统的无损检测技术难以从飞机结构外部检测到其内部缺陷，超声检测无法穿透多层结构，声发射技术检测信号易受干扰。基于gmr的无损检测方法精度高，但是仪器成本昂贵。

传统的涡流检测，包含脉冲涡流检测技术均不可避免地受到集肤效应的影响，限制了其对深层缺陷的检测能力。漏磁技术只用来检测铁磁性材料，难以检测飞机结构中的非磁性构件。

借鉴国内外相关学者的研究成果，通过给激励线圈加装屏蔽结构，从而有效阻碍了磁场直接耦合分量的传播，使得该探头实现了对铆接结构缺陷的远场检测效果，从而为飞机机身多层铆接结构缺陷的定量无损检测提供了新途径。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于实现将远程涡流技术和自动化技术的结合，提出一种飞机铆接结构自动化磁记忆检测装置的技术方案。实现一种基于远场涡流的飞机铆接结构缺陷自动检测装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于远场涡流的飞机铆接结构缺陷自动检测装置，它的组成包括：驱动模块1，方向模块2，舵机模块3，位置模块4，摄像模块5，上升机构6，多路开关7，单片机8，微处理器9，远距离通讯模块10，显示器11，信号调理电路12，远场涡流探头13，信号发生模块14，遥控器15，电源16。单片机8控制驱动模块1，方向模块2，舵机模块3，位置模块4，摄像模块5以及上升机构6，并与远距离通讯模块10连接，微处理器9是自动检测装置的控制核，与单片机8、信号调理电路12和显示器14连接，信号调理电路12与远场涡流探头13相连接，远场涡流探头13与信号发生模块14相连接，信号整个自动检测装置由遥控器15操作。

所述的远场涡流探头13的组成：屏蔽罩，激励线圈，检测线圈，铆接结构平板。

所述的激励线圈位于铆钉孔的正上方，激励线圈高度为6mm，厚度为2mm，内径为6mm，外径为8mm，匝数为200匝。

所述的检测线圈高度为2mm，厚度为1mm，内径为0.5mm，外径为1.5mm，匝数为800匝。

所述的长度为120mm，宽度为120mm，总厚度为4mm，被测材料为铝。

所述的激励线圈外加装屏蔽罩。

所述的屏蔽罩是由三层铁磁性屏蔽结构组成。

本实用新型的技术效果如下：

自动检测装置解决人工无法达到的测量区域的有效性。它在飞机检测系统中的应用，提高了飞机检测的效率，解决了飞机检测工作面临的高空、窄小场地无法检测的瓶颈，是飞机检测行业的一项重大突破。

远场涡流检测技术是一种新型的电磁无损检测技术，使得远场涡流探头实现了对铆接结构缺陷的远场检测效果，从而为飞机机身多层铆接结构缺陷的定量无损检测提供了新途径。

附图说明

图1是飞机铆接结构缺陷自动检测装置组成图。

图2远场涡流探头结构图。

图3信号调理电路图。

图4信号发生电路。

图中：1为驱动模块，2为方向模块，3为舵机模块，4为位置模块，5为摄像模块，6为上升机构，7为多路开关，8为单片机，9为微处理器，10为远距离通讯模块，11为显示器，12为信号调理电路，13为远场涡流探头，14为信号发生模块，15为遥控器，16为电源。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。

1.自动检测装置的整体结构

一种基于远场涡流的飞机铆接结构缺陷自动检测装置，它的组成包括：驱动模块1，方向模块2，舵机模块3，位置模块4，摄像模块5，上升机构6，多路开关7，单片机8，微处理器9，远距离通讯模块10，显示器11，信号调理电路12，远场涡流探头13，信号发生模块14，遥控器15，电源16。单片机8控制驱动模块1，方向模块2，舵机模块3，位置模块4，摄像模块5以及上升机构6，并与远距离通讯模块10连接，微处理器9是自动检测装置的控制核，与单片机8、信号调理电路12和显示器14连接，信号调理电路12与远场涡流探头13相连接，远场涡流探头13与信号发生模块14相连接，信号整个自动检测装置由遥控器(15)操作，如图1所示。

所述的远场涡流探头13的组成：屏蔽罩，激励线圈，检测线圈，铆接结构平板如图2所示。

所述的激励线圈位于铆钉孔的正上方，激励线圈高度为6mm，厚度为2mm，内径为6mm，外径为8mm，匝数为200匝。

所述的检测线圈高度为2mm，厚度为1mm，内径为0.5mm，外径为1.5mm，匝数为800匝。

所述的长度为120mm，宽度为120mm，总厚度为4mm，被测材料为铝。

所述的激励线圈外加装屏蔽罩。

所述的屏蔽罩是由三层铁磁性屏蔽结构组成。

2.远场涡流探头

(1)涡流探头

传统远场涡流传感器由激励和检测线圈构成，两者之间一般保持2至3倍管径的距离。激励线圈产生的信号可分为两个部分。一部分在管内传播，称为直接耦合分量，另一部分穿透管壁，受管壁的聚集作用，沿着管壁外侧向前传播，称为间接耦合分量。直接耦合分量受到管壁上感应涡流的衰减而迅速减小，间接耦合分量由于在空气中传播，衰减较慢。

在近场区，直接耦合分量强于间接耦合分量而穿出管外；在远场区，间接耦合分量强于直接耦合分量因而其再次穿透管壁向内传播，称为“二次穿透”现象。通过在远场区放置检测线圈，便可提取出间接耦合分量穿透管壁而带来的缺陷信息。

(2)信号调理电路优化设计

检测信号首先经过一个置于管内的屏蔽前置放大电路进行预放大，然后通过双绞线送至一个组合滤波器组(抗混叠带通滤波-max294低通滤波-状态重构带通滤波)，最终通过一个ad620主放大电路后送入如图3所示的正交锁定放大电路。

正交型lia和普通的lia不同，它需要两个相敏检波器。被测信号经过信号通道后，分别输入两个不同的相敏检波器，其中一个的参考信号为θ，另一个为θ+90°，信号经过低通滤波器后的输出分别为同相和正交输出。

(3)信号发生电路

远场涡流检测的激励电路按照功能可分为三个部分，即单片机电路、h桥的驱动电路和开关电路，以及高电压产生电路。其中，系统要求输出双端80v的正弦信号，该80v的高电压可以直接由现有dc-dc电源模块提供，它能将测井系统提供的+200v工作电压转换成+80v直流电压供给h桥电路，并在h桥的控制下输入激励线圈，所以下文就不再介绍高电压产生电路。

单片机pic16f876a结构简单，性能稳定，能够在高温下长时间正常工作。通过j2串口将编写完的程序烧写入单片机，该程序在接收到rc7引脚来自于控制模块的高电平信号后就开始工作，通过spwm波模块产生具有一定脉冲宽度的连续方波，然后再用频率为20hz的正弦波来调制pwm波信号的脉宽，这一系列具有正弦波规律变化等幅不等宽的矩形脉冲波形就被称为spwm波，并且可以等效成正弦波，通过rc0、rc1以及rc2引脚合成输出。

pic16f876a最小系统的设计包括了系统电源、时钟管理、jtag在线仿真、程序下载以及复位电路，具体设计如图4所示。

3.驱动模块

驱动模块为检测装置在飞机铆接结构内自动扫查提供动力，本系统的驱动装置采用两台直流电机。为了适应飞机铆接结构大范围扫查的需求，使检测装置实现轨迹的变化，要求两直流电机差速驱动实现检测装置灵活转向功能。两台直流电机通过pwm调速实现转速的宽范围调节，采用两驱动轮的速度差实现电机的转向控制。并采用两个光电编码器分别采集两驱动轮的转速，作为速度控制的反馈。

(1)驱动电机

合理电机的选择不但能够影响检测装置尺寸和结构的安排，而且对检测装置移动机构运动灵活性有关键的作用。驱动电机采用有较好调速性能的直流电机和步进电机。

直流电机具有较小的转动惯量，较好的控制特性，较快的响应速度，可以实现检测装置的灵敏性要求；具有比较宽的速度调节范围，可以满足检测装置快速性的要求；低速平稳性能好，能够满足移动机构的稳定性要求；机械特性硬，过载能力较强，可以满足检测装置载物要求。

步进电机能够直接实现数字控制，控制性能较好，能够快速地启动、制动和反转，还具有较强的抵抗干扰的能力，不会有角位移或线位移的累计误差。但启动频率过高，控制不当时则会产生共振，很难获得比较大的转动力矩，难以得到较高的转动速度，且一般无过载能力。

(2)驱动轮

驱动轮为检测装置提供驱动力。为了能够满足飞机铆接结构检测需求，驱动轮要有防腐蚀性能。检测装置的驱动模块为两台直流电机，为了使得检测装置结构紧凑，两台直流电机采用竖直放置的方式，直流电机经过减速器与检测装置的上面板通过螺栓连接固定，减速器的输出轴通过一对直齿圆锥齿轮传动，将动力传动给驱动轴，驱动轴带动驱动轮转动。选择铝合金作为驱动轮的材料，驱动轮的直径为96mm，宽度为25mm。由于检测装置主要依靠驱动的转速差实现转向，所以驱动轮会产生严重的磨损。为了减少驱动轮的磨损并避免驱动轮与飞机铆接结构之间产生打滑现象，在两个驱动轮的外圆上分别套了一圈2mm厚的橡胶，增大了驱动轮与底板之间的摩擦力。

4.位置模块

位置模块是检测装置的关键部分之一，是为了确定缺陷在飞机铆接结构上的准确位置。设计的定位装置由编码器和激光距离传感器组成，从而可以确定缺陷在飞机铆接结构上的二维位置。工作原理为：在对飞机铆接结构进行检测过程中，驱动轮带动光电编码器同步转动，当漏磁检测探头相对应飞机铆接结构每移动一个采样间隔时，脉冲编码器会产生一个ttl电脉冲，则触发数据采集模块，所有24个通道采集一次。采样次数乘以一个采样间隔内检测装置行驶的距离即为它的纵向坐标。激光测距传感器可以测得缺陷到参照物的距离，从而可以确定它的横向坐标。

5.上升机构

上升机构主要包括：丝杆电机、支架、支撑杆与磁化装置。检测装置升降模块中支架与丝杆电机顶帽螺栓固定，支撑杆与检测装置通过螺栓连接，而支撑杆与支架螺栓紧固。当经过焊缝时，丝杆电机正转，带动检测装置上升，通过焊缝后丝杆电机反转使检测装置下降到所要求位置。

6.方向模块

由于本装置采用激光定位方式，所以采用两个夹角可调的激光测距传感器进行方向检测，能够测得检测装置偏离规划路径的方向，并能够及时作出调整。通过激光测距传感器测得检测装置到参照物之间的距离，配合编码器采集的信息，可以获得检测装置在飞机铆接结构的位置。选用skd系统激光距离传感器，具有测量精确、快速、距离远、非接触等显著的优点，并且在飞机铆接结构上，激光的亮度超过周围环境的亮度，也可增加测程。

本装置中采用rs232串口数据输出方式。mc9s12xs128单片机有两个增强型串行通信口，串口的rs-232驱动电路能够实现ttl电平和rs-232之间电平的转变，所以单片机和激光测距传感器能够方便地进行串口通信。采用一款rs232标准芯片max232进行电平转换，该芯片包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供tla/ela-232-f电平。每一个接收器将tla/ela-232-f电平转换成5vttl/cmos电平，从而将激光测距传感器测得的信号发送给单片机，其接口电路如图3所示。

7.舵机模块

自动检测装置在飞机铆接结构上行驶时所得到的信息要始源于ccd传感器。ccd即电荷耦合元件，能把光学影像转化为数字信号。从ccd传感器得到的数字信号经过lm1881视频同步分离芯片进行同步分离，获得所需的视频图像信号。从lm1881得到的分离后的信号也不能直接反映飞机铆接结构的信息。

8.摄像模块

飞机铆接结构识别：采用ccd传感器。

ccd是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等-系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。电荷耦合器件(ccd)是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体器件。

随着ccd技术和理论的不断发展，ccd技术应用的广度与深度必将越来越大。ccd是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

9.单片机

选用8位单片机。

单片机(microcontrollers)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。8位单片机，发展到现在的300m的高速单片机。

在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。

10.微处理器

微处理器选择dsp芯片。

dsp芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的dsp指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

根据dsp芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的dsp芯片称为定点dsp芯片，如ti公司的tms320c1x/c2x、tms320c2xx/c5x、tms320c54x/c62xx系列，ad公司的adsp21xx系列，at&t公司的dsp16/16a，motolora公司的mc56000等。以浮点格式工作的称为浮点dsp芯片，如ti公司的tms320c3x/c4x/c8x，ad公司的adsp21xxx系列，at&t公司的dsp32/32c，motolora公司的mc96002等。

11.电源模块

由于检测装置是移动的，所以采用便携式电池为整个检测装置提供可靠的工作电压。目前，常用的可充电电池有：镍镉电池、镍氢电池、锂电池和铅酸电池等几类。综合考虑各种电池的优缺点，并结合控制模块设计方案需求分析整个装置的供电需求，包括电机、驱动器、传感器等，大概需要8a左右的电流。考虑到电池的性能、电流、重量等多方面因素，选用24v，10a的锂电池作为动力源。

在整个检测系统中，电路模块不同的地方所需要提供的工作电压各不相同，两个直流电机需要直接使用24v电源供电，推拉式电磁铁需要24v电压，电机驱动器需要24v电压，单片机系统需要5v电压，激光测距传感器和旋转编码器工作电压为5v。

12.遥控装置

在遥控发射电路中，有两种电路，即编码器和38khz载波信号发生器。在不需要多路控制的应用电路中，可以使用常规集成电路组成路数不多的红外遥控发射和接收电路，该电路无需使用较复杂的专用编译码器，因此制作容易。