一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁学无损检测领域，具体的说，是一种对通电材料表面的磁场进行扫描式检测，进而分析待测样件内部结构情况的检测系统。
【背景技术】
[0002]随着机械制造业的不断发展，金属材料无论在工业应用还是特种应用中都得到了淋漓尽致的体现，越来越复杂、越来越高精密的结构得到广泛的应用。这种高精密、高复杂度的机械结构在国家工业发展，甚至国民经济的发展中占有举足轻重的作用。然而随着一些机械部件等服役时间的增加，其表面或内部难免会出现一定的安全隐患。
[0003]近几年快速发展起来的无损检测技术使得这一问题得以解决。无损检测是采用一种或多种激励方式在待测构件中产生出可以探测到的信息，由检测单元拾取这一信息，获得无损检测的信号，进而得出待测构件内部结构的测量方法。磁法无损检测是目前主要的无损检测方法之一。
[0004]目前使用磁法进行无损检测的方法主要有两种:1)磁粉探伤，是通过磁粉在缺陷附近漏磁场中的堆积以检测铁磁性材料表面或近表面处缺陷的一种无损检测方法；2)涡流检测，是把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应涡流存在，进而根据涡流磁场信息判定导体性质、状态的检测方法；3)通电磁扫描检测，是通过给待测构件两端通一稳恒电流，根据毕奥-萨法尔定律可知其表面会产生一定的磁场，通过对该通电导体表面磁场信息的扫描检测进而探测其内部结构的无损检测方法。
[0005]磁粉探伤需要将钢铁等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布来显示被探测物件表面缺陷和近表面缺陷。该探伤方法的特点是显示直观，但需要对待测构件进行磁化，耗时长、需要额外配置磁化设备，且该检测方法灵敏度偏低，只能检测出比较大尺寸的裂纹缺陷。涡流检测，把待测构件置于交变磁场之中，对构件进行激励，进而拾取激励涡流的磁场信息，从而判断待测构件的结构信息。该检测方法检测灵敏度相对较高，可在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁(包括管壁)等进行检测，但检测系统需要额外配置激励线圈对待测样件进行激励，根据不同的待测样件还需要选择不同的激励信号，对检测深度与检测灵敏度是相互矛盾的，对一种材料进行涡流检测时，须根据材质、表面状态、检验标准作综合考虑，然后再确定检测方案与技术参数等。
[0006]对于导电结构的表面缺陷检测，目前多采用检测通电导体表面磁场分布情况的方法。该方法需要在待测构件表面移动霍尔传感器，获得相应位置处的磁场值，通过磁场信息绘制磁场分布云图，进而直观的判断待测构件的结构完整性等情况。整个过程需要不断的移动霍尔传感器，且需要保证传感器测量信息与相应位置信息的一致性，由于人为移动的不确定性，就会造成在移动的过程中传感器所采集磁场信息与相应位置信息的不一致，从而导致所采集的磁场信息无效。这样对霍尔传感器的动态采集过程提出了更高的要求，在检测过程中需要连续采集确定位置处的磁场信息，并保证该磁场信息与最终绘制磁场云图上的位置对应一致，手动的扫描采集方法便带来了较大的测量误差。
【发明内容】
[0007]为了解决上述问题，本发明提出一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，其具有高精度、高可靠性、高自动化程度的特点。
[0008]本发明一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统，包括三维机械平台、传感器模块、恒流源、下位机、电机驱动板、上位机与电源模块。
[0009]所述三维机械平台包括三维机械运动滑台、样件台和光学平台；三维机械运动滑台与样件台均安装在光学平台上。传感器模块包括两个霍尔传感器与和差分放大器；两个霍尔传感器分别作为参考传感器与检测传感器安装传感器支架上下位置，且通过传感器安装架安装在三维机械运动滑块，由三维机械运动滑台中X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机控制实现空间X、Y、Z三轴位置调节。上述参考传感器仅用于检测环境背景磁场噪声，而检测传感器则直接在待测构件的表面进行磁场检测，检测被测通电构件表面的实际磁场大小和环境背景磁场噪声。
[0010]差分放大器用来将检测传感器检测到的待测构件表面实际磁场和环境背景磁场噪声的耦合信号与参考传感器检测到的环境背景磁场噪声信号进行差分放大；恒流源与待测构件相连，用于为待测构件供电。
[0011]下位机用来采集传感器模块输出的经差分放大后的磁场信号，并进行A/D转换后发送至上位机；同时，上位机发送的控制命令输出电机驱动板所需的脉冲信号和方向信号，通过电机驱动板将方向信号和脉冲信号转换成相应的相位控制指令，分别控制X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机工作。下位机通过RS232串口完成与上位机的通信，接受上位机发送的控制命令；上位机用来实现三维机械运动滑台的运动控制参数设定，同时接收下位机采集的经差分放大后的磁场信号，并对接受到的各个步进电机的运动位置信号进行保存和处理，绘制待测构件表面磁场分布的云图。所述电源模块用于为下位机、差分放大电器与电机驱动板供电。
[0012]针对上述一种基于霍尔传感器的平面磁场扫描成像系统的扫描成像方法，通过下述步骤完成:
[0013]步骤1:系统启动；
[0014]开启电源模块，并启动下位机与上位机。
[0015]步骤2:将恒流源与待测样件两端连接，向待测样件上施加激励电流，随后将待测构件固定安装在样件台上。
[0016]步骤3:确定扫描区域；
[0017]a、确定扫描零点；
[0018]通过控制三维机械运动滑台单步运动来定位检测传感器的初始测量位置。
[0019]b、确定扫描终点；
[0020]确定检测传感器的探头运动过程中所要完成的扫描点个数，进而确定检测传感器的终止测量位置。
[0021]步骤4:调节探测传感器与待测构件8间的垂直距离，根据待测构件8的材料属性和所通电流大小，结合其表面磁场强度的大小，使得传感器检测端能够充分采集到待测构件上表面的磁场信息，参考端不受待测构件表面磁场的影响。
[0022]步骤5:开始扫描式检测；
[0023]在上位机中设定相关设置参数，包括根据待测构件尺寸大小来设定三维机械运动滑台X、Y、Z三个方向上的运动速度、扫描间距和扫描点个数，由上位机发送至下位机后，控制三维机械运动滑台带着检测传感器按照设定的参数检测扫描区域内各扫描点的磁场信息。
[0024]步骤6:记录并保存数据。
[0025]下位机将检测传感器的点阵式扫描位置信息传递到上位机，同时将与位置信息相对应的磁场信息传递给上位机；上位机接到相对应的位置信息和磁场信息后完成数据的记录并对数据进行保存。
[0026]步骤7:数据处理并绘制磁场云图；
[0027]当扫描区域磁场检测完毕后，上位机对保存的位置信息和磁场信息进行数据处理，并进行云图绘制。
[0028]本发明的优点在于:
[0029]1、本发明平面磁场扫描成像系统以三轴机械运动平台为传感器运动载体，通过上位机对下位控制器的运动控制，使得传感器能够在待测构件的表面完成准确的、快速的平面扫描式检测，另外上下位机的数据通信和运动平台的控制信息保证了扫描平面内磁场信息与相对应的位置信息的一致性，使得最终的检测结果更加准确、全面；
[0030]2、本发明平面磁场扫描成