基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种成像系统及方法，特别涉及一种基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法。
【背景技术】
[0002]交流电磁场检测技术利用激励线圈在工件表面激励出均匀电场，电场遇到缺陷后发生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，畸变磁场包含缺陷尺寸信息。由于具有非接触测量、无需标定、定量识别等优点，交流电磁场检测技术已经广泛用于石油化工、交通运输、核电等领域的无损检测。传统交流电磁场检测技术采用平面特征信号来识别缺陷，不能精确、直观地读取缺陷的形状和尺寸信息。本发明基于交流电磁场检测技术，借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷磁场信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对现有技术不足，基于交流电磁场检测技术，借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷磁场信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
[0004]—种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成;所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器的细分数为32，所述驱动器分别与X电机、γ电机和Z电机连接，所述X电机、Y电机和Z电机均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机安装在X导轨端部，所述X导轨安装在两根支撑柱顶端，所述支撑柱安装在底座一侧，所述X电机与X丝杠同轴连接，所述X丝杠与安装在X导轨上的X滑块的内螺纹孔配合;所述Y电机安装在Y导轨端部，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Y电机与Y丝杠同轴连接，所述Y丝杠与安装在Y导轨上的Y滑块的内螺纹孔配合，所述Y电机的信号线通过X坦克链与驱动器连接，所述X坦克链伴随X滑块移动;所述Z电机安装在Z导轨顶端，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述Z电机与Z丝杠同轴连接，所述Z丝杠与安装在Z导轨上的Z滑块的内螺纹孔配合，所述Z电机的信号线通过Y坦克链与驱动器连接，所述Y坦克链伴随Y滑块移动;所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述夹具依靠螺纹安装在缓冲装置的限位光轴底端，所述探头安装在夹具上且由螺钉固紧;所述试件为设有缺陷的导电性材料，所述试件放置于底座上;所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。
[0005]所述缓冲装置包括限位光轴、顶盖、弹簧、Z坦克链、与限位光轴配合的直线轴承，所述直线轴承安装在缓冲装置的内孔，所述顶盖安装在限位光轴的顶端，所述顶盖下端面与直线轴承的顶端接触，所述顶盖的上端面与安装在缓冲装置内孔顶部且处于压缩状态的弹簧接触，所述限位光轴在直线轴承配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴底部设有外螺纹，所述Z坦克链与缓冲装置连接。
[0006]所述探头内部设有激励线圈、U型锰锌铁氧体磁芯、底盖和电路板组成，所述激励线圈由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈与信号发生器连接，所述底盖为2mm厚的有机玻璃薄板，所述电路板竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯两个粧腿之间;所述电路板的一侧面设有灵敏轴与底盖平行且位于电路板底部的X方向GMR传感器、X放大器和X滤波器，所述X方向GMR传感器的输出与X放大器的输入连接，所述X放大器的输出与X滤波器输入连接，所述X滤波器的输出与采集卡连接;所述电路板的另一侧面设有灵敏轴与底盖垂直且与X方向GMR传感器检测点重合的Z方向GMR传感器、Z放大器和Z滤波器，所述Z方向GMR传感器的输出与Z放大器的输入连接，所述Z放大器的输出与Z滤波器输入连接，所述Z滤波器的输出与采集卡连接。
[0007]所述基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像方法，主要包括以下步骤:
(1)信号发生器将频率为6KHz幅值为IV的正弦交流信号加载至探头内部的激励线圈；
(2)激励线圈产生的交变磁场在试件表面产生一定区域的均勾电场；
(3)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动，Z电机通过Z丝杠带动缓冲装置下移，缓冲装置通过限位光轴带动探头下移，当探头的底盖与试件上表面接触时，Z电机停止转动；
(4)计算机控制PLC发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器后驱动X电机间歇转动，X电机每次转动角度为360i/6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X方向间歇式移动，X丝杠的螺距为λ，Χ电机带动X滑块移动的步长为λ?/6400，Χ滑块移动完成后停止0.1秒，X滑块重复间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止转动，则X滑块在PLC发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400;
(5)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止，Y丝杠的螺距为μ，则Y电机通过Y丝杠带动Υ滑块沿着Υ方向移动，Υ滑块移动后的位置相对于原点在Υ方向偏移距离为yh/6400;
(6)计算机控制PLC发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动X电机反向间歇转动，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X反向间歇式移动，X电机带动X滑块反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块反向移动完成后停止0.1秒，X滑块重复反向间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止反向转动，则X滑块在PLC发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r)Ai/6400;
(7)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止;X电机和Y电机经过p次周期性转动，通过X滑块和Y滑块带动缓冲装置及探头在试件表面完成矩形方阵轨迹扫描；则Y滑块相对于原点的位置信息为yhp/6400 ；
(8)激励线圈在试件表面产生的均匀电场遇到缺陷会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机停止转动的0.1秒时，计算机通过采集卡采集探头内部的X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点，当X电机继续带动X滑块移动时，采集卡停止采集磁场数据；
(9)计算机通过X滑块任意位置信息得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块沿着Y方向移动位置得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点在Y方向相对原点的位置信息；
(10)将信号发生器产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机内部软件对磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号进行