专利名称：一种脉冲电涡流测厚仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种金属材料脉冲电涡流测厚仪。
背景技术：
在许多重要的工业应用中，常常遇到金属材料厚度测量的问题。例如，核反应燃料棒包覆层，飞机机翼厚度以及化工容器的厚度等。上世纪50年代厚度测量技术仅处于研究阶段，然而经过几十年的研究与发展，厚度测量技术得到广泛推广与应用。目前，国内使用的传统金属材料厚度测量方法都有其一定的缺陷1、人工卡尺测量是指由工人用千分尺手工完成厚度测量，虽然使用方便，维修简单和价格低廉，但是它影响生产速度，生产效率不高。2、机械式测量是指采用机械接触式的方法进行测量，虽然使用方便，测量精度较高，但在被测金属高速运动情况下，传感器与被测金属之间长时间接触会造成传感器的磨损，从而影响测量精度，严重时还会划伤金属表面而降低产品的质量。3、射线法测量是指通过射线源产生射线，当穿过被测物时，部分的射线被物质中的金属元素所吸收即射线的部分能量被材料吸收，射线的强度随着透过物质的厚度变化而衰减，利用这一原理测量板材厚度。射线法虽然响应快，精度高，但是X射线测厚法和Y射线测厚法都有放射线辐射的危险并且工作电压高，存在着严重的射线源防护问题，操作复杂，价格昂贵，同时极易对操作人员的身体造成伤害。4、电涡流法测量。传统的电涡流检测技术是采用单一的正弦频率激励线圈，对于厚度检测主要分为两种1)、保持线圈和被测材料之间的距离不变，使用低频信号激励线圈，在线圈中产生交变磁场，在交变磁场中，不同厚度的金属内部的涡流对线圈具有不同的阻抗作用，通过阻抗平面图，直接分析阻抗(和电压)的幅值和相位来检测金属厚度。这种方法接收到的是阻抗的幅度变化，故材料厚度与接收线圈阻抗成非线性关系，需要非线性校正，这势必会引起测量的误差。2)、在金属两侧分别放置线圈，固定两线圈的位置，使用高频信号分别激励两侧线圈，通过测量线圈和金属表面之间的距离，最终测量被测金属的厚度。使用这种方法测出来的距离变化和阻抗变化是非线性关系的，进行非线性校正会产生误差，其次测量采用的是以高频作为激励频率，易受到噪声的影响，因此影响测量的精度，而且测量的结果也会受到环境温度变化产生漂移的影响。
实用新型内容本实用新型的目的就是为了克服现有金属材料测厚技术中测量精度不高，测量方法不安全、不科学等方面的一些不足而提供一种质量可靠，运行稳定，测量精度高，测量范围广的脉冲电涡流测厚仪。本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现一种脉冲电涡流测厚仪，包括MCU主控模块、按键显示模块、数字电位器模块、功率放大模块、激励线圈、检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和电源模块，其特征在于所述按键显示模块连接可以产生频率和占空比可调的方波脉冲激励信号的MCU主控模块，所述MCU主控模块、数字电位器模块、功率放大模块和激励线圈依次相连，所述检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和MCU主控模块也依次相连，所述电源模块提供各模块的工作电源。所述MCU主控模块包括单片机最小系统电路、串口通信电路，所述单片机采用芯片U1，其型号为TI公司推出的16位超低功耗的混合信号处理器MSP430F413 ；所述按键显示模块采用独立按键式键盘电路和长沙太阳人公司的LCD12864液晶显示模块电路；所述数字电位器模块采用芯片U2，其型号为Maxim公司生产的256节点IOk Ω数字电位器 ΜΑΧ5402 ；所述功率放大模块采用芯片U3，其型号为通用的J-FET双运算放大器TL082 ；所述激励线圈采用的是能够产生勻强场并加上磁芯的单匝矩形线圈；所述检测元件采用的是单匝空心圆形线圈；所述仪表放大器模块采用芯片U4，其型号为AD公司的典型仪表运算放大器芯片AD620 ；所述AD转换模块采用芯片TO，其型号为TI公司的16位高精度模数转换芯片ADS5560 ；所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和开关型降压稳压器LM2575-3. 3。上述脉冲电涡流测厚仪的工作原理为通过MCU主控模块产生频率和占空比可调的方波脉冲激励信号，该脉冲信号在数字电位器模块的作用下，对信号的幅度进行稳幅调节，将调节后的脉冲信号送入功率放大模块放大后驱动激励线圈，激励线圈会产生出一个快速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在导体试件中感应出瞬时涡流，向导体试件内部传播，并感应出一个快速衰减的涡流磁场，随着涡流磁场的衰减，检测元件上就会感应出随时间变化的瞬态感应电压信号，该微弱信号经前置放大器仪表放大器模块的放大作用后，将获取的模拟信号通过AD转换模块转换成数字信号后送入MCU主控模块，MCU主控模块对信号进行分析处理后通过按键显示模块中的液晶显示模块显示出来。与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下1、本实用新型系统抗干扰能力强，线性度好，响应速度快，精确度高，安全性强，使用和维护方便。2、本实用新型系统可以针对不同材质、不同厚度范围的金属材料实现厚度的精确测量，测量范围广。3、本实用新型系统除可以实现金属材料厚度的快速安全测量外，还可以实现材料不拆覆盖层检测，同时系统有效的抑制了温漂，非常适合于复杂环境的检测。4、本实用新型系统是脉冲涡流无损化检测方法的理论研究进一步深入应用，促进了我国无损检测理论与技术在测量领域的应用和发展，打破国外同类设备在国内市场的垄断，具有一定的推广意义。
图1为本实用新型系统结构框图；图2为本实用新型系统工作原理图；图3为本实用新型中检测元件上瞬态感应电压与时间的关系曲线图；图4为本实用新型单片机最小系统图；图5为本实用新型液晶显示模块电路图；[0024]图6为本实用新型数字电位器模块电路图；图7为本实用新型功率放大模块电路图；图8为本实用新型仪表放大器模块电路图；图9为本实用新型AD转换模块电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。实施例如图1所示的一种脉冲电涡流测厚仪，包括MCU主控模块、按键显示模块、数字电位器模块、功率放大模块、激励线圈、检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和电源模块。 其中MCU主控模块连接按键显示模块、数字电位器模块以及AD转换模块，数字电位器模块连接功率放大模块，功率放大模块连接激励线圈，检测元件连接仪表放大器模块，仪表放大器模块连接AD转换模块，而电源模块提供各模块的工作电源。图2是脉冲电涡流测厚仪的工作原理图，图3是检测元件(检测线圈W2)上瞬态
感应电压与时间的关系曲线图。图2中发射线圈Wl和接收线圈W2分别置于被测金属材料
的上、下方，当具有一定占空比的方波脉冲信号激励发射线圈Wl后，发射线圈Wl会产生快
速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在被测物中感应出瞬时涡流，向被测物内部传播，并感应出
一个快速衰减的涡流磁场，随着涡流磁场的衰减，检测线圈W2上就会感应出随时间变化的
'1
瞬态感应电压信号，如图3所示。其中线圈和被测物之间的距离为/(丨—)被测物电抗为
/(Ho被测物的厚度为/( —)当系统固定线圈和被测物之间距离和最大程度的降低 t, , ^
电抗时通过采集获得的感应电动势来高精度的测量金属材料的厚度。本实施例中，所采用的脉冲激励信号可以选用很低的频率，不易受干扰。脉冲信号含有从直流到高频的所有频率成分，反映的试件信息也更加丰富。尤其是在存在液体、气体和粉尘的恶劣环境下和当金属快速移动的情况下，都能进行准确的测量。因此，脉冲电涡流测厚技术不但具有传统测厚技术的优点，还可以弥补传统测厚技术的不足。本实施例中，所述MCU主控模块包括单片机最小系统电路、串口通信电路等， 其中单片机采用芯片U1，其型号为TI公司推出的16位超低功耗的混合信号处理器 MSP430F413。串口通信电路采用典型的RS485通信电路。单片机可以根据金属材料不同材质和不同厚度范围的实际需要产生频率和占空比可调的方波脉冲激励信号驱动激励线圈产生磁场，同时实现整个系统的控制功能，其最小系统电路如图4所示。本实施例中，所述按键显示模块采用独立按键式键盘电路和长沙太阳人公司的 LCD12864液晶显示模块电路，主要完成功能切换的选择和人机界面的交互。其中独立式按键键盘通过电阻连接后可直接连接单片机的I/O引脚，而液晶显示模块电路采用串口连接方式，仅需单片机的4个I/O引脚分别连接液晶的CS脚、STD脚、SCLK脚、/RST脚即可，同时提供可调电位器连接1脚、2脚、3脚，电源供电即可工作，显示电路连接如图5所示。本实施例中，所述数字电位器模块采用芯片U2，其型号为Maxim公司生产的256节点IOk Ω数字电位器MAXM02。主要是用来调节脉冲激励信号的幅度，使信号的幅度稳定在一定的范围。具体电路连接方式为单片机的I/O引脚连接上拉电阻后分别连接3、4、5 脚，再通过连接可调电位器后连接8脚，而1脚输出接电源地，7脚输出信号给功放模块，电源供电，该模块电路连接如图6所示。本实施例中，所述功率放大模块采用芯片U3，其型号为体积小、输出功率大、失真小的J-FET双运算放大器TL082。先将信号经过同相输入放大电路放大后再将信号通过跟随器缓冲、隔离，最后采用一组达林顿功率晶体管ΤΙΡ122和ΤΙΡ127的作用对微弱信号进行放大处理来直接驱动激励线圈，这样可以使激励线圈产生较强的磁场，有利于后期信号的采集和特征量的提取，其典型连接方式如图7所示。本实施例中，所述激励线圈采用的是能产生勻强场并加上磁芯的单匝矩形线圈， 所述的检测元件采用的是截面积小一些的单匝空心圆形线圈。激励线圈采用单匝矩形线圈同时加磁芯的目的是要提高脉冲磁场强度和检测速度；而检测元件采用单匝空心圆柱形线圈既能使得检测线圈所局限范围内的磁场能看作是均勻的，又可以提高检测的灵敏度，同时最主要的是可以降低线圈对被测物感抗的影响。本实施例中，所述仪表放大器模块采用芯片U4，其型号为AD公司的典型仪表运算放大器芯片AD620。由于检测到的信号是微弱的，同时信号被噪声污染，若要获得信号衰减的曲线，必须要将信号经过滤波和放大，因此采用共模抑制比足够高和具有平衡输入阻抗的仪表放大器作为前置放大器放大微弱信号，同时对信号进行滤波处理。其中2脚、3脚外接IM电阻后接电源地，同时作为信号输入端，4脚、7脚接电源正极，5脚接电源地，1脚、8脚间接50Κ的电位器实现放大倍数的调节，6脚作为信号输出端接滤波电路后将信号送入AD 转换模块中，本模块电路连接如图8所示。本实施例中，所述AD转换模块采用芯片U5，其型号为TI公司的16位高精度模数转换芯片ADS5560。该芯片作为具有超低功耗和最高信噪比的完美结合的模数转换芯片同时具有40MSPS的转换速率和16位的高精度，完全满足实际采样的需要，使取样测量更加准确，同时电路采用并行接法，可以更加快速的对信号进行转换，其具体连接电路如图9所
7J\ ο本实施例中，所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和开关型降压稳压器 LM2575-3. 3。其中7805作为集成稳压器，可输出正5V的直流稳压电压，系统中设计提供部分模块所需的5V工作电压；而开关型降压稳压器LM2575-3. 3提供部分模块工作所需的 3. 3V工作电压，这样既满足了 3. 3V电压模块的需要又为5V器件的使用提供接口。由以上的实施例可以看出，本实施例系统结构简单，使用方便，性能优越，完全可以满足厚度测量的需要。通过本实施例的运用，有效的保证了金属材料厚度的精确测量。上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种脉冲电涡流测厚仪，包括MCU主控模块、按键显示模块、数字电位器模块、功率放大模块、激励线圈、检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和电源模块，其特征在于所述按键显示模块连接可以产生频率和占空比可调的方波脉冲激励信号的MCU主控模块，所述MCU主控模块、数字电位器模块、功率放大模块和激励线圈依次相连，所述检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和MCU主控模块也依次相连，所述电源模块提供各模块的工作电源。
2.根据权利要求1所述的脉冲电涡流测厚仪，其特征在于所述MCU主控模块包括单片机最小系统电路、串口通信电路，所述单片机采用芯片U1，其型号为TI公司推出的16位超低功耗的混合信号处理器MSP430F413;所述按键显示模块采用独立按键式键盘电路和长沙太阳人公司的LCD12864液晶显示模块电路；所述数字电位器模块采用芯片U2，其型号为Maxim公司生产的256节点IOk Ω数字电位器ΜΑΧΜ02 ；所述功率放大模块采用芯片U3， 其型号为通用的J-FET双运算放大器TL082 ；所述激励线圈采用的是能够产生勻强场并加上磁芯的单匝矩形线圈；所述检测元件采用的是单匝空心圆形线圈；所述仪表放大器模块采用芯片U4,其型号为AD公司的典型仪表运算放大器芯片AD620 ；所述AD转换模块采用芯片U5，其型号为TI公司的16位高精度模数转换芯片ADS5560 ；所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和开关型降压稳压器LM2575-3. 3。
专利摘要本实用新型涉及一种脉冲电涡流测厚仪，包括MCU主控模块、按键显示模块、数字电位器模块、功率放大模块、激励线圈、检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和电源模块，所述按键显示模块连接可以产生频率和占空比可调的方波脉冲激励信号的MCU主控模块，所述MCU主控模块、数字电位器模块、功率放大模块和激励线圈依次相连，所述检测元件、仪表放大器模块、AD转换模块和MCU主控模块也依次相连，所述电源模块提供各模块的工作电源。与现有技术相比，本实用新型具有质量可靠，运行稳定，测量精度高，测量范围广等优点。
文档编号G01B7/06GK202074943SQ20112018491
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者王俊杰, 王冠凌, 陈其工 申请人:安徽工程大学