专利名称：一种自适应涡流位移检测方法
技术领域：
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及涡流无损位移检测技术。
背景技术：
涡流检测技术是近年来发展快速的一项无损检测技术，它利用电磁感应原理实现对金属材料或工件的监测、测量和评估。将探头线圈中通入交流电，这时线圈内及其附近就会产生交变的磁场，附近的金属材料就会发生涡流效应，在材料表面和内部产生涡流，涡流会产生二级磁场反作用于探头线圈，从而改变原来磁场的分布以及探头线圈等效阻抗等参数。涡流的大小和分布，除与线圈形状和尺寸、电流大小和频率等有关外，还取决于被测材料的形状、内部缺陷、与线圈的距离以及材料的电导率、磁导率等诸多因素。所以，在固定其他条件不变的情况下，涡流位移检测装置就可以用来检测金属工件与探头线圈的距离，从而达到测量工件机械位移的目的。涡流位移检测装置因具有长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在航空航天、轨道交通、大型旋转机械等关键零部件的检测与评估中得到广泛应用。虽然涡流位移检测技术自诞生之日起就在不同工程领域得到广泛应用，但涡流检测机理决定了涡流位移检测装置探头线圈等效阻抗受被测对象的电磁特性影响非常大。几何形状和工作环境完全相同的不同金属材料制成的工件，由于其自身的电磁特性差异，一般的测试方法得到的结果差异很大。在工程测试标定中，一种被测对象对应一次标定过程，这样在对不同材料进行检测时，涡流位移检测装置必须重新标定，工作量很大且不易操作；或当材料特性未知时，检测装置不能进行定量测量。这些现象严重降低了涡流位移检测装置的互换性，限定了其使用范围。目前，涡流位移检测装置的检测电路多采用电感式传感器原理设计而成，大都采用定频调幅、变频调幅和调频等信号调制方式。在涡流位移检测装置的设计中，线圈与被测对象之间的距离可以转换为线圈的品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感L，测量电路的任务就是把这些参数的变化变换为电压、电流或频率的变化。但是这些方法都只是单独的利用位移与电压、电流或者频率的关系来实现物理量和电量之间的转换，很难有行之有效的办法来解决材料电磁特性对测量结果产生的影响。由于工程应用上对消除材料电磁特性影响有着广泛的需求，目前人们还发明了一些可行的方法来实现这个功能，典型的方案有以下两种。第一种方法，基于探头阻抗矢量投影法的测量方法(发明专利，杜平安，于亚婷，杨拓.一种涡流位移检测方法.申请号201010264717.9)。该发明通过对涡流探头线圈阻抗的实部Rb和虚部Xb进行矢量投影来消除涡流位移检测装置测量中被测对象电磁特性对输出结果的影响。该方法通过提取探头线圈在激励信号作用下的幅值差和相位差信号来获得涡流位移检测装置探头线圈阻抗的实部和虚部，再采用矢量投影来进行等效阻抗变换，最后利用等效阻抗和检测距离的函数关系来输出检测结果，达到位移检测的目的。
第二种方法，基于磁场强度检测的测量方法(发明专利于亚婷，杜平安，杨拓.一种消除电子摆振的涡流位移检测方法及其装置.申请号201010268977. 3，公开号CN101975543A)。该发明将具有不同电导率的被测对象进行完全磁化，然后通过设计的测量电路检测出涡流位移检测装置探头处的磁场强度，再对磁场强度进行分解，获得磁场强度的实部和虚部向量。在同一位移下，磁传感器中磁感应強度信号的复数向量的实部和虚部位于同一条椭圆曲线上；不同位移下的椭圆曲线簇具有相同的转向角且相切于一点的特点，通过计算椭圆的长半轴来确定被测对象的位移。第一种基于探头阻抗矢量投影的測量方法采用模拟/数字混合电路设计，主要存在以下两点问题(1)该方法为了提取探头线圈阻抗的实部电阻值和虚部电感值，需要设计复杂的硬件电路，这就增加了电路设计的难度和成本。 (2)该方法对阻抗的矢量形式在平面坐标系内进行投影，需要大量的计算步骤。在计算过程中，还会弓I入三角函数、反三角函数等复杂函数，该方法采用单片机来完成这些复杂运算需要占用单片机内部大量的存储资源，同时复杂的程序也耗费了大量的时间，这就必然降低了涡流位移检测装置测试的实时性。再者，受单片机计算位数的限制，测试结果的精度不高。总之第一种方法的关键缺点计算过程复杂，实时性差，精度差。第二种基于磁场强度检测的方法虽然突破传统方法的局限性，不再利用线圈品质因素、阻抗、电感等物理量进行测量。而是引入磁传感器，通过磁化被测对象，检测磁场强度并进行矢量分解，最终达到消除材料电磁特性对检测结果的影响。但是磁传感器的引入，大大增加了检测装置的技术难度和经济成本，同时所需的椭圆模型比较复杂，如果要脱离计算机设计成独立的或者便携式的检测装置，针对微处理器而言，需要寻找有效的计算椭圆长半轴的算法，而且需要数据处理能力强的高性能微处理器。总之第二种方法的关键缺点是技术难度大，开发成本高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的涡流检测方法检测计算过程复杂的不足，提出了一种自适应涡流位移检测方法，采用该方法的涡流位移检测方法可以使涡流位移检测过程中的标定參数更好地匹配被检测材料的电磁特性，以提高涡流位移检测装置检测的精度。本发明的技术方案一种自适应涡流位移检测方法，至少包括如下步骤步骤1.产生固定频率的正弦信号；步骤2.放大正弦信号；步骤3.激励探头线圈；步骤4.获取响应信号；步骤5.对响应信号进行对数变换；步骤6.模数转换；步骤8.自适应中断请求判定；当在更换被测材料或当被测材料电磁特性未知时，则进入步骤9进行重新标定；当被测材料不变吋，则无需进行重新标定，跳转进入步骤10计算位移值；步骤9.对涡流位移检测装置进行标定；
步骤10.计算位移的值；幅值信号Vm和相位信号Vp是表征被检测位移d的电信号，它们值的大小反映了位移d的大小。将幅值信号Vm与相位信号Vp作比，并与位移d在坐标系内进行投影计算得到位移d的值。上述步骤5的具体实施过程为对响应信号Ur进行对数变化时，选择激励信号U1作为参考信号，如公式5所示，将响应信号Ur的幅值与激励信号U1的幅值作比并取对数，然后乘以变化系数，并加上一个偏移量，得到幅值信号Vm ;同理，将响应信号Ur的相位与激励信号U1的相位作差并取对数，然后乘以变化系数，并加上一个偏移量，得到相位信号Vp，Vffl和Vp都是直流电压信号。
L =0.6 Iog^+ 0.9公式 5。Vp=-O. 61og( I <^-<^1-90° )+0. 9上述步骤9的具体实施过程为在标定过程开始，系统会要求用户在量程范围内选择三个不同的位置，等待系统采集相关数据，然后根据这三个不同点的数据采用最小二乘法进行线性拟合，计算出拟合直线的斜率k，然后根据斜率k来判定材料的电磁特性类别。本发明的优点和有益效果本发明的方法能够自动识别材料电磁特性类别并自动标定检测装置。该方法能够通过所设计的涡流位移检测装置的(简称系统)自动识别被检测材料的电磁特性类别，然后通过标定程序对涡流位移检测装置进行重新自动标定，这样使涡流位移检测装置的相关标定参数能够更好地匹配被检测材料的电磁特性，从而来消除材料电磁特性对检测结果的影响，提高涡流位移检测装置检测的精度。
图I为本发明的总体流程图。图2为本发明步骤5中幅值信号Vm与相位信号Vp投影图。图3为本发明步骤9中自动标定过程流程图。图4为本发明步骤9中三个不同位置确定材料电磁特性类别示意图。图5为本发明步骤9中位移d与Vm/Vp拟合曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明如图I所示，一种自适应涡流位移检测方法，包括如下步骤步骤I.产生固定频率的正弦信号。通过信号发生模块产生频率为IMHz的正弦信号u0，U0可表示为如下公式(I)所示，U0=A0Cos (cot+Φ 0)公式
Cl)公式(I)中，Utl是正弦/[目号；A(!是正弦彳目号的幅值；ω是角频率；t是时间变量；Φ。是正弦信号的初始相位。其中为ω已知量，Ac^P 为可测定量。本发明中产生正弦信号Utl的方法是首先通过单片机产生PWM波，调节PWM波的占空比，使PWM波的频谱成分中基频成分达到最大，再采用集成滤波器滤除里面的高频成分，得到所需要的正弦信号％。步骤2.放大正弦信号。由于步骤1产生的正弦信号U0幅值很小，需要对该信号进行适当放大并和后面的电路进行隔离，防止后面的电路对信号发生模块的干扰。本发明采用高速强驱动能力的集成运算放大器完成正弦信号U0的放大，放大后得到需要的激励信号U” Ui可表示为如下公式(2)所示，UfAiCOS ( ω t+Φ J公式
(2)公式(2)中，仏是经过放大后得到的激励信号ふ是激励信号的幅值；ω是角频率，与％中的ω相同，没有发生变化；t是时间变量、(^是激励信号的相位。其中为ω已知量，Ai和小ェ为可测定量。步骤3.激励探头线圏。为了使涡流位移检测装置探头线圈与被测金属材料之间在量程范围内产生涡流效应，必须要有足够强度的电流流过探头线圈，所以本步骤的作用就是将前面得到的激励信号仏进行电压-电流变换，以保证有足够强度并且稳定的电流信号Ii激励探头线圏。本发明采用双运放组成的反馈型恒流源设计方案来完成电压-电流的转换，转换结果如公式(3)所示，
权利要求
1.一种自适应涡流位移检测方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I.产生固定频率的正弦信号； 步骤2.放大正弦信号； 步骤3.激励探头线圈； 步骤4.获取响应信号； 步骤5.对响应信号进行对数变换； 步骤6.模数转换； 步骤8.自适应中断请求判定；当在更换被测材料或当被测材料电磁特性未知时，则进入步骤9进行重新标定；当被测材料不变时，则无需进行重新标定，跳转进入步骤10计算位移值； 步骤9.对涡流位移检测装置进行标定； 步骤10.计算位移的值；幅值信号Vm和相位信号Vp是表征被检测位移d的电信号，它们值的大小反映了位移d的大小。将幅值信号Vm与相位信号Vp作比，并与位移d在坐标系内进行投影计算得到位移d的值。
2.根据权利要求I素数的一种自适应涡流位移检测方法，其特征在于，上述步骤5的具体实施过程为对响应信号Ur进行对数变化时，选择激励信号U1作为参考信号，如公式5所示，将响应信号Ur的幅值与激励信号U1的幅值作比并取对数，然后乘以变化系数，并加上一个偏移量，得到幅值信号Vm ;同理，将响应信号&的相位与激励信号U1的相位作差并取对数，然后乘以变化系数，并加上一个偏移量，得到相位信号\，Vffl和Vp都是直流电压信号。
3.根据权利要求I素数的一种自适应涡流位移检测方法，其特征在于，上述步骤9的具体实施过程为在标定过程开始，系统会要求用户在量程范围内选择三个不同的位置，等待系统采集相关数据，然后根据这三个不同点的数据采用最小二乘法进行线性拟合，计算出拟合直线的斜率k，然后根据斜率k来判定材料的电磁特性类别。
全文摘要
本发明涉及一种自适应涡流位移检测方法，包括如下步骤步骤1.产生固定频率的正弦信号；步骤2.放大正弦信号；步骤3.激励探头线圈；步骤4.获取响应信号；步骤5.对响应信号进行对数变换；步骤6.模数转换；步骤8.自适应中断请求判定；当在更换被测材料或当被测材料电磁特性未知时，则进入步骤9进行重新标定；当被测材料不变时，则无需进行重新标定，跳转进入步骤10计算位移值；步骤9.对涡流位移检测装置进行标定；本发明的优点和有益效果本发明的方法能够自动识别材料电磁特性类别并自动标定检测装置，从而来消除材料电磁特性对检测结果的影响，提高涡流位移检测装置检测的精度。
文档编号G01N27/90GK102955000SQ20121030377
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者杜平安, 李茂福, 于亚婷 申请人:电子科技大学