一种电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置的制作方法

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置。

背景技术：

无损检测又称无损探伤，日本称“非破坏检查”。它的重要地位是由其 可靠性、安全性与经济性所决定的。可靠性是指它可以在不损坏工件完好的情况下100%地检测，所以不会产生像破坏性取样检测方法所固有的漏检问题。 安全性是指它能把隐藏在材料与结构中的危害性缺陷检测出来，因而它 的使用会使被检工件能安全运行。经济效益已是国内外人所共知的事实。由于无损检测技术的三大优越性，近年来世界各国对无损检测技术的投资也是与日俱增，美国在70年代无损检测设备的平均率就达10.5%，其中新设备增长率高达21%以上。无损检测技术本质上属于物理检测范畴，近年来随着科学技术的发展，它成了以物理学为基础，电子学、机械学乃至化学等学科作为手段的交叉性技术学科。

目前，在无损探伤探头部分的定位方面主要有超声波定位和光学成像定位。超声波定位比较精准，但是超声波探伤要对被测零件的表面进行处理（涂油或者打磨），这对零件来说本身就是一种磨损；光学成像定位的精准度较高，但其设备较复杂。应用电磁感应来进行探头定位是另一种方法，在涡流探伤中利用该方法具有简化系统结构，降低成本，软硬件实现容易等特点。该方法可推广应用到其他需要实时检测随机移动物体的平面定位系统。

技术实现要素：

本发明的目的是为了准确定位电涡流无损探伤中的探头位置，设计了一种电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置由探头线圈和4个位置传感器(线圈)、AGC放大电路、交流恒流源电路、精密整流电路等4个部分构成。利用C8051F005单片机12位DAC产生峰峰值为2.4V、频率为1kHz的正弦波作为交流恒流源电路的输入信号，将探头线圈作为交流恒流源的负载，则探头在空间内会产生电磁场，激励4个位置传感器(线圈)产生感应电动势，4个线圈分别经过4路AGC放大电路和精密整流电路后，由C8051F005单片机的4路ADC进行采样得到电压值，再通过单片机进行数据运算处理，算出探头的具体坐标位置，从而实现精确定位。

所述的AGC电路使用LM324，采用两级放大，利用结型场效应管进行自动增益控制。

所述的交流恒流源电路最主要的作用就是当负载电阻发生变化时，能够确保负载上的电流恒定。

所述的精密整流电路利用TLV2334芯片，采用差动方式对输入信号取峰峰值。

本发明的有益效果是：

该电磁涡流无损探伤中探头位置检测装置结构简单，利用电磁感应来定位精准度比较高，显示范围内测量值与实际值之间的误差在0.7mm以内，如果想要进一步提高定位的精度，则需要建立一个2048个点的数据表，理论的定位精度将达到0.08mm。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是系统总体结构图。

图2是AGC放大电路原理图。

图3是交流恒流源电路原理图。

图4是精密整流电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，磁涡流无损探伤中探头位置检测装置由探头线圈和4个位置传感器(线圈)、AGC放大电路、交流恒流源电路、精密整流电路等4个部分构成。利用C8051F005单片机12位DAC产生峰峰值为2.4V、频率为1kHz的正弦波作为交流恒流源电路的输入信号，将探头线圈作为交流恒流源的负载，则探头在空间内会产生电磁场，激励4个位置传感器(线圈)产生感应电动势，4个线圈分别经过4路AGC放大电路和精密整流电路后，由C8051F005单片机的4路ADC进行采样得到电压值，再通过单片机进行数据运算处理，算出探头的具体坐标位置，从而实现精确定位。

如图2所示，由于激励线圈(探头)在周围空间产生的磁场随距离迅速衰减，4个位置传感器检测到的信号变化范围很大，可达到60dB(1000倍)以上。当传感器离激励线圈很近时，信号很强；当传感器离激励线圈较远时，信号很弱。为适应这种大动态范围的信号处理，必须采用AGC(自动增益控制)放大电路。AGC电路使用LM324，采用两级放大，利用结型场效应管进行自动增益控制。4个传感器检测到的电压信号U与r之间近似满足的关系可以由下式表示：

如图3所示，交流恒流源电路的最主要的作用就是当负载电阻发生变化时，能够确保负载上的电流恒定。用漆包线绕制的探头线圈和4个位置传感器(线圈)均为1200匝，用电表直接测得每个线圈的电阻值约为50Ω，当跳线帽jup4断开，将C8051F005单片机12位DAC产生峰峰值为2.4V、频率为1kHz的正弦波作为交流恒流源电路的输入信号，用探头线圈作为交流恒流源的负载时，可粗略计算出流过探头线圈的电流恒定为I＝U_i/(R_６＋R_９)＝1.2mA，也就是说无论线圈阻抗是否改变，流过线圈上的电流峰值始终为1.2mA，因此确保了探头线圈在空间内产生的电磁场基本保持不变。

如图4所示，为了测量4个传感器电压信号大小，需将放大后的交流信号变化为直流信号，供A/D转换，直流信号的大小正比于交流信号的振幅。该精密整流电路利用TLV2334芯片，采用差动方式对输入信号取峰峰值，差动部分的计算公式为。

U_ｏ＝0.5U_i＋(R_１/R_７＋1)＋U_ｉ－(R_１/R_３) (2)。

探头位置检测利用单片机C8051F005 实现，4个位置传感器(线圈感应电动势检测)固定在有机玻璃制成的框架上。框架尺寸为170mm×170mm，探头的直径为16mm。位置传感器的几何中心为原点。4个位置传感器固定安装在有机玻璃框架上，探头几何中心的位置坐标为(x，y)，探头几何中心到4个位置传感器几何中心之间的距离分别为r_１、r_２、r_３ 、r_４。相邻2个位置传感器几何中心之间的距离为a(默认情况等于140mm)，则有：

r^２_１＝x^２＋y^２ (3)

r_２^２＝(a－x)^２ ＋y^２ (4)

r_３^２＝x^２ ＋(a－y)^２ (5)

r_４^２＝(a－x)^２ ＋(a－y)^２ (6)。

由这4个方程可求出涡流探头的坐标平均值为：

x＝(r_１^２＋r_３+－r_２^２－r_４^２＋２a^２)/４a (7)

y＝(r_１^２＋r_２^２－r_３^２－r_４+＋２a^２)/４a (8)。

从理论上分析，4个传感器检测到的电压信号U 与r之间近似满足的经验公式(1)的关系，如果直接利用此公式反解出探头到每个线圈之间的距离与电压的关系公式近似为式(9)或式(10)：

r＝ 674k/(80U^1/3＋U^１/４) (9)

r＝ 591k/(70U^1/3＋U^１/４) (10)。

这样对于单片机来说非常困难，因为将公式反解涉及到几次方根，由于需要定位的区域很小，因此，可以用查表的方法对问题进行简化处理，通过实验测得4个传感器线圈经过AGC电路再经整流后的电压输出范围为50～2430mV。由于电压随着距离并非是线性变化，因此应该将距离进行等分然后通过电压来查表得出距离r，实际模型测量区域探头与位置传感器线圈圆心之间的距离范围为2.7～16.7cm，将2.7～16.7cm等分成256份，也就是去256个位置点，每次采样1个电压对应着256个点中的1个，最后将r代入式(7)、式(8)中即可求出探头坐标。