專利名稱：基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置。
背景技術：
當前軍用和民用航空事業(yè)發(fā)展十分迅速。大量在役飛機需要在保證安全的情況下，盡量延長使用壽命。因此對在役飛機等航空器進行及時、快速和自動化的安全評估成為一項急需解決的挑戰(zhàn)性課題。
眾所周知，長期使用的飛機其機身往往會出現(xiàn)腐蝕、氣隙、層間剝離、脫鉚、裂紋等多種缺陷。在上述缺陷中，機身的腐蝕和裂紋，尤其是多層搭接結(jié)構(gòu)中隱藏的腐蝕和裂紋，會引起機身的多處損壞，進而影響飛機的安全飛行。因此研制開發(fā)一種低成本、快速、自動化的能夠檢測多層導電結(jié)構(gòu)中隱藏的疲勞裂紋和腐蝕的系統(tǒng)是迫切需要的。
針對疲勞裂紋和腐蝕缺陷的檢測技術有很多。考慮到可及性、檢測速度和檢測成本，選用渦流檢測技術是合理的選擇。
常規(guī)渦流檢測儀采用線圈作為檢測探頭，它能夠解決一些表層及亞表層缺陷、厚度測量等問題，但難于應用于檢測較深的缺陷，尤其是飛機機身等多層導電結(jié)構(gòu)深層隱藏的小尺寸裂紋和腐蝕等缺陷，其主要問題是線圈式檢測探頭對于多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的敏感性及空間分辨率均不夠高。為了檢測深層缺陷，需要采用降低檢測系統(tǒng)的激勵頻率(低頻)、加大檢測線圈的直徑(大探頭)等措施，但是這樣做會導致檢測線圈的靈敏度很低，分辨率不高，局部檢測信號畸變增大，小于檢測線圈直徑的缺陷漏檢等問題?；诰薮烹娮鑲鞲衅鳈z測探頭的渦流檢測裝置，則可很好地解決上述難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種高靈敏度、高分辨率的基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，它不僅可以解決常規(guī)線圈式檢測探頭渦流儀可以解決的問題，而且用于檢測多層導電結(jié)構(gòu)中隱藏的里層和深層疲勞裂紋和腐蝕等缺陷，檢測深度可達15mm，具有顯著優(yōu)越性。
基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置的硬件組成部分及連接關系為PC機與單片機控制器、信號發(fā)生電路I、功率放大電路、探頭I、差動放大電路、相敏檢波器I、系統(tǒng)平衡電路I、放大電路I、數(shù)據(jù)采集卡、PC機連接，功率放大電路與探頭II、差動放大電路、相敏檢波器II、系統(tǒng)平衡電路II、放大電路II、數(shù)據(jù)采集卡連接，探頭II與XY掃描儀、XY掃描控制器連接，信號發(fā)生電路I與波形變換電路I、相敏檢波器I連接，單片機控制器與信號發(fā)生電路II、波形變換電路II、相敏檢波器II連接。
所述的基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，其探頭具有激勵線圈，在線圈內(nèi)固定有巨磁電阻傳感器。
巨磁電阻傳感器以SS501A為核心構(gòu)成，SS501A的第1腳接正5v電源，SS501A的第2腳與INA118的第3腳連接，SS501A的第3腳接模擬地，SS501A的第4腳與INA118的第2腳連接，INA118的第1腳通過第一電阻與INA118的第8腳連接，INA118的第4腳接負5v電源，INA118的第7腳接正5v電源，INA118的第5腳接模擬地，INA118的第6腳與差動放大電路的輸入端連接。
信號發(fā)生電路是以AD9832為核心構(gòu)成，AD9832的第1腳通過第一電阻接模擬地，AD9832的第2腳、第3腳通過第一電容接模擬地，AD9832的第4腳接正5v電源，AD9832的第5腳接數(shù)字地，AD9832的第7腳、第8腳分別與單片機SPI模塊的SCLK、SDATA腳連接，AD9832的第9腳、第10腳、第11腳、第12腳分別與單片機IO口的4個引腳連接，AD9832的第13腳接模擬地，AD9832的第14腳通過第二電阻與模擬地連接，AD9832的第15腳與正5v、第三電容的第一腳連接，AD9832的第16腳通過第二電容與正5v、第三電容的第一腳連接，第三電容的第二腳接模擬地，AD9832的第6腳與有源時鐘的第3腳連接，有源時鐘的第4腳接正5v電源，有源時鐘的第2腳接數(shù)字地，有源時鐘的第1腳懸空。
系統(tǒng)平衡電路的電路連接關系為觸發(fā)按鈕與單穩(wěn)電路I、二進制計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓放大器、儀器放大器、過零比較器、單穩(wěn)電路III、方波發(fā)生器、二進制計數(shù)器連接；單穩(wěn)電路II與方波發(fā)生器、二進制計數(shù)器連接。
本發(fā)明的優(yōu)點1、采用了基于巨磁電阻傳感器的檢測探頭，極大提高了渦流檢測裝置檢測深層缺陷時的靈敏度和空間分辨率。相比較傳統(tǒng)的線圈式和HALL等磁場傳感器式探頭，應用巨磁電阻傳感器的探頭具有以下優(yōu)點(1)、因為巨磁電阻傳感器是直接檢測磁場強度大小，而不受激勵頻率的影響，在低頻下仍有極高的靈敏度；(2)、傳感器可以做得很小，因缺陷存在而導致的檢測信號畸變也非常?。?3)、溫度穩(wěn)定性好，從而使得測量結(jié)果受溫度影響小，可適應各種溫度變化大的工作條件；(4)與SQUID、FLUXGATE、AMR、HALL等眾多磁場傳感器相比，巨磁電阻傳感器成本低、可測量磁場范圍寬、信噪比高、功耗低，從而性價比最高。
2、引入了系統(tǒng)平衡電路，以抑制裝置的零點漂移，有效消除了零點漂移引起的檢測誤差，提高了檢測精度。
3、信號發(fā)生電路采用了DDS技術，工作頻率調(diào)節(jié)方便，同時提高了激勵信號的穩(wěn)定性。


圖1是基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測系統(tǒng)原理框圖；圖2是本發(fā)明的探頭結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖3是本發(fā)明的探頭結(jié)構(gòu)俯視圖；圖4是本發(fā)明的巨磁電阻傳感器輸出電路圖；圖5是本發(fā)明的信號發(fā)生電路圖；圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)平衡電路原理圖；圖7是本發(fā)明的系統(tǒng)軟件流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明裝置采用了基于巨磁電阻傳感器的高靈敏度、高分辨率的檢測探頭，其工作頻率可在0-10KHz范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，可用于航空航天等重要領域的多層導電結(jié)構(gòu)深層缺陷的檢測。
首先，將探頭1和探頭2按照要求分別固定在標準件和被測件的上方；按下觸發(fā)調(diào)零按鈕，使儀器的輸出為零；確定激勵頻率、增益等控制參數(shù)，并將之下載到單片機控制器；設置掃描儀的掃描速度，并啟動掃描儀控制器。掃描儀控制器控制掃描儀的運動，使探頭2按照要求掃描被測件。
其后，信號發(fā)生電路I、II產(chǎn)生兩路正交正弦波，其中激勵信號發(fā)生電路I的輸出信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動探頭I、探頭II。含有巨磁電阻傳感器的探頭I、探頭II檢測到磁場的變化。探頭I、探頭II的兩路輸出信號經(jīng)差動放大電路后分為兩路一路與探頭I、探頭II激勵信號同頻率同相位的參考方波信號I送入相敏檢波器I進行乘法運算，另一路與探頭I、探頭II激勵信號同頻率但正交的參考方波信號II送入相敏檢波器II進行乘法運算。由于探頭I、探頭II的差動輸出信號的有效成分為與參考信號同頻率的正弦信號，二者乘積的差頻部分為直流信號。而各種噪聲信號與參考信號的乘積為高頻信號，通過相敏檢波器中的低通濾波電路可以有效抑制噪聲的影響。由此可以看出由傳感器放大電路引入的噪聲不會惡化測量電路輸出信號的信噪比。
若經(jīng)過放大的傳感器輸出信號和參考信號分別為S(t)＝x(t)+N(t)＝Asin(ωt+θ+φ)+N(t) (1)y(t)＝Bsin(ωt+θ) (2)則它們的互相關函數(shù)為Rsy(0)=1T∫0S(t)y(t)dt=12ABcos(φ)---(3)]]>從(3)式可以看出，噪聲成分由于與參考信號沒有相關性，對相關運算的結(jié)果沒有影響。相敏檢波器就是通過在信號處理電路中引入一個相關環(huán)節(jié)，從而極大地提高電路的噪聲抑制能力。由于放大電路引入的信道噪聲與參考信號也沒有相關性而被相敏檢波器充分抑制，所以可以通過提高放大電路的增益提高系統(tǒng)的分辨率而不需擔心放大電路引入噪聲影響檢測數(shù)據(jù)的精度。
如圖1所示，基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置具有測量電路板和內(nèi)嵌巨磁電阻傳感器的探頭?；诰薮烹娮鑲鞲衅鞯臏u流檢測裝置的硬件組成部分及連接關系為PC機與單片機控制器、信號發(fā)生電路I、功率放大電路、探頭I、差動放大電路、相敏檢波器I、系統(tǒng)平衡電路I、放大電路I、數(shù)據(jù)采集卡、PC機連接，功率放大電路與探頭II、差動放大電路、相敏檢波器II、系統(tǒng)平衡電路II、放大電路II、數(shù)據(jù)采集卡連接，探頭II與XY掃描儀、XY掃描控制器連接，信號發(fā)生電路I與波形變換電路I、相敏檢波器I連接，單片機控制器與信號發(fā)生電路II、波形變換電路II、相敏檢波器II連接。本發(fā)明裝置的工作頻率可在0-10KHz范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，可用于航空航天等重要領域的多層導電結(jié)構(gòu)深層缺陷的檢測。
本發(fā)明采用專門用于強噪聲背景下的微弱信號提取的相敏檢波技術把系統(tǒng)信噪比可以提高80db以上。相敏檢波器由乘法器和低通濾波器組成。乘法器可以通過開關電路、模擬乘法器及數(shù)字信號處理系統(tǒng)來實現(xiàn)。本發(fā)明的相敏檢波電路采用了以AD835和OP07為核心構(gòu)成的。
電路完全相同的信號發(fā)生電路I、II分別以一片基于DDS技術的AD9832為核心實現(xiàn)。兩片AD9832采用同一有源時鐘驅(qū)動，單片機控制器向兩片AD9832寫入相同的頻率控制字，但是寫入信號發(fā)生電路I、II的相位控制字不同，二者的相位控制字要使得產(chǎn)生的信號相位差為90°，通過AD9832的第9腳(FSYNC)使兩片AD9832工作同步，從而保證產(chǎn)生的兩路正弦波不僅頻率相同，而且相位為90°，即兩路信號正交。信號發(fā)生電路I的輸出經(jīng)功率放大電路后給探頭I、探頭II提供激勵。
基于巨磁電阻傳感器的探頭結(jié)構(gòu)截面示意圖和俯視圖分別如圖2和圖3所示。探頭具有線圈，在線圈內(nèi)固定有巨磁電阻傳感器。
渦流檢測技術實用化的一個非常關鍵的問題是磁場的測量。目前，有很多種測量磁場的傳感器?；诔瑢Я孔痈缮?SQUID)原理的磁場傳感器雖然靈敏度非常高，但是其結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大且價格昂貴，目前多用于醫(yī)療及材料磁性研究領域；線圈式的磁場傳感器制作簡單、成本低，但在靜態(tài)或者低頻磁場測量方面能力不足；基于磁通門原理的磁場傳感器具有較高的分辨率和良好的魯棒性，但體積大、價格昂貴、頻率響應差；各向異性磁阻傳感器(AMR)靈敏度比較高，響應快，但AMR磁場傳感器可測量磁場范圍小，抗干擾能力差；霍爾傳感器雖然成本低，應用非常廣泛，但霍爾傳感器的靈敏度比較低、偏移大、溫度穩(wěn)定性低；而最近商業(yè)化的巨磁電阻傳感器則不僅靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好，而且成本也比較低，抗干擾能力強，可測量磁場范圍大。不同類型的磁場傳感器性能比較對照表如表1和表2所示。

表1不同類型磁場傳感器的比較

表2不同磁場傳感器可探測磁場范圍及市場價格相比較傳統(tǒng)的線圈式和HALL等磁場傳感器式探頭，應用巨磁電阻傳感器的探頭具有以下優(yōu)點(1)、因為巨磁電阻傳感器是直接檢測磁場強度大小，而不受激勵頻率的影響，在低頻下仍有極高的靈敏度；(2)、傳感器可以做得很小，所造成的檢測信號畸變也非常小；(3)、溫度穩(wěn)定性好，從而使得測量結(jié)果受溫度影響小，可適應各種溫度變化大的工作條件；(4)與SQUID、FLUXGATE、AMR、HALL等眾多磁場傳感器相比，巨磁電阻傳感器成本低、可測量磁場范圍寬、信噪比高、功耗低，從而性價比最高。
如圖4所示，巨磁電阻傳感器以SS501A為核心構(gòu)成，SS501A的第1腳接正5v電源，SS501A的第2腳與INA118的第3腳連接，SS501A的第3腳接模擬地，SS501A的第4腳與INA118的第2腳連接，INA118的第1腳通過第一電阻R1與INA118的第8腳連接，INA118的第4腳接負5v電源，INA118的第7腳接正5v電源，INA118的第5腳接模擬地，INA118的第6腳與差動放大電路的輸入端連接。
基于巨磁電阻傳感器的探頭1與探頭2的結(jié)構(gòu)及電路原理完全相同。
如圖5所示，信號發(fā)生電路I以AD9832為核心構(gòu)成，AD9832的第1腳通過第一電阻R1接模擬地，AD9832的第2腳、第3腳通過第一電容C1接模擬地，AD9832的第4腳接正5v電源，AD9832的第5腳接數(shù)字地，AD9832的第7腳、第8腳分別與單片機SPI模塊的SCLK、SDATA腳連接，AD9832的第9腳、第10腳、第11腳、第12腳分別與單片機IO口的4個引腳連接，AD9832的第13腳接模擬地，AD9832的第14腳通過第二電阻R2與模擬地連接，AD9832的第15腳與正5v、第三電容C3的第一腳連接，AD9832的第16腳通過第二電容C2與正5v、第三電容C3的第一腳連接，第三電容C3的第二腳接模擬地，AD9832的第6腳與有源時鐘的第3腳連接，有源時鐘的第4腳接正5v電源，有源時鐘的第3腳接數(shù)字地，有源時鐘的第1腳懸空。
信號發(fā)生電路II以AD9832為核心構(gòu)成，其工作原理及電路連接與信號發(fā)生電路I相同。
信號發(fā)生電路I的信號輸出經(jīng)過功率放大后驅(qū)動探頭I、探頭II。本發(fā)明的功率放大電路采用了以集成功率放大芯片TDA2030和通用運放NE5532為核心的BTL型功率放大電路。
信號發(fā)生電路I、II的輸出經(jīng)過波形變換電路，將正弦波變?yōu)榉讲?。本發(fā)明的波形變換電路是以TTL和CMOS電平兼容的AD8564為核心實現(xiàn)的。
經(jīng)過差動放大探頭I、II輸出的信號分兩路送入相敏檢波器I、II。相敏檢波器I的另一路輸入信號為與探頭I、探頭II的激勵信號同頻率同相位的方波參考信號I；相敏檢波器II的另一路輸入信號為與探頭I、探頭II的激勵信號同頻率但相位差為90°的方波參考信號II。相敏檢波器的兩輸入信號乘積的差頻部分為直流信號，而各種噪聲與參考信號的乘積為高頻部分。經(jīng)相敏檢波器I、II中的低通濾波電路處理后，相敏檢波器I、II的輸出信號為直流，其幅值大小為與被測件中待檢測參數(shù)對應。這兩路直流信號分別經(jīng)系統(tǒng)平衡電路I、II和放大電路I、II處理后，由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入PC機。
模擬電路設計中經(jīng)常遇到的問題就是零點漂移。零點漂移的具體表現(xiàn)是儀器工作點的漸進慢變化。它是影響儀器檢測精度的一個十分重要的因素，處理不當將達不到設計精度，嚴重的甚至影響系統(tǒng)的正常工作。一般來說，產(chǎn)生零點漂移的原因有兩個一個是溫漂，一是時漂。在上述兩個因素中，溫漂是系統(tǒng)零點漂移的主要部分。而引起零點漂移的原因很多，例如電源電壓的變化、環(huán)境溫度、濕度的改變以及老化引起的電路元件參數(shù)的變化等。零點漂移在電容耦合放大器中也存在，但是由于耦合電容的隔直流作用，這種慢變化不會傳送到下一級去，對電路影響不大。所以，應把克服電路零點漂移的重點放在直流放大部分，因為在直流放大階段，前一級的直流工作點的漂移，會通過耦合電路加到下一級放大器，這樣，經(jīng)過后一級放大后漂移就增加了，對下一級工作點造成了很大影響。基于此，我們設計了抑制零點漂移電路，其工作原理如圖5所示。系統(tǒng)平衡電路的電路為觸發(fā)按鈕與單穩(wěn)電路I、二進制計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓放大器、儀器放大器、過零比較器、單穩(wěn)電路III、方波發(fā)生器、二進制計數(shù)器連接；單穩(wěn)電路II與方波發(fā)生器、二進制計數(shù)器連接。
如圖7所示，在PC機中首先對采集數(shù)據(jù)進行預處理，因為在實際的多層導電結(jié)構(gòu)渦流掃描檢測工作中，可能會因為非接觸式的檢測，探頭信號比較弱，提離距離(探頭底部到被測件表面的距離)發(fā)生變化、材料屬性的差異以及工業(yè)生產(chǎn)過程的噪聲等因素影響，微弱的有效信號與噪聲混雜在采集的數(shù)據(jù)中。本發(fā)明裝置采用了基于小波包分析方法進行信號消噪。
然后根據(jù)預處理后的“干凈”數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中標準樣件的實測數(shù)據(jù)，選擇最小二乘、支持向量機(Support Vector Machine)等算法進行反演計算，得出被測件的待檢測參數(shù)。其后根據(jù)反演結(jié)果對被測件進行性能評估，依據(jù)評估結(jié)果確定是否發(fā)送報警信息。
權(quán)利要求
1.一種基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，其特征在于，PC機與單片機控制器、信號發(fā)生電路I、功率放大電路、探頭I、差動放大電路、相敏檢波器I、系統(tǒng)平衡電路I、放大電路I、數(shù)據(jù)采集卡、PC機連接，功率放大電路與探頭II、差動放大電路、相敏檢波器II、系統(tǒng)平衡電路II、放大電路II、數(shù)據(jù)采集卡連接，探頭II與XY掃描儀、XY掃描控制器連接，信號發(fā)生電路I與波形變換電路I、相敏檢波器I連接，單片機控制器與信號發(fā)生電路II、波形變換電路II、相敏檢波器II連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，其特征在于，所述的探頭具有線圈，在線圈內(nèi)固定有巨磁電阻傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，其特征在于，所述的巨磁電阻傳感器以SS501A為核心構(gòu)成，SS501A的第1腳接正5v電源，SS501A的第2腳與INA118的第3腳連接，SS501A的第3腳接模擬地，SS501A的第4腳與INA118的第2腳連接，INA118的第1腳通過第一電阻(R1)與INA118的第8腳連接，INA118的第4腳接負5v電源，INA118的第7腳接正5v電源，INA118的第5腳接模擬地，INA118的第6腳與差動放大電路的輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，其特征在于，所述的信號發(fā)生電路是以AD9832為核心構(gòu)成，AD9832的第1腳通過第一電阻(R1)接模擬地，AD9832的第2腳、第3腳通過第一電容(C1)接模擬地，AD9832的第4腳接正5v電源，AD9832的第5腳接數(shù)字地，AD9832的第7腳、第8腳分別與單片機SPI模塊的SCLK、SDATA腳連接，AD9832的第9腳、第10腳、第11腳、第12腳分別與單片機IO口的4個引腳連接，AD9832的第13腳接模擬地，AD9832的第14腳通過第二電阻(R2)與模擬地連接，AD9832的第15腳與正5v、第三電容(C3)的第一腳連接，AD9832的第16腳通過第二電容(C2)與正5v、第三電容(C3)的第一腳連接，第三電容(C3)的第二腳接模擬地，AD9832的第6腳與有源時鐘的第3腳連接，有源時鐘的第4腳接正5v電源，有源時鐘的第2腳接數(shù)字地，有源時鐘的第1腳懸空。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨磁電阻傳感器的渦流檢測裝置，其特征在于，所述的系統(tǒng)平衡電路的電路為觸發(fā)按鈕與單穩(wěn)電路I、二進制計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓放大器、儀器放大器、過零比較器、單穩(wěn)電路III、方波發(fā)生器、二進制計數(shù)器連接；單穩(wěn)電路II與方波發(fā)生器、二進制計數(shù)器連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于巨磁電阻傳感器檢測探頭的渦流檢測裝置。該裝置采用基于直接數(shù)字合成技術的集成電路得到頻率可調(diào)的正弦信號，為激勵線圈提供激勵信號。根據(jù)電磁感應原理，當激勵線圈靠近被測導電結(jié)構(gòu)時，被測件中會產(chǎn)生渦流；渦流反過來又影響激勵線圈所產(chǎn)生的磁場?；诰薮烹娮鑲鞲衅鞯臋z測探頭檢測出磁場的變化，該磁場變化信號經(jīng)過差動放大后分兩路送入相敏檢波器。相敏檢波器的輸出信號與被測件的某個或某些待檢測參數(shù)有密切關系，經(jīng)過分析或反演計算，可推測出待測參數(shù)的狀況或數(shù)值。該裝置采用了基于巨磁電阻傳感器的檢測探頭，探頭適用于檢測磁場尤其是微弱磁場，適用于航空航天等領域的多層導電結(jié)構(gòu)里層和深層缺陷的無損檢測與評估。
文檔編號G01N27/90GK1959402SQ20061015444
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者周澤魁, 范孟豹, 黃平捷, 張光新, 候迪波, 蔡晉輝, 葉波, 賀光琳, 龔翔, 武海鑫 申請人:浙江大學