專利名稱：一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及渦流無損位移檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
渦流檢測技術(shù)是近年來發(fā)展快速的一項無損檢測技術(shù)，它利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)對金屬材料或工件的監(jiān)測、測量和評估。將探頭線圈中通入交流電，這時線圈內(nèi)及其附近就會產(chǎn)生交變的磁場，附近的金屬材料就會發(fā)生渦流效應(yīng)，在材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流會產(chǎn)生二級磁場反作用于探頭線圈，從而改變原來磁場的分布以及探頭線圈等效阻抗等參數(shù)。渦流的大小和分布，除與線圈形狀和尺寸、電流大小和頻率等有關(guān)外，還取決于被測材料的形狀、內(nèi)部缺陷、與線圈的距離以及材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等諸多因素。所以，在固定其他條件不變的情況下，渦流位移檢測裝置就可以用來檢測金屬工件與探頭線圈的距離，從而達到測量工件機械位移的目的。渦流位移檢測裝置因具有長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通、大型旋轉(zhuǎn)機械等關(guān)鍵零部件的檢測與評估中得到廣泛應(yīng)用。雖然渦流位移檢測技術(shù)自誕生之日起就在不同工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但渦流檢測機理決定了渦流位移檢測裝置探頭線圈等效阻抗受被測對象的電磁特性影響非常大。幾何形狀和工作環(huán)境完全相同的不同金屬材料制成的工件，由于其自身的電磁特性差異，一般的測試方法得到的結(jié)果差異很大。在工程測試標定中，一種被測對象對應(yīng)一次標定過程，這樣在對不同材料進行檢測時，渦流位移檢測裝置必須重新標定，工作量很大且不易操作；或當材料特性未知時，檢測裝置不能進行定量測量。這些現(xiàn)象嚴重降低了渦流位移檢測裝置的互換性，限定了其使用范圍。目前，渦流位移檢測裝置的檢測電路多采用電感式傳感器原理設(shè)計而成，大都采用定頻調(diào)幅、變頻調(diào)幅和調(diào)頻等信號調(diào)制方式。在渦流位移檢測裝置的設(shè)計中，線圈與被測對象之間的距離可以轉(zhuǎn)換為線圈的品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感L，測量電路的任務(wù)就是把這些參數(shù)的變化變換為電壓、電流或頻率的變化。但是這些方法都只是單獨的利用位移與電壓、電流或者頻率的關(guān)系來實現(xiàn)物理量和電量之間的轉(zhuǎn)換，很難有行之有效的辦法來解決材料電磁特性對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。由于工程應(yīng)用上對消除材料電磁特性影響有著廣泛的需求，目前人們還發(fā)明了一些可行的方法來實現(xiàn)這個功能，典型的方案有以下兩種。第一種方法，基于探頭阻抗矢量投影法的測量方法(發(fā)明專利，杜平安，于亞婷，楊拓.一種渦流位移檢測方法.申請?zhí)?01010264717.9)。該發(fā)明通過對渦流探頭線圈阻抗的實部Rb和虛部Xb進行矢量投影來消除渦流位移檢測裝置測量中被測對象電磁特性對輸出結(jié)果的影響。該方法通過提取探頭線圈在激勵信號作用下的幅值差和相位差信號來獲得渦流位移檢測裝置探頭線圈阻抗的實部和虛部，再采用矢量投影來進行等效阻抗變換，最后利用等效阻抗和檢測距離的函數(shù)關(guān)系來輸出檢測結(jié)果，達到位移檢測的目的。
第二種方法，基于磁場強度檢測的測量方法(發(fā)明專利于亞婷，杜平安，楊拓.一種消除電子擺振的渦流位移檢測方法及其裝置.申請?zhí)?01010268977. 3，公開號CN101975543A)。該發(fā)明將具有不同電導(dǎo)率的被測對象進行完全磁化，然后通過設(shè)計的測量電路檢測出渦流位移檢測裝置探頭處的磁場強度，再對磁場強度進行分解，獲得磁場強度的實部和虛部向量。在同一位移下，磁傳感器中磁感應(yīng)強度信號的復(fù)數(shù)向量的實部和虛部位于同一條橢圓曲線上；不同位移下的橢圓曲線簇具有相同的轉(zhuǎn)向角且相切于一點的特點，通過計算橢圓的長半軸來確定被測對象的位移。第一種基于探頭阻抗矢量投影的測量方法采用模擬/數(shù)字混合電路設(shè)計，主要存在以下兩點問題(1)該方法為了提取探頭線圈阻抗的實部電阻值和虛部電感值，需要設(shè)計復(fù)雜的硬件電路，這就增加了電路設(shè)計的難度和成本。 (2)該方法對阻抗的矢量形式在平面坐標系內(nèi)進行投影，需要大量的計算步驟。在計算過程中，還會弓I入三角函數(shù)、反三角函數(shù)等復(fù)雜函數(shù)，該方法采用單片機來完成這些復(fù)雜運算需要占用單片機內(nèi)部大量的存儲資源，同時復(fù)雜的程序也耗費了大量的時間，這就必然降低了渦流位移檢測裝置測試的實時性。再者，受單片機計算位數(shù)的限制，測試結(jié)果的精度不高。總之第一種方法的關(guān)鍵缺點計算過程復(fù)雜，實時性差，精度差。第二種基于磁場強度檢測的方法雖然突破傳統(tǒng)方法的局限性，不再利用線圈品質(zhì)因素、阻抗、電感等物理量進行測量。而是引入磁傳感器，通過磁化被測對象，檢測磁場強度并進行矢量分解，最終達到消除材料電磁特性對檢測結(jié)果的影響。但是磁傳感器的引入，大大增加了檢測裝置的技術(shù)難度和經(jīng)濟成本，同時所需的橢圓模型比較復(fù)雜，如果要脫離計算機設(shè)計成獨立的或者便攜式的檢測裝置，針對微處理器而言，需要尋找有效的計算橢圓長半軸的算法，而且需要數(shù)據(jù)處理能力強的高性能微處理器?？傊诙N方法的關(guān)鍵缺點是技術(shù)難度大，開發(fā)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的渦流檢測方法檢測計算過程復(fù)雜的不足，提出了一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，采用該方法的渦流位移檢測方法可以使渦流位移檢測過程中的標定參數(shù)更好地匹配被檢測材料的電磁特性，以提高渦流位移檢測裝置檢測的精度。本發(fā)明的技術(shù)方案一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，至少包括如下步驟步驟1.產(chǎn)生固定頻率的正弦信號；步驟2.放大正弦信號；步驟3.激勵探頭線圈；步驟4.獲取響應(yīng)信號；步驟5.對響應(yīng)信號進行對數(shù)變換；步驟6.模數(shù)轉(zhuǎn)換；步驟8.自適應(yīng)中斷請求判定；當在更換被測材料或當被測材料電磁特性未知時，則進入步驟9進行重新標定；當被測材料不變吋，則無需進行重新標定，跳轉(zhuǎn)進入步驟10計算位移值；步驟9.對渦流位移檢測裝置進行標定；
步驟10.計算位移的值；幅值信號Vm和相位信號Vp是表征被檢測位移d的電信號，它們值的大小反映了位移d的大小。將幅值信號Vm與相位信號Vp作比，并與位移d在坐標系內(nèi)進行投影計算得到位移d的值。上述步驟5的具體實施過程為對響應(yīng)信號Ur進行對數(shù)變化時，選擇激勵信號U1作為參考信號，如公式5所示，將響應(yīng)信號Ur的幅值與激勵信號U1的幅值作比并取對數(shù)，然后乘以變化系數(shù)，并加上一個偏移量，得到幅值信號Vm ;同理，將響應(yīng)信號Ur的相位與激勵信號U1的相位作差并取對數(shù)，然后乘以變化系數(shù)，并加上一個偏移量，得到相位信號Vp，Vffl和Vp都是直流電壓信號。
L =0.6 Iog^+ 0.9公式 5。Vp=-O. 61og( I <^-<^1-90° )+0. 9上述步驟9的具體實施過程為在標定過程開始，系統(tǒng)會要求用戶在量程范圍內(nèi)選擇三個不同的位置，等待系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這三個不同點的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行線性擬合，計算出擬合直線的斜率k，然后根據(jù)斜率k來判定材料的電磁特性類別。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果本發(fā)明的方法能夠自動識別材料電磁特性類別并自動標定檢測裝置。該方法能夠通過所設(shè)計的渦流位移檢測裝置的(簡稱系統(tǒng))自動識別被檢測材料的電磁特性類別，然后通過標定程序?qū)u流位移檢測裝置進行重新自動標定，這樣使渦流位移檢測裝置的相關(guān)標定參數(shù)能夠更好地匹配被檢測材料的電磁特性，從而來消除材料電磁特性對檢測結(jié)果的影響，提高渦流位移檢測裝置檢測的精度。


圖I為本發(fā)明的總體流程圖。圖2為本發(fā)明步驟5中幅值信號Vm與相位信號Vp投影圖。圖3為本發(fā)明步驟9中自動標定過程流程圖。圖4為本發(fā)明步驟9中三個不同位置確定材料電磁特性類別示意圖。圖5為本發(fā)明步驟9中位移d與Vm/Vp擬合曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明如圖I所示，一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，包括如下步驟步驟I.產(chǎn)生固定頻率的正弦信號。通過信號發(fā)生模塊產(chǎn)生頻率為IMHz的正弦信號u0，U0可表示為如下公式(I)所示，U0=A0Cos (cot+Φ 0)公式
Cl)公式(I)中，Utl是正弦/[目號；A(!是正弦彳目號的幅值；ω是角頻率；t是時間變量；Φ。是正弦信號的初始相位。其中為ω已知量，Ac^P 為可測定量。本發(fā)明中產(chǎn)生正弦信號Utl的方法是首先通過單片機產(chǎn)生PWM波，調(diào)節(jié)PWM波的占空比，使PWM波的頻譜成分中基頻成分達到最大，再采用集成濾波器濾除里面的高頻成分，得到所需要的正弦信號％。步驟2.放大正弦信號。由于步驟1產(chǎn)生的正弦信號U0幅值很小，需要對該信號進行適當放大并和后面的電路進行隔離，防止后面的電路對信號發(fā)生模塊的干擾。本發(fā)明采用高速強驅(qū)動能力的集成運算放大器完成正弦信號U0的放大，放大后得到需要的激勵信號U” Ui可表示為如下公式(2)所示，UfAiCOS ( ω t+Φ J公式
(2)公式(2)中，仏是經(jīng)過放大后得到的激勵信號ふ是激勵信號的幅值；ω是角頻率，與％中的ω相同，沒有發(fā)生變化；t是時間變量、(^是激勵信號的相位。其中為ω已知量，Ai和小ェ為可測定量。步驟3.激勵探頭線圏。為了使渦流位移檢測裝置探頭線圈與被測金屬材料之間在量程范圍內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，必須要有足夠強度的電流流過探頭線圈，所以本步驟的作用就是將前面得到的激勵信號仏進行電壓-電流變換，以保證有足夠強度并且穩(wěn)定的電流信號Ii激勵探頭線圏。本發(fā)明采用雙運放組成的反饋型恒流源設(shè)計方案來完成電壓-電流的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果如公式(3)所示，
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I.產(chǎn)生固定頻率的正弦信號； 步驟2.放大正弦信號； 步驟3.激勵探頭線圈； 步驟4.獲取響應(yīng)信號； 步驟5.對響應(yīng)信號進行對數(shù)變換； 步驟6.模數(shù)轉(zhuǎn)換； 步驟8.自適應(yīng)中斷請求判定；當在更換被測材料或當被測材料電磁特性未知時，則進入步驟9進行重新標定；當被測材料不變時，則無需進行重新標定，跳轉(zhuǎn)進入步驟10計算位移值； 步驟9.對渦流位移檢測裝置進行標定； 步驟10.計算位移的值；幅值信號Vm和相位信號Vp是表征被檢測位移d的電信號，它們值的大小反映了位移d的大小。將幅值信號Vm與相位信號Vp作比，并與位移d在坐標系內(nèi)進行投影計算得到位移d的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I素數(shù)的一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，其特征在于，上述步驟5的具體實施過程為對響應(yīng)信號Ur進行對數(shù)變化時，選擇激勵信號U1作為參考信號，如公式5所示，將響應(yīng)信號Ur的幅值與激勵信號U1的幅值作比并取對數(shù)，然后乘以變化系數(shù)，并加上一個偏移量，得到幅值信號Vm ;同理，將響應(yīng)信號&的相位與激勵信號U1的相位作差并取對數(shù)，然后乘以變化系數(shù)，并加上一個偏移量，得到相位信號\，Vffl和Vp都是直流電壓信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I素數(shù)的一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，其特征在于，上述步驟9的具體實施過程為在標定過程開始，系統(tǒng)會要求用戶在量程范圍內(nèi)選擇三個不同的位置，等待系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這三個不同點的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行線性擬合，計算出擬合直線的斜率k，然后根據(jù)斜率k來判定材料的電磁特性類別。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)渦流位移檢測方法，包括如下步驟步驟1.產(chǎn)生固定頻率的正弦信號；步驟2.放大正弦信號；步驟3.激勵探頭線圈；步驟4.獲取響應(yīng)信號；步驟5.對響應(yīng)信號進行對數(shù)變換；步驟6.模數(shù)轉(zhuǎn)換；步驟8.自適應(yīng)中斷請求判定；當在更換被測材料或當被測材料電磁特性未知時，則進入步驟9進行重新標定；當被測材料不變時，則無需進行重新標定，跳轉(zhuǎn)進入步驟10計算位移值；步驟9.對渦流位移檢測裝置進行標定；本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果本發(fā)明的方法能夠自動識別材料電磁特性類別并自動標定檢測裝置，從而來消除材料電磁特性對檢測結(jié)果的影響，提高渦流位移檢測裝置檢測的精度。
文檔編號G01N27/90GK102955000SQ20121030377
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者杜平安, 李茂福, 于亞婷 申請人:電子科技大學(xué)