本發(fā)明涉及一種基于zigbee技術(shù)的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)，屬于無損檢測與評估技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

工作車間流水線上每天生產(chǎn)大量零部件，其中混雜著一些不合格產(chǎn)品。目前主要的檢測方式是將這些剛生產(chǎn)的零部件集中起來，拿到檢測部門檢測，這樣的檢測方式耗時耗力，效率低。隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和信息管理技術(shù)的快速發(fā)展，自動化檢測技術(shù)逐步由集中走向分散化、網(wǎng)絡化、智能化和集成化。

工業(yè)生產(chǎn)過程中無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)是重要組成部分，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控，還能夠確保生產(chǎn)過程中設備的安全性，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要標志，體現(xiàn)了工業(yè)發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)的緊密聯(lián)系。目前有人提出使用gprs無線傳輸方式遠程獲得車間內(nèi)生產(chǎn)零部件的缺陷和損傷數(shù)據(jù)，雖然克服了有線通訊的復雜連線問題，但是gprs按流量收費，終端規(guī)模大，長期使用成本必然較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于zigbee技術(shù)的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)，目的是解決現(xiàn)有檢測技術(shù)中存在的問題。利用渦流檢測技術(shù)，可以通過試件內(nèi)部磁場的變化分析出試件的缺陷和損傷情況；利用特殊形狀的陣列式探測器可以進行多點采集的特點，當試件經(jīng)過陣列式探測器時可以采集到整個試件內(nèi)部缺陷和損傷情況；利用無線傳輸技術(shù)，能夠及時地將采集到的數(shù)據(jù)傳到上位機存儲分析顯示，并簡化了車間到上位機之間的復雜連線，節(jié)省了成本。這種檢測方式不僅提高了檢測效率、節(jié)約了成本，還提高了管理效率，給試件的檢測帶來了極大的便利。其結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)υ嚰M行無線低功耗在線檢測；擴展方便、適用范圍廣、安全可靠同時還節(jié)省人力，并且一旦設備連接成功，其操作方便因而使用性強，推廣性強。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種基于zigbee技術(shù)的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)，包括陣列式探測器、信號調(diào)理電路6、功率放大器7、控制器1、路由節(jié)點2、協(xié)調(diào)節(jié)點3和上位機4，所述的陣列式探測器為若干個探頭5圍成的半圓柱體，外形呈隧道狀，架在流水線上不隨流水線的移動而移動，所述的探頭5包括漆包線、錳鋅鐵氧體磁芯、霍爾磁傳感器電路，漆包線繞在錳鋅鐵氧體磁芯上形成激勵線圈，霍爾磁傳感器電路的電路板緊貼錳鋅鐵氧體磁芯底部且平行于水平面放置，所述的控制器1包括第一stm32f407控制芯片，路由節(jié)點2包括第一zigbee芯片cc2430，協(xié)調(diào)節(jié)點3包括第二stm32f407控制芯片1111、第二zigbee芯片cc24301010；

所述的探頭5用于檢測通過其下方的被測試件，其輸入端與功率放大器7的輸出端連接，輸出端與信號調(diào)理電路6的輸入端連接，信號調(diào)理電路6的輸出端與控制器1的輸入端連接，控制器1的輸出端分別與功率放大器7的輸入端、路由節(jié)點2中的第一zigbee芯片cc2430連接，控制器1通過第一stm32f407控制芯片內(nèi)部自帶的通用定時器產(chǎn)生pwm波，pwm波經(jīng)過功率放大器7放大驅(qū)動激勵線圈，第一zigbee芯片cc2430通過無線射頻天線與協(xié)調(diào)節(jié)點3中的第二zigbee芯片cc243010無線通信，第二zigbee芯片cc243010與第二stm32f407控制芯片11連接，第二stm32f407控制芯片11與上位機4連接。

所述的直徑為0.3mm的漆包線繞在錳鋅鐵氧體磁芯上，形成內(nèi)徑5mm，外徑25mm，高20mm的激勵線圈，霍爾傳感器電路采用貼片式線性霍爾元件hal49e。

所述的信號調(diào)理電路包括：濾波、放大電路和輸出端口，其中濾波電路采用二階rc有源低通濾波器，r14和c3構(gòu)成一階低通濾波電路，r15和c4構(gòu)成二階低通濾波電路，濾波后的電路進入ua741cd放大電路中，兩個一階低通濾波電路和ua741cd運算放大器串聯(lián)，ua741cd運算放大器的輸出端口與控制器1連接，放大電路由三運放差分放大電路構(gòu)成，兩個opa335芯片構(gòu)成差分放大部分，再串聯(lián)一個ua741cd放大電路，探頭5的兩個輸出端分別連接在兩個opa335放大器的正負端進行差分放大。

所述的協(xié)調(diào)節(jié)點3中第二stm32f407控制芯片11、第二zigbee芯片cc243010通過usart串口通訊。

所述的第一stm32f407控制芯片的串口引腳tx和rx分別與第一zigbee芯片cc2430的串口引腳rx和tx連接，第二stm32f407控制芯片11的串口引腳tx和rx分別與第二stm32f407控制芯片11的串口引腳rx和tx連接。

所述的控制器1還包括晶振、復位電路9，usb電路，備用電池，jtag電路，flash存儲器電路和電源管理電路8，usb電路用來向芯片內(nèi)下載程序，usb電路采用ch340g芯片，usb電路與第一stm32f407控制芯片通過usart1進行數(shù)據(jù)傳輸，ch340g芯片的tx和rx引腳分別與第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引腳連接，第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引腳分別連接在第一stm32f407控制芯片的普通輸入輸出口pa10和pa11上，即：第一stm32f407控制芯片的普通輸入輸出口pa10和pa11通過軟件初始化可端口復用為串口1的收發(fā)引腳也就是u1_tx和u1_rx，電源管理電路8包括5v直流電壓輸入電路和5v轉(zhuǎn)3.3v電路，5v直流電壓輸入電路采用mp2359芯片，5v轉(zhuǎn)3.3v電路采用ams1117芯片，flash存儲器電路采用w25q128芯片，w25q128芯片與第一stm32f407控制芯片通過spi串口方式通訊，w25q128芯片的clk引腳、si引腳和so引腳分別連接在第一stm32f407控制芯片的spi1_sck、spi1_mosi和spi1_miso引腳上，jtag電路用于程序的在線調(diào)試，第一stm32f407控制芯片自帶jtag端口。

所述的功率放大器7采用lm386模塊，最大增益達到200，lm386模塊的-input引腳接地，+input引腳接收來自第一stm32f407控制芯片pe13引腳連接，用來接收第一stm32f407控制器產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制波形,vout引腳輸出放大后的脈沖寬度調(diào)制波形經(jīng)過退耦和濾波后連接探頭5上的激勵線圈。

本發(fā)明的工作原理是：控制器1通過第一stm32f407控制芯片內(nèi)部自帶的通用定時器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波形也就是pwm波，pwm波經(jīng)過功率放大器7放大驅(qū)動激勵線圈；霍爾傳感器采集到次生磁場和原生磁場的合成磁場并轉(zhuǎn)化為電信號，如果試件有缺陷或損傷則合成磁場中包含試件的缺陷或損傷信息；這種合成磁場轉(zhuǎn)化的電信號經(jīng)過第一stm32f407控制芯片內(nèi)部自帶的12位a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，由路由節(jié)點2將數(shù)字信號通過無線傳感方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點3，再由協(xié)調(diào)節(jié)點3通過usart串口通訊方式將信號傳輸?shù)缴衔粰C4；路由節(jié)點2與協(xié)調(diào)節(jié)點3之間通過zigbee網(wǎng)絡通訊。

本發(fā)明的有益效果：生產(chǎn)車間內(nèi)采用zigbee無線網(wǎng)絡通信，省去布線的麻煩，易于升級維護；可以及時有效地遠程獲取生產(chǎn)車間內(nèi)流水線上試件的缺陷與損傷情況；不僅節(jié)約了成本、避免了有線設備的損壞幾率，還提高了管理效率，給生產(chǎn)試件的檢測帶來了極大的便利，節(jié)省了人力成本；體積小，操作方便，推廣性較好，具有一定的應用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施整體布局示意圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明控制器1的電路圖；

圖4為本發(fā)明系統(tǒng)電源電源管理電路8圖；

圖5為本發(fā)明功率放大器7的電路圖；

圖6為本發(fā)明霍爾磁傳感器的電路圖；

圖7為本發(fā)明信號調(diào)理模塊6的電路圖；

圖8為本發(fā)明zigbee芯片cc2430的電路圖；

圖9為本發(fā)明zigbee芯片cc2430與stm32f407控制芯片的通訊示意圖。

圖中各標號為：1-控制器、2-路由節(jié)點、3-協(xié)調(diào)節(jié)點、4-上位機、5-探頭、6-信號調(diào)理電路、7-功率放大器、8-電源管理電路、9-復位電路9、10-第二zigbee芯片cc2430，11-第二stm32f407控制芯片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明做進一步的說明。

實施例1：如圖1-9所示，一種基于zigbee技術(shù)的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)，包括陣列式探測器、信號調(diào)理電路6、功率放大器7、控制器1、路由節(jié)點2、協(xié)調(diào)節(jié)點3和上位機4，所述的陣列式探測器為若干個探頭5圍成的半圓柱體，外形呈隧道狀，架在流水線上不隨流水線的移動而移動，所述的探頭5包括漆包線、錳鋅鐵氧體磁芯、霍爾磁傳感器電路，漆包線繞在錳鋅鐵氧體磁芯上形成激勵線圈，霍爾磁傳感器電路的電路板緊貼錳鋅鐵氧體磁芯底部且平行于水平面放置，所述的控制器1包括第一stm32f407控制芯片，路由節(jié)點2包括第一zigbee芯片cc2430，協(xié)調(diào)節(jié)點3包括第二stm32f407控制芯片11、第二zigbee芯片cc243010；

所述的探頭5用于檢測通過其下方的被測試件，其輸入端與功率放大器7的輸出端連接，輸出端與信號調(diào)理電路6的輸入端連接，信號調(diào)理電路6的輸出端與控制器1的輸入端連接，控制器1的輸出端分別與功率放大器7的輸入端、路由節(jié)點2中的第一zigbee芯片cc2430連接，控制器1通過第一stm32f407控制芯片內(nèi)部自帶的通用定時器產(chǎn)生pwm波，pwm波經(jīng)過功率放大器7放大驅(qū)動激勵線圈，第一zigbee芯片cc2430通過無線射頻天線與協(xié)調(diào)節(jié)點3中的第二zigbee芯片cc243010無線通信，第二zigbee芯片cc243010與第二stm32f407控制芯片11連接，第二stm32f407控制芯片11與上位機4連接。本發(fā)明中第一zigbee芯片與第二zigbee芯片cc243010的結(jié)構(gòu)相同，第一stm32f407控制芯片與第二stm32f407控制芯片11的結(jié)構(gòu)相同。

根據(jù)實際情況在車間流水線上放置若干個探頭5，構(gòu)成陣列式探測器。陣列式探測器呈現(xiàn)半圓柱形，外形似隧道一樣架在流水線上，陣列式探測器是固定的，不隨流水線的移動而移動。當試件從探測器下方經(jīng)過時，就可以很方便的探測整個試件內(nèi)部的缺陷和損傷情況。因為stm32f407內(nèi)部有3個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器都有16個通道，每個通道對應一個輸入輸出端口，所以就可以很方便的將每個探頭5的輸出端連接在信號調(diào)理電路6上，再將信號調(diào)理電路6的各輸出端分別連在第一stm32f407控制芯片的各模數(shù)轉(zhuǎn)換通道上。

進一步地，所述的直徑為0.3mm的漆包線繞在錳鋅鐵氧體磁芯上，形成內(nèi)徑5mm，外徑25mm，高20mm的激勵線圈，霍爾傳感器電路采用貼片式線性霍爾元件hal49e。具體制作方法是將線徑為0.3mm的漆包線繞制在錳鋅鐵氧體上形成內(nèi)徑為5mm、外徑為25mm、高為20mm的圓柱形激勵線圈繞，線性貼片線性霍爾磁傳感器電路水平放置在鐵氧體下方。線性貼片霍爾傳感器電路輸入端加入旁路電容和去耦電容以降低電源噪聲，在輸出端安放一個小電阻以反饋和減少噪聲；根據(jù)霍爾元件的輸出特性，在霍爾元件周圍安裝一個滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器使探頭在初始時刻的輸出電壓為零。

進一步地，所述的信號調(diào)理電路包括：濾波、放大電路和輸出端口，其中濾波電路采用二階rc有源低通濾波器，r14和c3構(gòu)成一階低通濾波電路，r15和c4構(gòu)成二階低通濾波電路，濾波后的電路進入ua741cd放大電路中，兩個一階低通濾波電路和ua741cd運算放大器串聯(lián)，ua741cd運算放大器的輸出端口與控制器1連接，濾波器中ua741cd放大電路具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，使電路在濾波的同時還可以將有用信號頻率進行放大；濾波器電路中還設計了反饋網(wǎng)絡，其作用是輸出電壓能夠通過反饋元件對放大電路進行自動調(diào)整，從而牽制了輸出電壓的變化，最后達到輸出穩(wěn)定平衡，該濾波器的的優(yōu)點是：體積小、重量輕、不需要磁屏蔽，其作用就是將信號進行濾波、放大、遠傳，與傳感器配合使用，能夠提高系統(tǒng)的適應度和環(huán)境可靠性；放大電路由三運放差分放大電路構(gòu)成，兩個opa335芯片構(gòu)成差分放大部分，再串聯(lián)一個ua741cd放大電路，探頭5的兩個輸出端分別連接在兩個opa335放大器的正負端進行差分放大，利用差分放大電路的對稱性和負反饋作用，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

所述的協(xié)調(diào)節(jié)點3中第二stm32f407控制芯片11、第二zigbee芯片cc243010通過usart串口通訊,路由節(jié)點2與協(xié)調(diào)節(jié)點3之間通過射頻天線進行無線通訊，協(xié)調(diào)節(jié)點3的第二stm32f407控制芯片11接收到由路由節(jié)點2發(fā)來的信號，然后將信號傳輸入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點3的第二stm32f407控制芯片11的存儲器內(nèi)，再由第二stm32f407控制芯片11發(fā)送至上位機。

所述的第一stm32f407控制芯片的串口引腳tx和rx分別與第一zigbee芯片cc2430的串口引腳rx和tx連接，第二stm32f407控制芯片11的串口引腳tx和rx分別與第二stm32f407控制芯片11的串口引腳rx和tx連接。

如圖3所示：所述的控制器1還包括晶振、復位電路9，usb電路，備用電池，jtag電路，flash存儲器電路和電源管理電路8，usb電路用來向芯片內(nèi)下載程序，usb電路采用ch340g芯片，usb電路與第一stm32f407控制芯片通過usart1進行數(shù)據(jù)傳輸，ch340g芯片的tx和rx引腳分別與第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引腳連接，第一stm32f407控制芯片的u1_tx和u1_rx引腳分別連接在第一stm32f407控制芯片的普通輸入輸出口pa10和pa11上，即:第一stm32f407控制芯片的普通輸入輸出口pa10和pa11通過軟件初始化可端口復用為串口1的收發(fā)引腳也就是u1_tx和u1_rx，電源管理電路8包括5v直流電壓輸入電路和5v轉(zhuǎn)3.3v電路，5v直流電壓輸入電路采用mp2359芯片，5v轉(zhuǎn)3.3v電路采用ams1117芯片，電源與地之間接入并聯(lián)的12個104電容,flash存儲器電路采用w25q128芯片，w25q128芯片與第一stm32f407控制芯片通過spi串口方式通訊，w25q128芯片的clk引腳、si引腳和so引腳分別連接在第一stm32f407控制芯片的spi1_sck、spi1_mosi和spi1_miso引腳上，jtag電路用于程序的在線調(diào)試，第一stm32f407控制芯片自帶jtag端口。

進一步地，如圖5所示，所述的功率放大器7采用lm386模塊，最大增益達到200，lm386模塊的-input引腳接地，+input引腳接收來自第一stm32f407控制芯片產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制波形，輸出端口vout引腳連接濾波電容c33和退耦電容c34，濾波電容c33用于濾除輸出信號的交流成分，然后連接激勵線圈，退耦電容c34用于補償濾波電容的高頻缺陷，使輸出信號的線性更好。

如圖4所示：所述的電源管理電路8包括5v直流電壓輸入電路和5v轉(zhuǎn)3.3v電路。5v直流電壓輸入電路采用mp2359芯片，5v轉(zhuǎn)3.3v電路采用ams1117芯片，電源與地之間接入并聯(lián)的12個104電容。通過按button鍵控制電路電源的開關，十分方便。第一stm32f407控制芯片和第二stm32f407控制芯片均連接有電源管理電路8和復位電路9，電源管理電路8為所有的芯片供電。

如圖6所示：線性線性霍爾磁傳感器電路由貼片式線性霍爾元件hal49e和輸出電路構(gòu)成。線性貼片霍爾傳感器電路輸入端加入旁路電容和去耦電容以降低電源噪聲，在輸出端安放一個小電阻以反饋和減少噪聲；根據(jù)霍爾元件的輸出特性，在霍爾元件的輸入端安裝一個滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器使探頭在初始時刻的輸出電壓為零。

如圖8所示：cc2430低功耗的cc2430射頻模塊采用ti公司的cc2430芯片構(gòu)成，該模塊可廣泛的應用于近距離無線通訊領域，本模塊可使用命令控制，通過串口切換模塊的角色，配置串口波特率，修改zigbee網(wǎng)絡參數(shù)。zigbee模塊與stm32f407芯片之間通過usart串口通訊，zigbee模塊的p0.2和p0.3引腳是串口usart的rxd和txd引腳，本系統(tǒng)中分別連接在stm32f407芯片的pa9和pa10因腳上，因為這兩個引腳是stm32f407芯片usart1串口的tx引腳和rx引腳；zigbee芯片的rf_p和rf_n引腳連接射頻天線，通過射頻天線實現(xiàn)兩個zigbee芯片的無線通訊。

實際工作中，根據(jù)工廠車間的實際情況，在車間流水線上放置若干個探頭5構(gòu)成的陣列式探測器，陣列式探測器呈現(xiàn)半圓柱形，外形似隧道一樣架在流水線上，以便能使探頭完全包裹住試件。陣列式探測器是固定的，不隨流水線的移動而移動。當試件從探測器下方經(jīng)過時，就可以很方便的探測整個試件內(nèi)部的缺陷和損傷情況。試件在流水線的皮帶上運輸通過陣列式探測器，陣列式探測器掃過試件以檢測到整個試件內(nèi)部缺陷及損傷情況。因為stm32f407芯片內(nèi)部除了通用定時器9-14，其余通用定時器都包含四個通道，其中一路通道可通過設置相應寄存器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號也就是pwm波形，定時器的各通道都對應一個i/o口，所以可以將輸出pwm波形的i/o口與功率放大器的輸入端口+input連接，功率放大器的-input引腳接地，pwm波形在功率放大器內(nèi)進行放大；功率放大器7的vout輸出引腳與探頭5的激勵線圈端連接，使放大后的pwm波驅(qū)動激勵線圈；放大后的pwm波驅(qū)動激勵線圈后，在激勵線圈周圍產(chǎn)生的電磁場由兩部分疊加而成：一部分是直接從線圈中耦合出的一次電磁場也叫做原生磁場，另一部分是試件中感應出的渦流場所產(chǎn)生的二次電磁場又稱次生磁場。矩陣探頭各傳感器部分采集次生磁場和原生磁場的合成磁場并轉(zhuǎn)化為電信號；探頭輸出端與信號調(diào)理電路的集成差分放大部分的兩端連接，在信號調(diào)理電路6內(nèi)進行放大和兩次低通濾波；因為stm32f407芯片內(nèi)部具有3個12位的adc控制器，每個控制器包含16個通道，每個通道對應一個i/o引腳，所以使各信號調(diào)理電路6的輸出端口分別與第一stm32f407控制芯片的a/d控制器各通道連接，使放大濾波后的模擬信號從信號調(diào)理電路的輸出端口傳輸?shù)降谝籹tm32f407控制芯片，在第一stm32f407控制芯片自帶的12位a/d轉(zhuǎn)換器內(nèi)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過控制器1控制通過路由節(jié)點2傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點3，再由協(xié)調(diào)節(jié)點3將信號傳輸?shù)缴衔粰C4。

開機后協(xié)調(diào)節(jié)點3自動建立zigbee無線自組網(wǎng)，各探頭5自動加入網(wǎng)絡，完成組網(wǎng)。初次使用，可在協(xié)調(diào)節(jié)點3上通按鍵選擇進入設置界面，根據(jù)需求輸入閾值、采樣頻率、發(fā)送頻率等參數(shù)。設置無誤后，控制器1產(chǎn)生矩形脈沖信號經(jīng)過功率放大器7作用于激勵線圈，探頭周期采集車間試件參數(shù)，并通過路由節(jié)點2傳送至協(xié)調(diào)節(jié)點3，協(xié)調(diào)節(jié)點3綜合所有數(shù)據(jù)后，將試件的缺陷和損傷信息發(fā)送至上位機4存儲分析顯示。當有試件的缺陷和損傷程度達到我們要求的最大值，控制器1會自動發(fā)出報警指令。操作員通過上位機軟件可遠程及時獲取車間內(nèi)設備情況，并可通過按鍵命令的方式遠程控制、監(jiān)測系統(tǒng)。

zigbee技術(shù)是近年來興起的一種低功耗、低成本且數(shù)據(jù)可靠性高的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于自動、遠程控制領域。根據(jù)工廠車間的實際情況，在車間流水線上放置若干個探頭，構(gòu)成陣列式探測器。陣列式探測器呈現(xiàn)半圓柱形，外形似隧道一樣架在流水線上，不隨流水線的移動而移動。當試件從陣列式探測器下方經(jīng)過時，就可以很方便的探測整個試件內(nèi)部的缺陷和損傷情況，很好的解決了當前檢測技術(shù)中存在的問題。在工廠車間流水線上放置陣列式探測器實現(xiàn)在線監(jiān)測，并采用zigbee無線傳輸技術(shù)，不僅提高了檢測效率、節(jié)約了成本、避免了有線設備的損壞幾率，還提高了管理效率。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。