CN104297338A - 基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于矩形差分探头脉冲涡流无损检测系统，主要包括了方波发生器、功率放大器、霍尔传感器、低通滤波器、信号调理模块、信号采集模块和自主设计的矩形差分检测探头。通过实验所得信号波形表明，该探头能有效提高非铁磁性构件和铁磁性构件缺陷检测的灵敏度。

Description

基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统

技术领域：本发明通过对矩形差分探头加载激励脉冲电流对铁板和铝板的检测，对常规的脉冲涡流探头和传感器做出了一些改进，该发明涉及了无损检测及测试技术领域。

背景技术：随着世界工业的快速发展，管道在石油化工、煤矿行业、海洋工程等各个领域有着广泛的应用，已经成为现代工业中不可缺少的部分。但随着管道的服役时间越来越长，管道会具有一定的安全隐患，而发生的主要因素是管道腐蚀和磨损。因此，检测管道的腐蚀、磨损情况及评价管道系统的可靠性和使用寿命，是避免管道事故发生的重要的手段之一。在对管道的检测方法一般有射线、超声、漏磁和涡流检测等检测技术；然而超声需要耦合剂，射线需要放射源，漏磁检测时需要磁饱和装置，这些某种程度上都限制了检测技术在管道检测的发展。脉冲涡流作为一种新型的检测技术，因其具有很宽的频谱，只需一次扫描就能分析被测试件不同深度的缺陷，具有穿透深度强、包含信息丰富等特点，因此对管道等铁磁性构件的检测具有一定的优势。

发明内容：该发明主要是针对普通圆柱形检测探头脉冲涡流在铁磁性构件中检测效果不佳、信号不理想的问题，设计的一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，该探头不仅能有效提高铁磁性构件检测信号的灵敏度，而且对非铁磁性构件同样具有较好的检测效果。

一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，主要包括以下方面：

(1)搭建检测的实验平台，将矩形检测探头水平放置在被测试件的正上方，提离为1mm，将检测探头的激励部分连接经过放大的脉冲信号，并将两个霍尔传感器连接后续的信号调理电路。

(2)为了获得较好的检测效果，设计了矩形差分式探头；

(3)采取了一种新的探头放置方式；

(4)设计相应的信号发生和调理电路；

(5)示波器和计算机同步显示信号。

所述矩形差分探头放置方式如下：探头水平放置在被测试件正上方，探头的中心轴线与试件轴线保持平行，提离值为1mm。

所述的检测系统检测缺陷的步骤如下：矩形差分探头放置在缺陷处时，缺陷处电涡流发生扰动，进而引起感生的二次磁场的变化，而传感器所测信号为激励场的一次磁场和二次磁场叠加；霍尔传感器能捕获这一变化，并将磁场值转化为电压值的形式，经过后续的放大、滤波、去噪等处理，由示波器显示信号并通过数据采集卡输入到计算机进行后续的处理。

本发明的主要技术特点有：

(1)本发明的设计的是矩形检测探头，区别于常规的圆柱形探头，该探头能产生方向性较好的涡流和磁场强度，有利于缺陷的检测。

(2)本发明是采用两个霍尔传感器对信号直接差分的技术，两个霍尔传感器对称分布在检测探头两端，分别检测有、无缺陷信号。

(3)本发明的检测探头采取一种新的放置方式，探头呈水平放置式，探头的中心轴线与试件轴线保持平行，并放置于缺陷的正上方。

(4)产生了一种新的涡流传播方向，以往探头采用的是竖直放置，产生的是从

(5)试件表面到亚表面不断衰减的涡流，而本发明采取的探头放置方式产生的是由检测处向试件两端沿其轴线衰减的涡流。

(6)同步显示矩形差分检测探头和常规探头所输出的检测信号，并对它们进行分析和对比。

附图说明：图1矩形差分探头检测系统流程图。

图2霍尔传感器在PCB中示意图。

图3试件内部涡流的磁力线分布图。

图4是方波发生电路。

图5功率放大电路。

图6是低通滤波电路。

图7是信号调理电路。

图8是铁板缺陷检测信号波形。

图9是铝板缺陷的检测信号波形。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。

首先，搭建如图1所示的实验平台。调节直流电源合适的电压输入到方波发生电路，产生频率可调的方波，通过功率放大器把微弱的信号进行放大，放大后的信号进入矩形差分探头上所绕制的激励线圈，激励线圈本身会产生一次磁场；当矩形差分探头1水平放置在试件2上时，试件内部涡流产生的二次磁场和一次磁场发生耦合，当遇到缺陷3时，涡流密度和分布发生改变，进而耦合的磁场发生扰动，通过霍尔传感器来检测到这种变化量；试件内部涡流由于缺陷3会改变磁力线7上各个点对应的磁感应强度值，其中缺陷正上方9处磁场变化最为明显，而无缺陷处附近的磁场值几乎不变，通过置于PCB板4两侧的霍尔传感器5、6来分别检测无缺陷处8和缺陷正上方处9时的磁场；该检测信号相对常规检测能产生较高的信号幅值，因为8处和9处的沿竖直方向磁场方向相反，经过差分后能产生的信号幅值高于一般差分探头所检测的信号。为了消除高频噪声信号，有必要对其进行低通滤波处理，其原因是涡流中低频成分对于缺陷的检测起主要作用和滤除高频噪声，后续的信号进入信号调理电路进行调理，调理后的信号波形显示在示波器上。数据采集卡一端负责采集产生的矩形脉冲信号，另一端负责对调理后的信号进行采集并输入电脑，把数据引入MATLAB进行分析和处理，进行缺陷的识别与定量分析。

图2是霍尔传感器的PCB布置图，霍尔传感器对称分布在两侧，所制成的PCB安装在矩形差分探头的下侧。

图3是试件内部涡流产生的磁力线分布图，可以看出在磁力线的有无缺陷两处磁场方向的分布。

图4的电路用于产生脉冲矩形波，图5的电路对其进行放大，图6的电路是对检测的信号进行低通滤波处理，图7的电路是对信号作进一步的调理。

图8和图9分别是铁板和铝板的缺陷检测信号波形，可以看出该矩形差分探头对于铁板不同深度的缺陷能够很好的检测出，不同缺陷深度信号区分明显，对于铝板的检测效果同样较好。

信号从产生到调理的具体过程为：

本系统信号发生模块采用矩形脉冲作为激励源，由ICL8038单片函数发生器和UA741电压跟随器组成占空比和频率均可调的信号发生电路，如图4所示调节电阻R₁₃可调节输出方波信号的占空比，调节电阻R₁₄可调节输出方波信号的频率，调节电阻R₂₀可调整输出方波信号的幅度。方波信号选择OPA548芯片作为放大芯片，其具有低功耗、大电流、输出电压高等优点，可以用来驱动各种负载，芯片集成度非常高，功率放大倍数等于1+R₁₆/R₁₅,通过调节可变电阻器R₁₆即可改变功率放大倍数。所采用的滤波器是二阶有源低通滤波器，所的选取R₁＝R₂＝R、C₁＝C₂＝C，选定电容C＝1nF，电阻R＝10KΩ根据公式f＝1/2πRC得到通带截止频率为15KHz，使高于频率15KHz的噪声信号成分被完全过滤。滤波后的信号还很微弱，需要进一步的放大以易于观察，选择使用AD620放大芯片作为核心芯片信号调理环节的放大电路，该电路有两个功能，其一是在芯片的输入端设计了一个高通滤波器，主要作用是滤除电路自带的直流分量；其二是微弱信号放大电路，电压放大倍数等于1+49.4/R₄，通过调节电阻R₄的大小改变电压放大倍数。

Claims (6)

1.一种基于矩形差分探头脉冲涡流无损检测系统，其特征包括如下步骤： 

(1)检测系统实验平台的搭建，检测探头置于试件缺陷处的上方，激励线圈和霍尔传感器分别与功率放大器和低通滤波器相连； 

(2)设计矩形差分式探头和霍尔传感器的PCB形式； 

(3)采用了一种新的探头放置方式； 

(4)设计相应的信号发生和调理电路； 

(5)示波器和计算机同步显示信号； 

(6)当矩形差分探头放置在缺陷处时，PCB上的左侧霍尔传感器正对无缺陷的地方，右侧对的霍尔传感器正对缺陷处，会产生参考信号和缺陷信号，获得的两个信号经过低通滤波和差分放大，得到理想的检测信号。示波器和计算机同步对信号的显示和分析、处理，实现缺陷的识别和定量分析。 

2.根据权利要求1所述，一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，其特征在于：探头放置在缺陷处并与试件的保持1mm的提离值，检测探头下端的右侧霍尔传感器正对缺陷处，而左侧霍尔传感器对应无缺陷处。 

3.根据权利要求1所述，一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，其特征在于：探头的几何形状为矩形，区于常规的圆柱型探头，该探头能产生方向性较好的涡流和磁场强度，霍尔传感器焊接在PCB上，并对称布置在探头的左右两侧来检测有无缺陷的磁场。 

4.根据权利要求1所述，一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，其特征在于：检测探头的放置方式为水平放置，产生的是由检测处向试件两端沿其轴线衰减的涡流，对于纵向缺陷有很好的检测效果。 

5.根据权利要求1所述，一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，其特征在于：由ICL8038单片函数发生器和UA741电压跟随器组成占空比和频率均可调的信号发生电路，信号功率放大选择OPA548芯片作为放大芯片，所采用的滤波器是二阶有源低通滤波器，选择使用AD620放大芯片作为核心芯片信号调理环节的放大电路。 

6.根据权利要求1所述，一种基于矩形差分探头的脉冲涡流检测系统，其特征在于：示波器同步显示矩形差分探头和常规探头的检测信号，对比这两种信号的差异，检测信号通过数据采集卡进入计算机，在MATLAB中进行分析和处理。