基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法
基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种成像系统及方法，特别涉及一种基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法。
【背景技术】
[0002]交流电磁场检测技术利用激励线圈在工件表面激励出均匀电场，电场遇到缺陷后发生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，畸变磁场包含缺陷尺寸信息。由于具有非接触测量、无需标定、定量识别等优点，交流电磁场检测技术已经广泛用于石油化工、交通运输、核电等领域的无损检测。传统交流电磁场检测技术采用平面特征信号来识别缺陷，不能精确、直观地读取缺陷的形状和尺寸信息。本发明基于交流电磁场检测技术，借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷磁场信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对现有技术不足，基于交流电磁场检测技术，借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷磁场信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
[0004]—种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成;所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器的细分数为32，所述驱动器分别与X电机、γ电机和Z电机连接，所述X电机、Y电机和Z电机均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机安装在X导轨端部，所述X导轨安装在两根支撑柱顶端，所述支撑柱安装在底座一侧，所述X电机与X丝杠同轴连接，所述X丝杠与安装在X导轨上的X滑块的内螺纹孔配合;所述Y电机安装在Y导轨端部，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Y电机与Y丝杠同轴连接，所述Y丝杠与安装在Y导轨上的Y滑块的内螺纹孔配合，所述Y电机的信号线通过X坦克链与驱动器连接，所述X坦克链伴随X滑块移动;所述Z电机安装在Z导轨顶端，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述Z电机与Z丝杠同轴连接，所述Z丝杠与安装在Z导轨上的Z滑块的内螺纹孔配合，所述Z电机的信号线通过Y坦克链与驱动器连接，所述Y坦克链伴随Y滑块移动;所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述夹具依靠螺纹安装在缓冲装置的限位光轴底端，所述探头安装在夹具上且由螺钉固紧;所述试件为设有缺陷的导电性材料，所述试件放置于底座上;所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。
[0005]所述缓冲装置包括限位光轴、顶盖、弹簧、Z坦克链、与限位光轴配合的直线轴承，所述直线轴承安装在缓冲装置的内孔，所述顶盖安装在限位光轴的顶端，所述顶盖下端面与直线轴承的顶端接触，所述顶盖的上端面与安装在缓冲装置内孔顶部且处于压缩状态的弹簧接触，所述限位光轴在直线轴承配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴底部设有外螺纹，所述Z坦克链与缓冲装置连接。
[0006]所述探头内部设有激励线圈、U型锰锌铁氧体磁芯、底盖和电路板组成，所述激励线圈由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈与信号发生器连接，所述底盖为2mm厚的有机玻璃薄板，所述电路板竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯两个粧腿之间;所述电路板的一侧面设有灵敏轴与底盖平行且位于电路板底部的X方向GMR传感器、X放大器和X滤波器，所述X方向GMR传感器的输出与X放大器的输入连接，所述X放大器的输出与X滤波器输入连接，所述X滤波器的输出与采集卡连接;所述电路板的另一侧面设有灵敏轴与底盖垂直且与X方向GMR传感器检测点重合的Z方向GMR传感器、Z放大器和Z滤波器，所述Z方向GMR传感器的输出与Z放大器的输入连接，所述Z放大器的输出与Z滤波器输入连接，所述Z滤波器的输出与采集卡连接。
[0007]所述基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像方法，主要包括以下步骤:
(1)信号发生器将频率为6KHz幅值为IV的正弦交流信号加载至探头内部的激励线圈；
(2)激励线圈产生的交变磁场在试件表面产生一定区域的均勾电场；
(3)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动，Z电机通过Z丝杠带动缓冲装置下移，缓冲装置通过限位光轴带动探头下移，当探头的底盖与试件上表面接触时，Z电机停止转动；
(4)计算机控制PLC发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器后驱动X电机间歇转动，X电机每次转动角度为360i/6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X方向间歇式移动，X丝杠的螺距为λ，Χ电机带动X滑块移动的步长为λ?/6400，Χ滑块移动完成后停止0.1秒，X滑块重复间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止转动，则X滑块在PLC发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400;
(5)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止，Y丝杠的螺距为μ，则Y电机通过Y丝杠带动Υ滑块沿着Υ方向移动，Υ滑块移动后的位置相对于原点在Υ方向偏移距离为yh/6400;
(6)计算机控制PLC发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动X电机反向间歇转动，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X反向间歇式移动，X电机带动X滑块反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块反向移动完成后停止0.1秒，X滑块重复反向间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止反向转动，则X滑块在PLC发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r)Ai/6400;
(7)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止;X电机和Y电机经过p次周期性转动，通过X滑块和Y滑块带动缓冲装置及探头在试件表面完成矩形方阵轨迹扫描；则Y滑块相对于原点的位置信息为yhp/6400 ；
(8)激励线圈在试件表面产生的均匀电场遇到缺陷会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机停止转动的0.1秒时，计算机通过采集卡采集探头内部的X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点，当X电机继续带动X滑块移动时，采集卡停止采集磁场数据；
(9)计算机通过X滑块任意位置信息得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块沿着Y方向移动位置得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点在Y方向相对原点的位置信息；
(10)将信号发生器产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机内部软件对磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号进行 锁相放大处理，以处理后的Bx或Bz信号强度为纵坐标，依据X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的X和Y方向位置信息，得到试件的缺陷磁场信号高精度空间成像图；
(11)磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度在没有缺陷区域呈现均匀状态，缺陷端部产生波峰，在裂纹中心处产生波谷;将Bx信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的等值区域W代表缺陷Y方向尺寸，Bx信号空间磁场强度的最大畸变量D反映缺陷深度信息；
(12)磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号强度在没有缺陷区域为0，在缺陷端部产生方向相反的波峰;将Bz信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的尺寸区域W代表缺陷Y方向尺寸；
(13)计算机控制PLC发送一段反转脉冲序列，所述脉冲序列包含q个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动角度360q/6400后停止，Z丝杠的螺距为ε，Ζ电机通过Z丝杠带动缓冲装置上移距离叫/6400，缓冲装置带动探头上移叫/6400，重复步骤(4) 一 (10)得到缺陷上方空间不同提离高度的磁场高精度成像图。
【附图说明】
[0008]附图1是本发明的整体系统示意图。
[0009]附图2是本发明的缓冲装置示意图。
[0010]附图3是本发明的探头内部示意图。
[0011 ]附图4是本发明的探头电路板反面示意图。
[0012]附图5是本发明的空间磁场Bx高精度成像示意图。
[0013]附图6是本发明的空间磁场Bz高精度成像示意图。
[0014]上图中:计算机(1)、PLC(2)、驱动器(3)、X电机(4)、X丝杠(4.1)、X滑块(4.2)、X导轨(4.3)、Y电机(5)、Y丝杠(5.1)、Y滑块(5.2)、Y导轨(5.3)、X坦克链(5.4)、Z电机(6)、Z丝杠(6.1)、Z滑块(6.2)、Z导轨(6.3)、Y坦克链(6.4)、缓冲装置(7)、限位光轴(7.1)、顶盖(7.2)、弹簧(7.3)、Ζ坦克链(7.4)、直线轴承(7.5)、夹具(8)、探头(9)、激励线圈(9.1)、U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)、底盖(9.3)、电路板(9.4)、X方向GMR传感器(9.4.1 )、X放大器(9.4.2)、X滤波器(9.4.3)、Z方向GMR传感器(9.4.4)、Z放大器(9.4.5)、Z滤波器(9.4.6)、支撑柱(10)、底座(11)、试件(12)、裂纹(12.1)、机箱(13)、信号发生器(13.1)、采集卡(13.2)、矩形方阵(14)、磁场信号采集点(14.1)。
【具体实施方式】
结合附图1-6，对本发明作进一步的描述:
[0015]如图1所示，本发明主要由计算机(1)、PLC(2)、驱动器(3)、X电机(4)、Y电机(5)、Z电机(6)、缓冲装置(7)、夹具(8)、探头(9)、支撑柱(10)、底座(11)、试件(12)和机箱(13)组成;所述计算机(1)与PLC(2)连接，所述PLC(2)与驱动器(3)连接，所述驱动器(3)的细分数为32，所述驱动器(3)分别与X电机(4)、Y电机(5)和Z电机(6)连接，所述X电机(4)、Y电机(5)和Ζ电机(6)均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机(4)安装在X导轨(4.3)端部，所述X导轨(4.3)安装在两根支撑柱(10)顶端，所述支撑柱(10)安装在底座(11) 一侧，所述X电机(4)与X丝杠(4.1)同轴连接，所述X丝杠(4.1)与安装在X导轨(4.3)上的X滑块(4.2)的内螺纹孔配合;所述Υ电机(5)安装在Υ导轨(5.3)端部，所述Υ导轨(5.3)安装在X滑块(4.2)上，所述Υ电机(5)与Υ丝杠(5.1)同轴连接，所述Υ丝杠(5.1)与安装在Υ导轨(5.3)上的Υ滑块(5.2)的内螺纹孔配合，所述Υ电机(5)的信号线通过X坦克链(5.4)与驱动器(3)连接，所述X坦克链
(5.4)伴随X滑块(4.2)移动;所述Ζ电机(6)安装在Ζ导轨(6.3)顶端，所述Ζ导轨(6.3)安装在Υ滑块(5.2)上，所述Ζ电机(6)与Ζ丝杠(6.1)同轴连接，所述Ζ丝杠(6.1)与安装在Ζ导轨(6.3)上的Ζ滑块(6.2)的内螺纹孔配合，所述Ζ电机(6)的信号线通过Υ坦克链(6.4)与驱动器(3)连接，所述Υ坦克链(6.4)伴随Υ滑块(5.2)移动;所述缓冲装置(7)安装在Ζ滑块(6.2)上，所述夹具(8)依靠螺纹安装在缓冲装置(7)的限位光轴(7.1)底端，所述探头(9)安装在夹具(8)上且由螺钉固紧;所述试件(12)为设有缺陷(12.1)的导电性材料，所述试件(12)放置于底座(11)上;所述探头(9)与机箱(13)内的信号发生器(13.1)和采集卡(13.2)连接，所述信号发生器(13.1)与采集卡(13.2)连接，所述采集卡(13.2)与计算机(1)连接。
[0016]如图2所示，所述缓冲装置(7)包括限位光轴(7.1)、顶盖(7.2)、弹簧(7.3)、Ζ坦克链(7.4)、与限位光轴(7.1)配合的直线轴承(7.5)，所述直线轴承(7.5)安装在缓冲装置(7)的内孔，所述顶盖(7.2)安装在限位光轴(7.1)的顶端，所述顶盖(7.2)下端面与直线轴承
(7.5)的顶端接触，所述顶盖(7.2)的上端面与安装在缓冲装置(7)内孔顶部且处于压缩状态的弹簧(7.3)接触，所述限位光轴(7.1)在直线轴承(7.5)配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴(7.1)底部设有外螺纹，所述Ζ坦克链(7.4)与缓冲装置(7)连接。
[0017]如图3-4所示，所述探头(9)内部设有激励线圈(9.1)、U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)、底盖(9.3)和电路板(9.4)组成，所述激励线圈(9.1)由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈(9.1)与信号发生器(13.1)连接，所述底盖(9.3)为2_厚的有机玻璃薄板，所述电路板(9.4)竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)两个粧腿之间;所述电路板(9.4)的一侧面设有灵敏轴与底盖(9.3)平行且位于电路板(9.4)底部的X方向GMR传感器(9.4.1)、Χ放大器(9.4.2)和X滤波器(9.4.3)，所述X方向GMR传感器(9.4.1)的输出与X放大器(9.4.2)的输入连接，所述X放大器(9.4.2)的输出与X滤波器(9.4.3)输入连接，所述X滤波器(9.4.3)的输出与采集卡(13.2)连接;所述电路板(9.4)的另一侧面设有灵敏轴与底盖(9.3)垂直且与X方向GMR传感器(9.4.1)检测点重合的Ζ方向GMR传感器
(9.4.4)、Ζ放大器(9.4.5)和Ζ滤波器(9.4.6)，所述Ζ方向GMR传感器(9.4.4)的输出与Ζ放大器(9.4.5)的输入连接，所述Ζ放大器(9.4.5)的输出与Ζ滤波器(9.4.6)输入连接，所述Ζ滤波器(9.4.6)的输出与采集卡(13.2)连接。
[0018]所述基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像方法，主要包括以下步骤:
(1)信号发生器(13.1)将频率为6Κ Hz幅值为IV的正弦交流信 号加载至探头(9)内部的激励线圈(9.1); (2)激励线圈(9.1)产生的交变磁场在试件(12)表面产生一定区域的均匀电场；
(3)计算机(1)控制PLC(2)发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器⑶后驱动Z电机(6)转动，Z电机(6)通过Z丝杠(6.1)带动缓冲装置(7)下移，缓冲装置(7)通过限位光轴
(7.1)带动探头(9)下移，当探头(9)的底盖(9.3)与试件(12)上表面接触时，Z电机(6)停止转动；
(4)计算机(1)控制PLC(2)发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器(3)后驱动X电机(4)间歇转动，X电机(4)每次转动角度为360 i /6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机(4)通过X丝杠(4.1)带动X滑块(4.2)沿着X方向间歇式移动，X丝杠(4.1)的螺距为λ，X电机(4)带动X滑块(4.2)移动的步长为λ?/6400，X滑块(4.2)移动完成后停止0.1秒，X滑块(4.2)重复间歇式移动，直至X滑块(4.2)移动至试件
(12)边缘，X电机(4)停止转动，则X滑块(4.2)在PLC(2)发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400 ；
(5)计算机(1)控制PLC(2)发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动Y电机(5)转动角度360h/6400后停止，Y丝杠(5.1)的螺距为μ，贝1JY电机(5)通过Y丝杠(5.1)带动Y滑块(5.2)沿着Y方向移动，Y滑块(5.2)移动后的位置相对于原点在Y方向偏移距离为yh/6400;
(6)计算机(1)控制PLC(2)发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动X电机(4)反向间歇转动，X电机(4)通过X丝杠(4.1)带动X滑块(4.2)沿着X反向间歇式移动，X电机(4)带动X滑块(4.2)反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块(4.2)反向移动完成后停止0.1秒，X滑块(4.2)重复反向间歇式移动，直至X滑块
(4.2)移动至试件(12)边缘，X电机(4)停止反向转动，则X滑块(4.2)在PLC(2)发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r )λ?/6400 ；
(7)计算机(1)控制PLC(2)发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动Y电机(5)转动角度360h/6400后停止;X电机(4)和Y电机(5)经过P次周期性转动，如图1所示，通过X滑块(4.2)和Y滑块(5.2)带动缓冲装置(7)及探头(9)在试件(12)表面完成矩形方阵(14)轨迹扫描;则Y滑块(5.2)相对于原点的位置信息为yhp/6400；
(8)激励线圈(9.1)在试件(12)表面产生的均匀电场遇到缺陷(12.1)会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机(4)停止转动的0.1秒时，计算机(1)通过采集卡(13.2)采集探头(9)内部的X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器(9.4.4)在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点(14.1)，当X电机(4)继续带动X滑块(4.2)移动时，采集卡
(13.2)停止采集磁场数据；
(9)计算机(1)通过X滑块(4.2)任意位置信息得到探头(9)内部X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器(9.4.4)检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块(5.2)沿着Y方向移动位置得到探头(9)内部X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器
(9.4.4)检测重合点在Y方向相对原点的位置信息；
(10)如图5-6所示，将信号发生器(13.1)产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机(1)内部软件对磁场信号采集点(14.1)的X方向GMR传感器(9.4.1)检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点(14.1)的Z方向GMR传感器(9.4.4)检测到的Bz信号进行锁相放大处理，以处理后的Bx或Bz信号强度为纵坐标，依据X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器
(9.4.4)检测重合点相对于原点的X和Y方向位置信息，绘制试件(12)的缺陷(12.1)磁场信号高精度空间成像图；
(11)如图5所示，磁场信号采集点(14.1)的X方向GMR传感器(9.4.1)检测到的Bx信号强度在没有缺陷区域呈现均匀状态，缺陷端部产生波峰，在裂纹中心处产生波谷;将Bx信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的尺寸W代表缺陷Y方向尺寸，Bx信号空间磁场强度的最大畸变量D反映缺陷深度信息；
(12)如图6所示，磁场信号采集点(14.1)的Z方向GMR传感器(9.4.4)检测到的Bz信号强度在没有缺陷区域为0，在缺陷端部产生方向相反的波峰;将Bz信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的等值区域W代表缺陷Y方向尺寸；
(13)计算机(1)控制PLC(2)发送一段反转脉冲序列，所述脉冲序列包含q个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动Z电机(6)转动角度360q/6400后停止，Z丝杠(6.1)的螺距为ε，Ζ电机(6)通过Z丝杠(6.1)带动缓冲装置(7)上移距离叫/6400，缓冲装置(7)带动探头(9)上移eq/6400，重复步骤(4) 一(10)得到缺陷上方空间不同提离高度的磁场高精度成像图。
[0019]本发明的有益效果是:借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方空间磁场的高精度成像，直观定量缺陷的形状和尺寸信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
[0020]本发明不局限于上述【具体实施方式】，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成;所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器的细分数为32，所述驱动器分别与X电机、Y电机和Z电机连接，所述X电机、Y电机和Z电机均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机安装在X导轨端部，所述X导轨安装在两根支撑柱顶端，所述支撑柱安装在底座一侧，所述X电机与X丝杠同轴连接，所述X丝杠与安装在X导轨上的X滑块的内螺纹孔配合;所述Y电机安装在Y导轨端部，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Y电机与Y丝杠同轴连接，所述Y丝杠与安装在Y导轨上的Y滑块的内螺纹孔配合，所述Y电机的信号线通过X坦克链与驱动器连接，所述X坦克链伴随X滑块移动;所述Z电机安装在Z导轨顶端，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述Z电机与Z丝杠同轴连接，所述Z丝杠与安装在Z导轨上的Z滑块的内螺纹孔配合，所述Z 电机的信号线通过Y坦克链与驱动器连接，所述Y坦克链伴随Y滑块移动;所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述夹具依靠螺纹安装在缓冲装置的限位光轴底端，所述探头安装在夹具上且由螺钉固紧;所述试件为设有缺陷的导电性材料，所述试件放置于底座上;所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。2.根据权利要求1所述的一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:所述缓冲装置包括限位光轴、顶盖、弹簧、Z坦克链、与限位光轴配合的直线轴承，所述直线轴承安装在缓冲装置的内孔，所述顶盖安装在限位光轴的顶端，所述顶盖下端面与直线轴承的顶端接触，所述顶盖的上端面与安装在缓冲装置内孔顶部且处于压缩状态的弹簧接触，所述限位光轴在直线轴承配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴底部设有外螺纹，所述Z坦克链与缓冲装置连接。3.根据权利要求1所述的一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:所述探头内部设有激励线圈、U型锰锌铁氧体磁芯、底盖和电路板组成，所述激励线圈由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈与信号发生器连接，所述底盖为2mm厚的有机玻璃薄板，所述电路板竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯两个粧腿之间;所述电路板的一侧面设有灵敏轴与底盖平行且位于电路板底部的X方向GMR传感器、X放大器和X滤波器，所述X方向GMR传感器的输出与X放大器的输入连接，所述X放大器的输出与X滤波器输入连接，所述X滤波器的输出与采集卡连接;所述电路板的另一侧面设有灵敏轴与底盖垂直且与X方向GMR传感器检测点重合的Z方向GMR传感器、Z放大器和Z滤波器，所述Z方向GMR传感器的输出与Z放大器的输入连接，所述Z放大器的输出与Z滤波器输入连接，所述Z滤波器的输出与采集卡连接。4.根据权利要求1所述的一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，主要包括以下步骤: (1)信号发生器将频率为6KHz幅值为IV的正弦交流信号加载至探头内部的激励线圈； (2)激励线圈产生的交变磁场在试件表面产生一定区域的均勾电场； (3)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动，Z电机通过Z丝杠带动缓冲装置下移，缓冲装置通过限位光轴带动探头下移，当探头的底盖与试件上表面接触时，Z电机停止转动； (4)计算机控制PLC发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器后驱动X电机间歇转动，X电机每次转动角度为360i/6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X方向间歇式移动，X丝杠的螺距为λ，χ电机带动X滑块移动的步长为λ?/6400，Χ滑块移动完成后停止0.1秒，X滑块重复间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止转动，则X滑块在PLC发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400; (5)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止，Y丝杠的螺距为μ，则Y电机通过Y丝杠带动Υ滑块沿着Υ方向移动，Υ滑块移动后的位置相对于原点在Υ方向偏移距离为yh/6400; (6)计算机控制PLC发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动X电机反向间歇转动，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X反向间歇式移动，X电机带动X滑块反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块反向移动完成后停止0.1秒，X滑块重复反向间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止反向转动，则X滑块在PLC发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r)Ai/6400; (7)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止;X电机和Y电机经过p次周期性转动，通过X滑块和Y滑块带动缓冲装置及探头在试件表面完成矩形方阵轨迹扫描；则Y滑块相对于原点的位置信息为yhp/6400 ； (8)激励线圈在试件表面产生的均匀电场遇到缺陷会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机停止转动的0.1秒时，计算机通过采集卡采集探头内部的X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点，当X电机继续带动X滑块移动时，采集卡停止采集磁场数据； (9)计算机通过X滑块任意位置信息得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块沿着Y方向移动位置得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点在Y方向相对原点的位置信息； (10)将信号发生器产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机内部软件对磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号进行锁相放大处理，以处理后的Bx或Bz信号强度为纵坐标，依据X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的X和Y方向位置信息，得到试件的缺陷磁场信号高精度空间成像图； (11)磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度在没有缺陷区域呈现均匀状态，缺陷端部产生波峰，在裂纹中心处产生波谷;将Bx信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的等值区域W代表缺陷Y方向尺寸，Bx信号空间磁场强度的最大畸变量D反映缺陷深度信息； (12)磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号强度在没有缺陷区域为0，在缺陷端部产生方向相反的波峰;将Bz信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的尺寸区域W代表缺陷Y方向尺寸； (13)计算机控制PLC发送一段反转脉冲序列，所述脉冲序列包含q个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动角度360q/6400后停止，Z丝杠的螺距为ε，Ζ电机通过Z丝杠带动缓冲装置上移距离叫/6400，缓冲装置带动探头上移叫/6400，重复步骤(4) 一 (10)得到缺陷上方空间不同提离高度的磁场高精度成像图。
【专利摘要】本发明公开了一种基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法，主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成；所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器分别与X电机、Y电机和Z电机连接，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。本发明的有益效果是：能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
【IPC分类】G01N27/90
【公开号】CN105486745
【申请号】CN201510919116
【发明人】李伟, 袁新安, 陈国明, 孔庆晓, 葛玖浩, 张雨田, 赵梦一, 吴衍运
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月10日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种成像系统及方法，特别涉及一种基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法。
【背景技术】
[0002]交流电磁场检测技术利用激励线圈在工件表面激励出均匀电场，电场遇到缺陷后发生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，畸变磁场包含缺陷尺寸信息。由于具有非接触测量、无需标定、定量识别等优点，交流电磁场检测技术已经广泛用于石油化工、交通运输、核电等领域的无损检测。传统交流电磁场检测技术采用平面特征信号来识别缺陷，不能精确、直观地读取缺陷的形状和尺寸信息。本发明基于交流电磁场检测技术，借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷磁场信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对现有技术不足，基于交流电磁场检测技术，借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷磁场信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
[0004]—种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成;所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器的细分数为32，所述驱动器分别与X电机、γ电机和Z电机连接，所述X电机、Y电机和Z电机均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机安装在X导轨端部，所述X导轨安装在两根支撑柱顶端，所述支撑柱安装在底座一侧，所述X电机与X丝杠同轴连接，所述X丝杠与安装在X导轨上的X滑块的内螺纹孔配合;所述Y电机安装在Y导轨端部，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Y电机与Y丝杠同轴连接，所述Y丝杠与安装在Y导轨上的Y滑块的内螺纹孔配合，所述Y电机的信号线通过X坦克链与驱动器连接，所述X坦克链伴随X滑块移动;所述Z电机安装在Z导轨顶端，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述Z电机与Z丝杠同轴连接，所述Z丝杠与安装在Z导轨上的Z滑块的内螺纹孔配合，所述Z电机的信号线通过Y坦克链与驱动器连接，所述Y坦克链伴随Y滑块移动;所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述夹具依靠螺纹安装在缓冲装置的限位光轴底端，所述探头安装在夹具上且由螺钉固紧;所述试件为设有缺陷的导电性材料，所述试件放置于底座上;所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。
[0005]所述缓冲装置包括限位光轴、顶盖、弹簧、Z坦克链、与限位光轴配合的直线轴承，所述直线轴承安装在缓冲装置的内孔，所述顶盖安装在限位光轴的顶端，所述顶盖下端面与直线轴承的顶端接触，所述顶盖的上端面与安装在缓冲装置内孔顶部且处于压缩状态的弹簧接触，所述限位光轴在直线轴承配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴底部设有外螺纹，所述Z坦克链与缓冲装置连接。
[0006]所述探头内部设有激励线圈、U型锰锌铁氧体磁芯、底盖和电路板组成，所述激励线圈由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈与信号发生器连接，所述底盖为2mm厚的有机玻璃薄板，所述电路板竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯两个粧腿之间;所述电路板的一侧面设有灵敏轴与底盖平行且位于电路板底部的X方向GMR传感器、X放大器和X滤波器，所述X方向GMR传感器的输出与X放大器的输入连接，所述X放大器的输出与X滤波器输入连接，所述X滤波器的输出与采集卡连接;所述电路板的另一侧面设有灵敏轴与底盖垂直且与X方向GMR传感器检测点重合的Z方向GMR传感器、Z放大器和Z滤波器，所述Z方向GMR传感器的输出与Z放大器的输入连接，所述Z放大器的输出与Z滤波器输入连接，所述Z滤波器的输出与采集卡连接。
[0007]所述基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像方法，主要包括以下步骤:
(1)信号发生器将频率为6KHz幅值为IV的正弦交流信号加载至探头内部的激励线圈；
(2)激励线圈产生的交变磁场在试件表面产生一定区域的均勾电场；
(3)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动，Z电机通过Z丝杠带动缓冲装置下移，缓冲装置通过限位光轴带动探头下移，当探头的底盖与试件上表面接触时，Z电机停止转动；
(4)计算机控制PLC发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器后驱动X电机间歇转动，X电机每次转动角度为360i/6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X方向间歇式移动，X丝杠的螺距为λ，Χ电机带动X滑块移动的步长为λ?/6400，Χ滑块移动完成后停止0.1秒，X滑块重复间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止转动，则X滑块在PLC发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400;
(5)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止，Y丝杠的螺距为μ，则Y电机通过Y丝杠带动Υ滑块沿着Υ方向移动，Υ滑块移动后的位置相对于原点在Υ方向偏移距离为yh/6400;
(6)计算机控制PLC发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动X电机反向间歇转动，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X反向间歇式移动，X电机带动X滑块反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块反向移动完成后停止0.1秒，X滑块重复反向间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止反向转动，则X滑块在PLC发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r)Ai/6400;
(7)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止;X电机和Y电机经过p次周期性转动，通过X滑块和Y滑块带动缓冲装置及探头在试件表面完成矩形方阵轨迹扫描；则Y滑块相对于原点的位置信息为yhp/6400 ；
(8)激励线圈在试件表面产生的均匀电场遇到缺陷会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机停止转动的0.1秒时，计算机通过采集卡采集探头内部的X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点，当X电机继续带动X滑块移动时，采集卡停止采集磁场数据；
(9)计算机通过X滑块任意位置信息得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块沿着Y方向移动位置得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点在Y方向相对原点的位置信息；
(10)将信号发生器产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机内部软件对磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号进行 锁相放大处理，以处理后的Bx或Bz信号强度为纵坐标，依据X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的X和Y方向位置信息，得到试件的缺陷磁场信号高精度空间成像图；
(11)磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度在没有缺陷区域呈现均匀状态，缺陷端部产生波峰，在裂纹中心处产生波谷;将Bx信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的等值区域W代表缺陷Y方向尺寸，Bx信号空间磁场强度的最大畸变量D反映缺陷深度信息；
(12)磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号强度在没有缺陷区域为0，在缺陷端部产生方向相反的波峰;将Bz信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的尺寸区域W代表缺陷Y方向尺寸；
(13)计算机控制PLC发送一段反转脉冲序列，所述脉冲序列包含q个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动角度360q/6400后停止，Z丝杠的螺距为ε，Ζ电机通过Z丝杠带动缓冲装置上移距离叫/6400，缓冲装置带动探头上移叫/6400，重复步骤(4) 一 (10)得到缺陷上方空间不同提离高度的磁场高精度成像图。
【附图说明】
[0008]附图1是本发明的整体系统示意图。
[0009]附图2是本发明的缓冲装置示意图。
[0010]附图3是本发明的探头内部示意图。
[0011 ]附图4是本发明的探头电路板反面示意图。
[0012]附图5是本发明的空间磁场Bx高精度成像示意图。
[0013]附图6是本发明的空间磁场Bz高精度成像示意图。
[0014]上图中:计算机(1)、PLC(2)、驱动器(3)、X电机(4)、X丝杠(4.1)、X滑块(4.2)、X导轨(4.3)、Y电机(5)、Y丝杠(5.1)、Y滑块(5.2)、Y导轨(5.3)、X坦克链(5.4)、Z电机(6)、Z丝杠(6.1)、Z滑块(6.2)、Z导轨(6.3)、Y坦克链(6.4)、缓冲装置(7)、限位光轴(7.1)、顶盖(7.2)、弹簧(7.3)、Ζ坦克链(7.4)、直线轴承(7.5)、夹具(8)、探头(9)、激励线圈(9.1)、U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)、底盖(9.3)、电路板(9.4)、X方向GMR传感器(9.4.1 )、X放大器(9.4.2)、X滤波器(9.4.3)、Z方向GMR传感器(9.4.4)、Z放大器(9.4.5)、Z滤波器(9.4.6)、支撑柱(10)、底座(11)、试件(12)、裂纹(12.1)、机箱(13)、信号发生器(13.1)、采集卡(13.2)、矩形方阵(14)、磁场信号采集点(14.1)。
【具体实施方式】
结合附图1-6，对本发明作进一步的描述:
[0015]如图1所示，本发明主要由计算机(1)、PLC(2)、驱动器(3)、X电机(4)、Y电机(5)、Z电机(6)、缓冲装置(7)、夹具(8)、探头(9)、支撑柱(10)、底座(11)、试件(12)和机箱(13)组成;所述计算机(1)与PLC(2)连接，所述PLC(2)与驱动器(3)连接，所述驱动器(3)的细分数为32，所述驱动器(3)分别与X电机(4)、Y电机(5)和Z电机(6)连接，所述X电机(4)、Y电机(5)和Ζ电机(6)均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机(4)安装在X导轨(4.3)端部，所述X导轨(4.3)安装在两根支撑柱(10)顶端，所述支撑柱(10)安装在底座(11) 一侧，所述X电机(4)与X丝杠(4.1)同轴连接，所述X丝杠(4.1)与安装在X导轨(4.3)上的X滑块(4.2)的内螺纹孔配合;所述Υ电机(5)安装在Υ导轨(5.3)端部，所述Υ导轨(5.3)安装在X滑块(4.2)上，所述Υ电机(5)与Υ丝杠(5.1)同轴连接，所述Υ丝杠(5.1)与安装在Υ导轨(5.3)上的Υ滑块(5.2)的内螺纹孔配合，所述Υ电机(5)的信号线通过X坦克链(5.4)与驱动器(3)连接，所述X坦克链
(5.4)伴随X滑块(4.2)移动;所述Ζ电机(6)安装在Ζ导轨(6.3)顶端，所述Ζ导轨(6.3)安装在Υ滑块(5.2)上，所述Ζ电机(6)与Ζ丝杠(6.1)同轴连接，所述Ζ丝杠(6.1)与安装在Ζ导轨(6.3)上的Ζ滑块(6.2)的内螺纹孔配合，所述Ζ电机(6)的信号线通过Υ坦克链(6.4)与驱动器(3)连接，所述Υ坦克链(6.4)伴随Υ滑块(5.2)移动;所述缓冲装置(7)安装在Ζ滑块(6.2)上，所述夹具(8)依靠螺纹安装在缓冲装置(7)的限位光轴(7.1)底端，所述探头(9)安装在夹具(8)上且由螺钉固紧;所述试件(12)为设有缺陷(12.1)的导电性材料，所述试件(12)放置于底座(11)上;所述探头(9)与机箱(13)内的信号发生器(13.1)和采集卡(13.2)连接，所述信号发生器(13.1)与采集卡(13.2)连接，所述采集卡(13.2)与计算机(1)连接。
[0016]如图2所示，所述缓冲装置(7)包括限位光轴(7.1)、顶盖(7.2)、弹簧(7.3)、Ζ坦克链(7.4)、与限位光轴(7.1)配合的直线轴承(7.5)，所述直线轴承(7.5)安装在缓冲装置(7)的内孔，所述顶盖(7.2)安装在限位光轴(7.1)的顶端，所述顶盖(7.2)下端面与直线轴承
(7.5)的顶端接触，所述顶盖(7.2)的上端面与安装在缓冲装置(7)内孔顶部且处于压缩状态的弹簧(7.3)接触，所述限位光轴(7.1)在直线轴承(7.5)配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴(7.1)底部设有外螺纹，所述Ζ坦克链(7.4)与缓冲装置(7)连接。
[0017]如图3-4所示，所述探头(9)内部设有激励线圈(9.1)、U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)、底盖(9.3)和电路板(9.4)组成，所述激励线圈(9.1)由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈(9.1)与信号发生器(13.1)连接，所述底盖(9.3)为2_厚的有机玻璃薄板，所述电路板(9.4)竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯(9.2)两个粧腿之间;所述电路板(9.4)的一侧面设有灵敏轴与底盖(9.3)平行且位于电路板(9.4)底部的X方向GMR传感器(9.4.1)、Χ放大器(9.4.2)和X滤波器(9.4.3)，所述X方向GMR传感器(9.4.1)的输出与X放大器(9.4.2)的输入连接，所述X放大器(9.4.2)的输出与X滤波器(9.4.3)输入连接，所述X滤波器(9.4.3)的输出与采集卡(13.2)连接;所述电路板(9.4)的另一侧面设有灵敏轴与底盖(9.3)垂直且与X方向GMR传感器(9.4.1)检测点重合的Ζ方向GMR传感器
(9.4.4)、Ζ放大器(9.4.5)和Ζ滤波器(9.4.6)，所述Ζ方向GMR传感器(9.4.4)的输出与Ζ放大器(9.4.5)的输入连接，所述Ζ放大器(9.4.5)的输出与Ζ滤波器(9.4.6)输入连接，所述Ζ滤波器(9.4.6)的输出与采集卡(13.2)连接。
[0018]所述基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像方法，主要包括以下步骤:
(1)信号发生器(13.1)将频率为6Κ Hz幅值为IV的正弦交流信 号加载至探头(9)内部的激励线圈(9.1); (2)激励线圈(9.1)产生的交变磁场在试件(12)表面产生一定区域的均匀电场；
(3)计算机(1)控制PLC(2)发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器⑶后驱动Z电机(6)转动，Z电机(6)通过Z丝杠(6.1)带动缓冲装置(7)下移，缓冲装置(7)通过限位光轴
(7.1)带动探头(9)下移，当探头(9)的底盖(9.3)与试件(12)上表面接触时，Z电机(6)停止转动；
(4)计算机(1)控制PLC(2)发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器(3)后驱动X电机(4)间歇转动，X电机(4)每次转动角度为360 i /6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机(4)通过X丝杠(4.1)带动X滑块(4.2)沿着X方向间歇式移动，X丝杠(4.1)的螺距为λ，X电机(4)带动X滑块(4.2)移动的步长为λ?/6400，X滑块(4.2)移动完成后停止0.1秒，X滑块(4.2)重复间歇式移动，直至X滑块(4.2)移动至试件
(12)边缘，X电机(4)停止转动，则X滑块(4.2)在PLC(2)发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400 ；
(5)计算机(1)控制PLC(2)发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动Y电机(5)转动角度360h/6400后停止，Y丝杠(5.1)的螺距为μ，贝1JY电机(5)通过Y丝杠(5.1)带动Y滑块(5.2)沿着Y方向移动，Y滑块(5.2)移动后的位置相对于原点在Y方向偏移距离为yh/6400;
(6)计算机(1)控制PLC(2)发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动X电机(4)反向间歇转动，X电机(4)通过X丝杠(4.1)带动X滑块(4.2)沿着X反向间歇式移动，X电机(4)带动X滑块(4.2)反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块(4.2)反向移动完成后停止0.1秒，X滑块(4.2)重复反向间歇式移动，直至X滑块
(4.2)移动至试件(12)边缘，X电机(4)停止反向转动，则X滑块(4.2)在PLC(2)发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r )λ?/6400 ；
(7)计算机(1)控制PLC(2)发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动Y电机(5)转动角度360h/6400后停止;X电机(4)和Y电机(5)经过P次周期性转动，如图1所示，通过X滑块(4.2)和Y滑块(5.2)带动缓冲装置(7)及探头(9)在试件(12)表面完成矩形方阵(14)轨迹扫描;则Y滑块(5.2)相对于原点的位置信息为yhp/6400；
(8)激励线圈(9.1)在试件(12)表面产生的均匀电场遇到缺陷(12.1)会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机(4)停止转动的0.1秒时，计算机(1)通过采集卡(13.2)采集探头(9)内部的X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器(9.4.4)在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点(14.1)，当X电机(4)继续带动X滑块(4.2)移动时，采集卡
(13.2)停止采集磁场数据；
(9)计算机(1)通过X滑块(4.2)任意位置信息得到探头(9)内部X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器(9.4.4)检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块(5.2)沿着Y方向移动位置得到探头(9)内部X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器
(9.4.4)检测重合点在Y方向相对原点的位置信息；
(10)如图5-6所示，将信号发生器(13.1)产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机(1)内部软件对磁场信号采集点(14.1)的X方向GMR传感器(9.4.1)检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点(14.1)的Z方向GMR传感器(9.4.4)检测到的Bz信号进行锁相放大处理，以处理后的Bx或Bz信号强度为纵坐标，依据X方向GMR传感器(9.4.1)和Z方向GMR传感器
(9.4.4)检测重合点相对于原点的X和Y方向位置信息，绘制试件(12)的缺陷(12.1)磁场信号高精度空间成像图；
(11)如图5所示，磁场信号采集点(14.1)的X方向GMR传感器(9.4.1)检测到的Bx信号强度在没有缺陷区域呈现均匀状态，缺陷端部产生波峰，在裂纹中心处产生波谷;将Bx信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的尺寸W代表缺陷Y方向尺寸，Bx信号空间磁场强度的最大畸变量D反映缺陷深度信息；
(12)如图6所示，磁场信号采集点(14.1)的Z方向GMR传感器(9.4.4)检测到的Bz信号强度在没有缺陷区域为0，在缺陷端部产生方向相反的波峰;将Bz信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的等值区域W代表缺陷Y方向尺寸；
(13)计算机(1)控制PLC(2)发送一段反转脉冲序列，所述脉冲序列包含q个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器(3)后驱动Z电机(6)转动角度360q/6400后停止，Z丝杠(6.1)的螺距为ε，Ζ电机(6)通过Z丝杠(6.1)带动缓冲装置(7)上移距离叫/6400，缓冲装置(7)带动探头(9)上移eq/6400，重复步骤(4) 一(10)得到缺陷上方空间不同提离高度的磁场高精度成像图。
[0019]本发明的有益效果是:借助高灵敏度GMR传感器实现微弱缺陷信号的测量，利用高精度三维扫描台架带动探头实现缺陷周围空间磁场的准确定位扫描，能够实现缺陷上方空间磁场的高精度成像，直观定量缺陷的形状和尺寸信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
[0020]本发明不局限于上述【具体实施方式】，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成;所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器的细分数为32，所述驱动器分别与X电机、Y电机和Z电机连接，所述X电机、Y电机和Z电机均为步距角为1.8°的步进电机，所述X电机安装在X导轨端部，所述X导轨安装在两根支撑柱顶端，所述支撑柱安装在底座一侧，所述X电机与X丝杠同轴连接，所述X丝杠与安装在X导轨上的X滑块的内螺纹孔配合;所述Y电机安装在Y导轨端部，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Y电机与Y丝杠同轴连接，所述Y丝杠与安装在Y导轨上的Y滑块的内螺纹孔配合，所述Y电机的信号线通过X坦克链与驱动器连接，所述X坦克链伴随X滑块移动;所述Z电机安装在Z导轨顶端，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述Z电机与Z丝杠同轴连接，所述Z丝杠与安装在Z导轨上的Z滑块的内螺纹孔配合，所述Z 电机的信号线通过Y坦克链与驱动器连接，所述Y坦克链伴随Y滑块移动;所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述夹具依靠螺纹安装在缓冲装置的限位光轴底端，所述探头安装在夹具上且由螺钉固紧;所述试件为设有缺陷的导电性材料，所述试件放置于底座上;所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。2.根据权利要求1所述的一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:所述缓冲装置包括限位光轴、顶盖、弹簧、Z坦克链、与限位光轴配合的直线轴承，所述直线轴承安装在缓冲装置的内孔，所述顶盖安装在限位光轴的顶端，所述顶盖下端面与直线轴承的顶端接触，所述顶盖的上端面与安装在缓冲装置内孔顶部且处于压缩状态的弹簧接触，所述限位光轴在直线轴承配合下仅可上下移动且不可转动，所述限位光轴底部设有外螺纹，所述Z坦克链与缓冲装置连接。3.根据权利要求1所述的一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，其特征是:所述探头内部设有激励线圈、U型锰锌铁氧体磁芯、底盖和电路板组成，所述激励线圈由缠绕在U型锰锌铁氧体磁芯横梁上的若干圈漆包线组成，所述激励线圈与信号发生器连接，所述底盖为2mm厚的有机玻璃薄板，所述电路板竖直安装在U型锰锌铁氧体磁芯两个粧腿之间;所述电路板的一侧面设有灵敏轴与底盖平行且位于电路板底部的X方向GMR传感器、X放大器和X滤波器，所述X方向GMR传感器的输出与X放大器的输入连接，所述X放大器的输出与X滤波器输入连接，所述X滤波器的输出与采集卡连接;所述电路板的另一侧面设有灵敏轴与底盖垂直且与X方向GMR传感器检测点重合的Z方向GMR传感器、Z放大器和Z滤波器，所述Z方向GMR传感器的输出与Z放大器的输入连接，所述Z放大器的输出与Z滤波器输入连接，所述Z滤波器的输出与采集卡连接。4.根据权利要求1所述的一种基于交流电磁场的缺陷高精度空间成像系统及方法，主要包括以下步骤: (1)信号发生器将频率为6KHz幅值为IV的正弦交流信号加载至探头内部的激励线圈； (2)激励线圈产生的交变磁场在试件表面产生一定区域的均勾电场； (3)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动，Z电机通过Z丝杠带动缓冲装置下移，缓冲装置通过限位光轴带动探头下移，当探头的底盖与试件上表面接触时，Z电机停止转动； (4)计算机控制PLC发送若干段的正转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述正转脉冲序列经过驱动器后驱动X电机间歇转动，X电机每次转动角度为360i/6400，转动后停留时间为0.1秒，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X方向间歇式移动，X丝杠的螺距为λ，χ电机带动X滑块移动的步长为λ?/6400，Χ滑块移动完成后停止0.1秒，X滑块重复间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止转动，则X滑块在PLC发送第m段脉冲序列后相对于原点的位置在X方向的位移信息为mAi/6400; (5)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止，Y丝杠的螺距为μ，则Y电机通过Y丝杠带动Υ滑块沿着Υ方向移动，Υ滑块移动后的位置相对于原点在Υ方向偏移距离为yh/6400; (6)计算机控制PLC发送若干段反转脉冲序列，每段脉冲序列包含i个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动X电机反向间歇转动，X电机通过X丝杠带动X滑块沿着X反向间歇式移动，X电机带动X滑块反向移动的步长为λ?/6400，Χ滑块反向移动完成后停止0.1秒，X滑块重复反向间歇式移动，直至X滑块移动至试件边缘，X电机停止反向转动，则X滑块在PLC发送任意r段脉冲序列后的位置相对于原点的X方向位置信息为(m-r)Ai/6400; (7)计算机控制PLC发送一段脉冲序列，所述脉冲序列包含h个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Y电机转动角度360h/6400后停止;X电机和Y电机经过p次周期性转动，通过X滑块和Y滑块带动缓冲装置及探头在试件表面完成矩形方阵轨迹扫描；则Y滑块相对于原点的位置信息为yhp/6400 ； (8)激励线圈在试件表面产生的均匀电场遇到缺陷会产生扰动，扰动电场引起空间磁场畸变，在X电机停止转动的0.1秒时，计算机通过采集卡采集探头内部的X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器在该位置的磁场数值，该位置被称为磁场信号采集点，当X电机继续带动X滑块移动时，采集卡停止采集磁场数据； (9)计算机通过X滑块任意位置信息得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的在X方向的位置信息，通过Y滑块沿着Y方向移动位置得到探头内部X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点在Y方向相对原点的位置信息； (10)将信号发生器产生的正弦交流信号设为参考信号，利用计算机内部软件对磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度或磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号进行锁相放大处理，以处理后的Bx或Bz信号强度为纵坐标，依据X方向GMR传感器和Z方向GMR传感器检测重合点相对于原点的X和Y方向位置信息，得到试件的缺陷磁场信号高精度空间成像图； (11)磁场信号采集点的X方向GMR传感器检测到的Bx信号强度在没有缺陷区域呈现均匀状态，缺陷端部产生波峰，在裂纹中心处产生波谷;将Bx信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的等值区域W代表缺陷Y方向尺寸，Bx信号空间磁场强度的最大畸变量D反映缺陷深度信息； (12)磁场信号采集点的Z方向GMR传感器检测到的Bz信号强度在没有缺陷区域为0，在缺陷端部产生方向相反的波峰;将Bz信号空间高精度成像图投影为等高线图，等高线最内侧等值区域X方向的尺寸L代表缺陷X方向尺寸，Y方向的尺寸区域W代表缺陷Y方向尺寸； (13)计算机控制PLC发送一段反转脉冲序列，所述脉冲序列包含q个脉冲信号，所述脉冲序列经过驱动器后驱动Z电机转动角度360q/6400后停止，Z丝杠的螺距为ε，Ζ电机通过Z丝杠带动缓冲装置上移距离叫/6400，缓冲装置带动探头上移叫/6400，重复步骤(4) 一 (10)得到缺陷上方空间不同提离高度的磁场高精度成像图。
【专利摘要】本发明公开了一种基于交流电磁场的缺陷信号高精度空间成像系统及方法，主要由计算机、PLC、驱动器、X电机、Y电机、Z电机、缓冲装置、夹具、探头、支撑柱、底座、试件和机箱组成；所述计算机与PLC连接，所述PLC与驱动器连接，所述驱动器分别与X电机、Y电机和Z电机连接，所述Y导轨安装在X滑块上，所述Z导轨安装在Y滑块上，所述缓冲装置安装在Z滑块上，所述探头与机箱内的信号发生器和采集卡连接，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡与计算机连接。本发明的有益效果是：能够实现缺陷上方磁场信号的分层高精度空间成像，直观定量缺陷的形状、尺寸和位置信息，具有重要的学术研究和工程应用价值。
【IPC分类】G01N27/90
【公开号】CN105486745
【申请号】CN201510919116
【发明人】李伟, 袁新安, 陈国明, 孔庆晓, 葛玖浩, 张雨田, 赵梦一, 吴衍运
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月10日
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