一種自適應渦流位移檢測方法
2023-05-13 12:08:16 2
專利名稱：一種自適應渦流位移檢測方法
技術領域：
本發明屬於無損檢測技術領域，具體涉及渦流無損位移檢測技術。
背景技術：
渦流檢測技術是近年來發展快速的一項無損檢測技術，它利用電磁感應原理實現對金屬材料或工件的監測、測量和評估。將探頭線圈中通入交流電，這時線圈內及其附近就會產生交變的磁場，附近的金屬材料就會發生渦流效應，在材料表面和內部產生渦流，渦流會產生二級磁場反作用於探頭線圈，從而改變原來磁場的分布以及探頭線圈等效阻抗等參數。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外，還取決於被測材料的形狀、內部缺陷、與線圈的距離以及材料的電導率、磁導率等諸多因素。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、測量範圍寬、靈敏度高、解析度高、響應快、抗幹擾力強、不受油汙等介質的影響、結構簡單等優點，在航空航天、軌道交通、大型旋轉機械等關鍵零部件的檢測與評估中得到廣泛應用。雖然渦流位移檢測技術自誕生之日起就在不同工程領域得到廣泛應用，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。幾何形狀和工作環境完全相同的不同金屬材料製成的工件，由於其自身的電磁特性差異，一般的測試方法得到的結果差異很大。在工程測試標定中，一種被測對象對應一次標定過程，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。這些現象嚴重降低了渦流位移檢測裝置的互換性，限定了其使用範圍。目前，渦流位移檢測裝置的檢測電路多採用電感式傳感器原理設計而成，大都採用定頻調幅、變頻調幅和調頻等信號調製方式。在渦流位移檢測裝置的設計中，線圈與被測對象之間的距離可以轉換為線圈的品質因數Q、等效阻抗Z和等效電感L，測量電路的任務就是把這些參數的變化變換為電壓、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、電流或者頻率的關係來實現物理量和電量之間的轉換，很難有行之有效的辦法來解決材料電磁特性對測量結果產生的影響。由於工程應用上對消除材料電磁特性影響有著廣泛的需求，目前人們還發明了一些可行的方法來實現這個功能，典型的方案有以下兩種。第一種方法，基於探頭阻抗矢量投影法的測量方法(發明專利，杜平安，於亞婷，楊拓.一種渦流位移檢測方法.申請號201010264717.9)。該發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，再採用矢量投影來進行等效阻抗變換，最後利用等效阻抗和檢測距離的函數關係來輸出檢測結果，達到位移檢測的目的。
第二種方法，基於磁場強度檢測的測量方法(發明專利於亞婷，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.申請號201010268977. 3，公開號CN101975543A)。該發明將具有不同電導率的被測對象進行完全磁化，然後通過設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，磁傳感器中磁感應強度信號的複數向量的實部和虛部位於同一條橢圓曲線上；不同位移下的橢圓曲線簇具有相同的轉向角且相切於一點的特點，通過計算橢圓的長半軸來確定被測對象的位移。第一種基於探頭阻抗矢量投影的測量方法採用模擬/數字混合電路設計，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，需要設計複雜的硬體電路，這就增加了電路設計的難度和成本。 (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、反三角函數等複雜函數，該方法採用單片機來完成這些複雜運算需要佔用單片機內部大量的存儲資源，同時複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，受單片機計算位數的限制，測試結果的精度不高。總之第一種方法的關鍵缺點計算過程複雜，實時性差，精度差。第二種基於磁場強度檢測的方法雖然突破傳統方法的局限性，不再利用線圈品質因素、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，檢測磁場強度並進行矢量分解，最終達到消除材料電磁特性對檢測結果的影響。但是磁傳感器的引入，大大增加了檢測裝置的技術難度和經濟成本，同時所需的橢圓模型比較複雜，如果要脫離計算機設計成獨立的或者可攜式的檢測裝置，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，而且需要數據處理能力強的高性能微處理器。總之第二種方法的關鍵缺點是技術難度大，開發成本高。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有的渦流檢測方法檢測計算過程複雜的不足，提出了一種自適應渦流位移檢測方法，採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。本發明的技術方案一種自適應渦流位移檢測方法，至少包括如下步驟步驟1.產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.獲取響應信號；步驟5.對響應信號進行對數變換；步驟6.模數轉換；步驟8.自適應中斷請求判定；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是表徵被檢測位移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，並與位移d在坐標系內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信號Ur進行對數變化時，選擇激勵信號U1作為參考信號，如公式5所示，將響應信號Ur的幅值與激勵信號U1的幅值作比並取對數，然後乘以變化係數，並加上一個偏移量，得到幅值信號Vm ;同理，將響應信號Ur的相位與激勵信號U1的相位作差並取對數，然後乘以變化係數，並加上一個偏移量，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，系統會要求用戶在量程範圍內選擇三個不同的位置，等待系統採集相關數據，然後根據這三個不同點的數據採用最小二乘法進行線性擬合，計算出擬合直線的斜率k，然後根據斜率k來判定材料的電磁特性類別。本發明的優點和有益效果本發明的方法能夠自動識別材料電磁特性類別並自動標定檢測裝置。該方法能夠通過所設計的渦流位移檢測裝置的(簡稱系統)自動識別被檢測材料的電磁特性類別，然後通過標定程序對渦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標定參數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果的影響，提高渦流位移檢測裝置檢測的精度。
圖I為本發明的總體流程圖。圖2為本發明步驟5中幅值信號Vm與相位信號Vp投影圖。圖3為本發明步驟9中自動標定過程流程圖。圖4為本發明步驟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合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明如圖I所示，一種自適應渦流位移檢測方法，包括如下步驟步驟I.產生固定頻率的正弦信號。通過信號發生模塊產生頻率為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。本發明中產生正弦信號Utl的方法是首先通過單片機產生PWM波，調節PWM波的佔空比，使PWM波的頻譜成分中基頻成分達到最大，再採用集成濾波器濾除裡面的高頻成分，得到所需要的正弦信號％。步驟2.放大正弦信號。由於步驟1產生的正弦信號U0幅值很小，需要對該信號進行適當放大並和後面的電路進行隔離，防止後面的電路對信號發生模塊的幹擾。本發明採用高速強驅動能力的集成運算放大器完成正弦信號U0的放大，放大後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，仏是經過放大後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範圍內產生渦流效應，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，以保證有足夠強度並且穩定的電流信號Ii激勵探頭線圏。本發明採用雙運放組成的反饋型恆流源設計方案來完成電壓-電流的轉換，轉換結果如公式(3)所示，
權利要求
1.一種自適應渦流位移檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟I.產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.獲取響應信號； 步驟5.對響應信號進行對數變換； 步驟6.模數轉換； 步驟8.自適應中斷請求判定；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是表徵被檢測位移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，並與位移d在坐標系內進行投影計算得到位移d的值。
2.根據權利要求I素數的一種自適應渦流位移檢測方法，其特徵在於，上述步驟5的具體實施過程為對響應信號Ur進行對數變化時，選擇激勵信號U1作為參考信號，如公式5所示，將響應信號Ur的幅值與激勵信號U1的幅值作比並取對數，然後乘以變化係數，並加上一個偏移量，得到幅值信號Vm ;同理，將響應信號&的相位與激勵信號U1的相位作差並取對數，然後乘以變化係數，並加上一個偏移量，得到相位信號\，Vffl和Vp都是直流電壓信號。
3.根據權利要求I素數的一種自適應渦流位移檢測方法，其特徵在於，上述步驟9的具體實施過程為在標定過程開始，系統會要求用戶在量程範圍內選擇三個不同的位置，等待系統採集相關數據，然後根據這三個不同點的數據採用最小二乘法進行線性擬合，計算出擬合直線的斜率k，然後根據斜率k來判定材料的電磁特性類別。
全文摘要
本發明涉及一種自適應渦流位移檢測方法，包括如下步驟步驟1.產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.獲取響應信號；步驟5.對響應信號進行對數變換；步驟6.模數轉換；步驟8.自適應中斷請求判定；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；本發明的優點和有益效果本發明的方法能夠自動識別材料電磁特性類別並自動標定檢測裝置，從而來消除材料電磁特性對檢測結果的影響，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 優先權日2012年8月24日
發明者杜平安, 李茂福, 於亞婷 申請人:電子科技大學