专利名称：基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及无损检测领域，具体涉及对铁磁构件的表面裂纹、气孔、夹渣、应力集 中等缺陷的无损探伤。
背景技术：
现有公开的铁磁构件表面裂纹探测器结构和方法各有差异，如常用的超声法、射 线法、电磁法等。超声法技术比较成熟，但是其对工件表面的清洁度要求高，实施起来也比 较繁琐；射线法对检测渐变性缺陷效果较差且射线污染严重；电磁法又有磁粉法、电涡流 法、漏磁法等，但是磁粉法和电涡流法只适合材料表面或近表面探测，自动化程度低，工艺 复杂，离不开人工观察，对技术人员要求很高，难以实现定量的检测。漏磁法对材料内部、表 面缺陷都可检测，对铁磁材料的缺陷极为敏感，检测中无需对构件进行清洗、打磨，也不需 加耦合剂，在有铁锈、油污等污染条件下也可检测。而现有的几款基于漏磁法的裂纹探测器 大多是单测头，最多只有三个测头，价格昂贵且只能对构件表面进行线扫描，一次性检测面 积小、速度慢、检测不准确、容易产生漏检，更不能提供对构件表面的裂纹等缺陷进行定量 分析所需的数据支撑，严重妨碍了漏磁法在无损检测领域的运用。
发明内容
本发明针对现有铁磁构件表面裂纹探测器的不足，提出了一种基于霍尔元件差分 阵列的铁磁构件表面裂纹探测器。本发明的技术方案如下一种基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，包括差分阵列式漏磁探 头，位移检测单元，信号调理电路，数据采集单元，所述差分阵列式漏磁探头包括电路板和 多个霍尔传感器组，每个霍尔传感器组由两个对称安装在所述电路板上下表面并经过反向 设置的相同霍尔传感器组成，位于所述电路板同一侧表面的霍尔传感器排列成阵列，所有 霍尔传感器共用接地端和电流输入端，每个所述霍尔传感器组的两个霍尔传感器的电压信 号分别输出至所述信号调理电路，所述信号调理电路包括差分运算放大器，滤波电路等，所 述信号调理电路对输入的电压信号滤除高频噪声，抑制共模干扰信号，所述差分运算放大 器对输入的两路电压信号做减运算，并放大差模信号，所述差模信号与裂纹漏磁信号对应， 并将差模信号输入数据采集单元；位移检测单元与所述差分阵列式漏磁探头固定连接，随 所述差分阵列式漏磁探头进行同步扫描检测，并记录所述差分阵列式漏磁探头移动过的位 移信号，将该位移信号输入数据采集单元；数据采集单元根据采集到的所述差模信号和所 述位移检测单元输出的位移信号，建立所述差模信号和所述位移信号一一对应关系。在所述电路板同一侧表面的霍尔传感器排列成规则的二维阵列，所述霍尔传感器 在每一行内整齐排列，不同行的霍尔传感器错位排列。将两个大小及磁性相同、但极性朝向相反的永磁体固定在所述位移检测单元上， 所述永磁体为检测提供稳定的磁通，以增强裂纹漏磁信号，对称布置在所述差分阵列式漏磁探头的左右或前后两侧。还包括分时复用装置，所述分时复用装置安装在所述差分阵列式漏磁探头和信号 调理电路之间，所述分时复用装置按照设定的时间间隔轮流接通所述差分阵列式漏磁探头 上的各霍尔传感器组的所述电压输出信号，每次被选择的所述霍尔传感器组的两个电压输 出信号通过所述信号调理电路差分放大并滤波后输入所述数据采集单元。所述位移检测单元包括位移传感器，马达和小轮，所述位移传感器设置在小轮上， 所述马达与小轮相连，所述马达带动小轮运动，所述位移传感器记录马达速度与运行时间 并计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。所述位移检测单元的另一个方案也可以包括计数器和小轮，所述计数器设置在小 轮上，记录小轮运动的周数并计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。本发明的技术效果本发明的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，通过差分阵列式漏 磁探头，降低了干扰信号，提高了检测的敏感度；独特的阵列式分布可以实现对二维平面上 裂纹的面阵检测，有效地增加了一次性扫描检测的面积和速度并避免了缺陷的漏检；配搭 精度较高的位移检测单元以及数据采集单元，实现了对漏磁信号和位移信号的实时采集， 利用软件编程可实现位移信息和漏磁信息的一一对应，便于检测人员的分析和评估，可以 更进一步去实现对构件表面缺陷状况的图形化重构。本发明的基于霍尔元件差分阵列的铁 磁构件表面裂纹探测器相比现有的裂纹探测器，具有检测面积大、速度快、缺陷漏检率低等 优点，能够在价格上形成较大的竞争优势，具备广阔的市场应用前景。
图1是差分阵列式漏磁探头上霍尔传感器组的布局图。图2是无外加磁场下探测器的检测原理图。图2a是有裂纹情况下探测器的检测示意图。图2b是无裂纹情况下探测器的检测示意图。图2c是有裂纹情况下的霍尔传感器输出特性。图2d是无裂纹情况下的霍尔传感器输出特性。图3是有外加磁场下探测器的检测原理图。图3a是有裂纹情况下探测器的检测示意图。图3b是无裂纹情况下探测器的检测示意图。图3c是有裂纹情况下的霍尔传感器输出特性。图3d是无裂纹情况下的霍尔传感器输出特性。附图标记如下1-霍尔传感器的电流输入端，2-霍尔传感器的接地端，3-霍尔传感器的电压输出 端，4-差分阵列共用地线，5-差分阵列共用电源线，6-霍尔传感器的电压输出线，7-差分阵 列式漏磁探头，8-工件表面裂纹，9-霍尔传感器组，10-地磁漏磁场，11-地磁�。�12-位移传 感器，13-位移检测单元，14-小轮，15-永磁体，16-漏磁�。�17-磁通。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作进一步说明。基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器的结构和工作原理参见图1 和图2。基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器包括差分阵列式漏磁探头7，位 移检测单元13，信号调理电路，数据采集单元。所述差分阵列式漏磁探头7包括电路板和 多个霍尔传感器组9组成，每个霍尔传感器组9由两个对称的安装在所述电路板上下表面 并经过反向设置的相同霍尔传感器组成，所述安装方式可以是焊接方式；位于所述电路板 同一侧表面的霍尔传感器排列成规则的二维阵列，其中所述霍尔传感器在每一行内整齐排 列，不同行的霍尔传感器错位排列，如图1所示。在阵列空隙处对霍尔传感器进行布线和 焊接操作。将电路板同一侧表面的霍尔传感器错位排列是因为这种二维阵列可以在各横行 和斜行上均可密集、规则排列霍尔传感器，因此可以在检测方向上弥补由于器件的敏感区 有限以及安装间隙造成的检测空隙，避免缺陷的漏检。本发明所选用的霍尔传感器尺寸是 3mmX 3mmX lmm,目前所述阵列上每行的霍尔传感器已可以做到20个，经测算3行阵列基本 能够做到对所述差分阵列式漏磁探头覆盖下的待检测铁磁材料表面的完整扫描。由图1可见，所有霍尔传感器的接地端2均连接差分阵列共用地线4，所有霍尔传 感器的电流输入端1均连接差分阵列共用电源线5，每个霍尔传感器组的两个霍尔传感器 的电压信号通过霍尔传感器的电压输出端3通过霍尔传感器的电压输出线6输出至所述信 号调理电路，所述信号调理电路包括差分运算放大器，滤波电路等，所述信号调理电路对输 入的电压信号滤除高频噪声，抑制共模干扰信号，所述差分运算放大器对输入的两路电压 信号做减运算，并放大差模信号，所述差模信号与裂纹漏磁信号对应，并将差模信号输入数 据采集单元。由图2可见，在霍尔传感器组9扫描检测到工件表面裂纹8时，由于地磁场11 在裂纹8处磁导率的变化，向外形成地磁漏磁场10，其垂直于检测平面的磁场分量会进入 到霍尔传感器组9，由于是上述反向的对称固定于电路板的上下两侧，使得同组传感器的输 出电压为差分输出，变化相反，即输出的电压总是一个正向增大，另一个反向增大。从理论 上讲二者变化的绝对值相差不大，将信号经过霍尔传感器的电压输出线6送到信号调理电 路的差分运算放大器(如INA129)内，一方面可以消除大多数的共模信号，另一方面检测信 号会因为差分效应而加倍，增加了测量的敏感度，减小了误差。这种差分电压信号可以减小 由温度效应、周围环境干扰磁场等引起的干扰信号。若构件表面没有漏磁�。疃涑鲂藕� 为零，若构件表面存在漏磁�。疃涑龇绞浇系ザ耸涑鼍哂懈飨缘男藕欧逡环逯�。探测 器与二次仪表之间采用有线连接，便于传感器供电和信号的可靠传输。所述位移检测单元13与所述差分阵列式漏磁探头7固定连接，并随所述差分阵列 式漏磁探头进行同步扫描检测，并记录所述差分阵列式漏磁探头移动过的位移信号，将其 输入数据采集单元；数据采集单元同时采集所述漏磁信号和所述位移检测单元13输出的 位移信号，并将所述漏磁信号和所述位移信号建立一一对应关系。由于地磁场较弱，为了增加测量精度和探头提离待检构件表面的高度，也可以将 两个大小及磁性相同、但极性朝向相反的永磁体15固定在位移检测单元13上，所述永磁体 15为检测提供稳定的磁通，以增强裂纹的漏磁信号，对称布置在所述差分阵列式漏磁探头 的左右或前后两侧，由于两个永磁体尺寸及磁场强度大小相同，极性朝向相反，它们的磁通 在光滑无裂纹的平面内是平滑稳定的磁通17，当检测平面有裂纹时，所述差分阵列式漏磁探头7可以更容易的检测到漏磁场16。永磁体可以采用橡胶磁条。由于所述数据采集单元用于采集霍尔传感器阵列这一特殊的二维数组的数据的 通道数有限，所以数据采集是扫描方式的。如果差分阵列式漏磁探头7上包含的霍尔传感 器组比较多，那么还需要配置相关的分时复用装置，所述分时复用装置安装在所述差分阵 列式漏磁探头和信号调理电路之间，所述分时复用装置按照设定的时间间隔轮流接通所述 差分阵列式漏磁探头上的各霍尔传感器组的所述电压输出信号，这样就对霍尔传感器组9 的电压信号起到控制作用，使得在很短的时间间隔内，只能允许同一组霍尔传感器组的两 个电压信号输入，避免了信号通道拥挤和信号混淆。每次被选择的所述霍尔传感器组的两 个电压输出信号通过所述信号调理电路的调理后输入所述数据采集单元。所述位移检测单元13包括小轮14，位移传感器12或计数器，一种方案是通过勻 速马达带动小轮14，通过位移传感器12测定运行速度v，同时记录运行时间t，则位移信号 S = vXt ；另一种方案是利用计数器对小轮14所转圈数N进行计数以获得位移信号S = NXL, L为小轮周长。将获得的位移信号输出到数据采集单元。数据采集方法设计方面，阵列预先设定了传感器的局部相对坐标，加上扫描检测 时记录位的整体位移，就能将漏磁场电压信号和准确的空间位置对应起来，也就能知道缺 陷所在的位置，在二次仪表上可以清晰的显示出来，或者可以更进一步运用MATLAB将这些 数据绘制成以扫描平面的两个维度分别为χ轴和y轴，以对应于扫描平面上每个位置的漏 磁场电压信号为ζ轴的三维“地形图”，在此图中，有缺陷的地方必定是高低起伏，这样，缺 陷的位置和大小便一目了然。数据采集单元采用单片机来实现，具有体积�。俣瓤欤杀窘系偷忍氐悖商峁� 多路模拟输入输出，多路数字输入输出等操作，非常适合于设计手持式的基于霍尔元件差 分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器。数据采集单元包括NI USB-6215数据采集卡和选通电 路，USB-6215数据采集卡是一款总线供电带隔离的M系列多功能DAQ�？椋诟卟裳氏� 也能保持高精度，该�？樘峁┝� 16路模拟输入；250kS/s单通道采样率，2路模拟输出，4路 数字输入线，4路数字输出线，每通道有4个可编程输入范围(士0.2V-士 10V)，数字触发，2 个计数器/定时器，铁磁构件上的漏磁信号属于低频信号，USB-6215数据采集卡的采样率、 分辨率等指标也足以达到我们对漏磁信号采集的要求。应当指出，以上所述具体实施方式
可以使本领域的技术人员更全面的理解本发 明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了 详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换， 而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护 范国当中。
权利要求
一种基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征在于，包括差分阵列式漏磁探头，位移检测单元，信号调理电路，数据采集单元，所述差分阵列式漏磁探头包括电路板和多个霍尔传感器组，每个霍尔传感器组由两个对称安装在所述电路板上下表面并经过反向设置的相同霍尔传感器组成，位于所述电路板同一侧表面的霍尔传感器排列成阵列，所有霍尔传感器共用接地端和电流输入端，每个所述霍尔传感器组的两个霍尔传感器的电压信号分别输出至所述信号调理电路，所述信号调理电路包括差分运算放大器，滤波电路等，所述信号调理电路对输入的电压信号滤除高频噪声，抑制共模干扰信号，所述差分运算放大器对输入的两路电压信号做减运算，并放大差模信号，所述差模信号与裂纹漏磁信号对应，并将差模信号输入数据采集单元；所述位移检测单元与所述差分阵列式漏磁探头固定连接，随所述差分阵列式漏磁探头进行同步扫描检测，并记录所述差分阵列式漏磁探头移动过的位移信号，将该位移信号输入数据采集单元；数据采集单元根据采集到的所述差模信号和所述位移检测单元输出的位移信号，建立所述差模信号和所述位移信号一一对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征 在于，在所述电路板同一侧表面的霍尔传感器排列成规则的二维阵列，所述霍尔传感器在 每一行内整齐排列，不同行的霍尔传感器错位排列。
3.根据权利要求1或2所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其 特征在于，将两个大小及磁性相同、但极性朝向相反的永磁体固定在所述位移检测单元上， 所述永磁体为检测提供稳定的磁通，以增强裂纹漏磁信号，对称布置在所述差分阵列式漏 磁探头的左右两侧或前后两侧。
4.根据权利要求1或2任何之一所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探 测器，其特征在于，还包括分时复用装置，所述分时复用装置安装在所述差分阵列式漏磁探 头和信号调理电路之间，所述分时复用装置按照设定的时间间隔轮流接通所述差分阵列式 漏磁探头上的各霍尔传感器组的所述电压输出信号，每次被选择的所述霍尔传感器组的两 个电压输出信号通过所述信号调理电路差分放大并滤波后输入所述数据采集单元。
5.根据权利要求3所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征 在于，还包括分时复用装置，所述分时复用装置安装在所述差分阵列式漏磁探头和信号调 理电路之间，所述分时复用装置按照设定的时间间隔轮流接通所述差分阵列式漏磁探头上 的各霍尔传感器组的所述电压输出信号，每次被选择的所述霍尔传感器组的两个电压输出 信号通过所述信号调理电路差分放大并滤波后输入所述数据采集单元。
6.根据权利要求1或2所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器， 其特征在于，所述位移检测单元包括位移传感器，马达和小轮，所述位移传感器设置在小轮 上，所述马达与小轮相连，所述马达带动小轮运动，所述位移传感器记录马达速度与运行时 间并计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。
7.根据权利要求3所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征 在于，所述位移检测单元包括位移传感器，马达和小轮，所述位移传感器设置在小轮上，所 述马达与小轮相连，所述马达带动小轮运动，所述位移传感器记录马达速度与运行时间并 计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。
8.根据权利要求4所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征在于，所述位移检测单元包括位移传感器，马达和小轮，所述位移传感器设置在小轮上，所 述马达与小轮相连，所述马达带动小轮运动，所述位移传感器记录马达速度与运行时间并 计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。
9.根据权利要求5所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征 在于，所述位移检测单元包括位移传感器，马达和小轮，所述位移传感器设置在小轮上，所 述马达与小轮相连，所述马达带动小轮运动，所述位移传感器记录马达速度与运行时间并 计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。
10.根据权利要求1至5任何之一所述的基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹 探测器，其特征在于，所述位移检测单元包括计数器和小轮，所述计数器设置在小轮上，记 录小轮运动的周数并计算其位移，并将位移信号输入所述数据采集单元。
全文摘要
本发明一种基于霍尔元件差分阵列的铁磁构件表面裂纹探测器，其特征在于，包括差分阵列式漏磁探头，位移检测单元，信号调理电路，数据采集单元，位于探头电路板一侧表面的霍尔传感器排列成规则阵列，所述探头的霍尔传感器组以差分方式安装在电路板上下两侧，并将两个电压信号分别输出至所述信号调理电路形成反映的漏磁电压信号，并将所述电压信号输入数据采集单元。本发明能够方便的检测出裂纹等缺陷的大小和位置，具有检测面积大、速度快、缺陷漏检率低等优点。
文档编号G01B7/02GK101995432SQ20101053103
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者廖昌荣, 汪滨波, 石祥聪, 谢云山, 韩亮, 魏文雄 申请人:重庆大学;重庆工业自动化仪表研究所
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