本發明涉及雙差動式脈沖渦流探頭單元、陣列探頭及檢測裝置，屬于探頭技術領域。

背景技術：

脈沖渦流無損檢測是渦流無損檢測的重要新興分支技術，是近年來迅速發展起來的新型檢測技術，主要用于金屬、導體材料表面、亞表面或不同深度的缺陷檢測。

脈沖渦流檢測檢測技術與傳統渦流技術及其他無損技術相比有著如下的優勢：1、脈沖渦流具有很寬的頻譜范圍，其頻譜范圍可以從直流到100khz甚至更高，這樣在理論上就可以檢測到不同深度位置的缺陷。2、脈沖渦流檢測時的激勵信號使用的是脈沖方波，使得檢測信號抗干擾能力更強。3、脈沖渦流檢測與超聲相比不需耦合劑，無接觸檢測，并且被測物體表面無需清理。4、脈沖渦流檢測可以在較短的時間內采集大量的信號，這使得脈沖渦流檢測技術更容易發展傳感器陣列技術。

脈沖渦流檢測也存在著一些局限性：脈沖渦流檢測容易受到提離效應的影響；脈沖渦流檢測使用寬頻譜的脈沖激勵，對檢測系統的信噪比要較高。因此設計一種可有效抑制提離效應、提高信噪比和檢測精度的探頭和裝置勢在必行。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：本發明提供進一步由雙差動式脈沖渦流探頭單元構成的陣列探頭，同時提供包括所述陣列探頭的檢測裝置，本發明可以有效抑制渦流無損檢測中的提離效應影響，提高信噪比和抗干擾能力，并具有較高的檢測速度、檢測精度以及較大的檢測范圍。

本發明提供的雙差動式脈沖渦流探頭單元，包括線圈骨架1、激勵線圈2、感應線圈a1、a2、b1、b2、差分放大模塊3、接線端頭4、探頭外殼5、端蓋6；所述線圈骨架1為陶瓷纖維材料制成，探頭外殼5為工業純鐵圓管；端蓋6為陶瓷纖維材料制成。所述線圈骨架1內側為帶十字支架的開口圓管，激勵線圈2繞于其外側，4個感應線圈a1、a2、b1、b2繞于其內側支架上；差分放大模塊3位于線圈骨架上方，且同感應線圈a1、a2、b1、b2連接；探頭外殼5為圓管，接線端頭4套于其頂部，接線端頭4中間有通孔，激勵線圈2、差分放大模塊3的接線從所述通孔中穿出；端蓋6和探頭外殼5底部連接，將饒有線圈的線圈骨架1和差分放大模塊3軸向壓緊封閉在探頭外殼5內。

進一步的，所述激勵線圈2為漆包銅線圓形空心線圈，線經0.4mm，內徑15mm，高35mm，180匝；4個感應線圈a1、a2、b1、b2完全相同，為漆包銅線矩形線圈，線經0.2mm，寬10mm，高20mm，450匝。

進一步的，所述4個感應線圈a1、a2、b1、b2兩兩相差90°分布于激勵線圈2內圓周的線圈骨架1內，且垂直于激勵線圈2橫截面；感應線圈a1、a2和感應線圈b1、b2各構成一組差動式結構，即每個雙差動結構探頭含有2組差動感應線圈組。

進一步的，所述差分放大模塊3由四通道運算放大器芯片op400構成，放大倍數通過電位器調節。

進一步的，本發明進一步提供一種利用雙差動式脈沖渦流探頭單元構成的陣列探頭，所述陣列探頭的陣列包括16個雙差動式脈沖渦流探頭單元7，16個雙差動式脈沖渦流探頭單元7由陣列支架8固定，組成4×4的矩陣形式；陣列支架8由探頭套殼9和連桿10構成；雙差動式脈沖渦流探頭單元7垂直裝入探頭套殼9，由螺絲11穿入探頭套殼9上的螺孔ⅰ12固定，探頭接線由探頭套殼9上部的通孔13穿出；各探頭套殼9由連桿10通過螺孔ⅱ14相互連接；根據需要，能擴展或更改陣列探頭中的探頭單元數量和陣列排布方式。

進一步的，所述螺絲11和螺孔ⅰ12的螺紋制式為m3，螺距0.5mm；所述連桿10和螺孔ⅱ14的螺紋制式為m6，螺距1.0mm；所述連桿10長60mm。

進一步的，本發明同時提供一種包含所述的雙差動式脈沖渦流陣列探頭的檢測裝置，還包括微控制器、波形發生模塊、多路復用模塊、信號調理模塊、串行通信模塊、數據采集卡和直流穩壓源；所述微控制器通過串行通信模塊和pc機連接，通過rs232總線從pc機上位機軟件接收指令，并根據指令控制波形發生模塊和多路復用模塊；所述波形發生模塊產生脈沖激勵信號，并按順序分時對雙差動式脈沖渦流探頭單元中的激勵線圈分時激勵，陣列探頭產生16路感生磁場的差動信號，通過導線連接送至多路復用模塊輸入端；所述多路復用模塊同時根據微控制器指令，分時把16路差動信號從公共通道輸出至信號調理電路輸入端；所述信號調理模塊對信號濾波處理后，將信號輸出至數據采集卡，數據采集卡將模擬信號變為數字信號后送到pc機進行處理，并在上位機軟件顯示缺陷位置與深度。

進一步的，所述微控制器為stc154k32s單片機。該單片機抗干擾、抗靜電能力較強，滿足工作環境需要；同時該單片機帶有6路15位高精度pwm，可通過內部脈沖寬度調制模塊產生方波信號，驅動波形發生模塊產生脈沖激勵信號。

進一步的，所述波形發生模塊主要由2n3904三極管、1n4007二極管、gz5-l固體繼電器、adg1206多路復用芯片構成。微控制器產生的方波信號控制三極管道通，使繼電器開斷或閉合，產生脈沖激勵信號。脈沖激勵信號通過adg1206多路復用芯片，可順序對陣列探頭中的單個激勵線圈分時激勵。

進一步的，所述多路復用模塊主要由adg1206多路復用芯片構成；為矩陣探頭提供16個輸入端和1個信號復用通道。陣列探頭的16個差動輸出通過該模塊可分時通過信號復用通道輸出至信號調理模塊。

進一步的，所述信號調理模塊由雙運算放大器芯片lm358構成。可濾除電路自帶的直流分量和過濾高頻噪聲。

進一步的，所述串行通信模塊主要由max232芯片構成，實現微控制器ttl電平與pc機rs232電平的相互轉換，完成微控制器與pc機之間的通信。通過模塊的db9接口，使用rs232串行總線同pc機串口連接。

本發明的有益效果是：

(1)雙差動式脈沖渦流探頭單元中，采用垂直于激勵線圈橫截面的感應線圈布置方式。在被檢試件無缺陷時，感應線圈在垂直方向移動無磁通量，不產生感應電流，即輸出為0，可以有效抑制提離效應。

(2)雙差動式脈沖渦流探頭單元中，差動式的結構設計。由于其感應線圈對稱分布，熱耦合、外部噪聲、空氣間隙等干擾均相同，差動輸出后干擾將會被抑制，同時也可進一步消除提離效應的影響。所以差動式結構探頭具有更高的信噪比和抗干擾能力，靈敏度非常高，可以檢測到非常微小的缺陷。

(3)雙差動式脈沖渦流探頭中單元，兩組差動式感應線圈的垂直分布方式克服了常規檢測時普通傳統線圈探頭對缺陷方向的依賴性，還可以同時實現二維平面縱橫兩個方向上的高精度檢測，準確識別缺陷位置。

(4)雙差動式脈沖渦流探頭單元集成了差分放大模塊，使4個感應線圈兩級的差分通過電路完成，只輸出差動信號，減少了輸出量和上位機處理的步驟。

(5)陣列探頭的使用大幅提高了檢測裝置的檢測效率與檢測范圍。同時，按特定順序對探頭單元分時激勵、分時采集的設計方式降低了探頭單元間的干擾。

(6)陣列探頭可根據需要擴展或更改探頭單元數量和陣列排布方式，構成方式靈活。

(7)檢測裝置集成了多路復用模塊，使矩陣探頭的輸入與輸出只各需要一個通道即可完成，節約了硬件通道。

附圖說明

圖1-2為本發明的雙差動式脈沖渦流探頭單元正視剖視圖和俯視剖視圖；

圖3為本發明的感應線圈和激勵線圈繞線方向示意圖；

圖4為本發明的雙差動式脈沖渦流探頭單元結構與接口示意圖；

圖5為雙差動式脈沖渦流探頭單元的差分放大模塊電路；

圖6為本發明的陣列探頭構成方法圖示；

圖7為本發明的陣列探頭構成方法效果圖；

圖8為本發明的檢測裝置結構及流程框圖；

圖9為檢測裝置的微控制器電路圖；

圖10為檢測裝置的串行通信模塊電路圖；

圖11為檢測裝置的波形發生模塊電路圖；

圖12為檢測裝置的多路復用模塊電路圖；

圖13為檢測裝置的信號調理模塊電路圖。

圖1-13中各標號：1-線圈骨架、2-激勵線圈、a1、a2、b1、b2-感應線圈、3-差分放大模塊、4-接線端頭、5-探頭外殼、6-端蓋、7-雙差動式脈沖渦流探頭單元、8-陣列支架、9-探頭套殼、10-連桿、11-螺絲、12螺孔ⅰ、13-通孔、14-螺孔ⅱ。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步說明。

實施例1：如圖1、2、3所示，雙差動式脈沖渦流探頭單元、陣列探頭及檢測裝置，包括線圈骨架1、激勵線圈2、感應線圈a1、a2、b1、b2、差分放大模塊3、接線端頭4、探頭外殼5、端蓋6；所述線圈骨架1為陶瓷纖維材料制成，探頭外殼5為工業純鐵圓管；端蓋6為陶瓷纖維材料制成。所述線圈骨架1內側為帶十字支架的開口圓管，激勵線圈2繞于其外側，4個感應線圈a1、a2、b1、b2繞于其內側支架上；差分放大模塊3位于線圈骨架上方，且同感應線圈a1、a2、b1、b2連接；探頭外殼5為圓管，接線端頭4套于其頂部，接線端頭4中間有通孔，激勵線圈2、差分放大模塊3的接線從所述通孔中穿出；端蓋6和探頭外殼5底部連接，將饒有線圈的線圈骨架1和差分放大模塊3軸向壓緊封閉在探頭外殼5內。垂直于激勵線圈橫截面的感應線圈布置，在被檢試件無缺陷時，感應線圈在垂直方向移動無磁通量，不產生感應電流，即輸出為0，可以有效抑制提離效應。

作為本發明的進一步的方案，如圖2、圖3，所述4個感應線圈a1、a2、b1、b2兩兩相差90°分布于激勵線圈2內圓周的線圈骨架1內，且垂直于激勵線圈2橫截面；感應線圈a1、a2和感應線圈b1、b2各構成一組差動式結構，即每個雙差動結構探頭含有2組差動感應線圈組。

如圖4所示，外部有+12v供電、-12v供電、公共gnd、差動輸出、激勵輸入5條接線；其中+12v供電、-12v供電接線連接直流穩壓源，給差分放大模塊供電；差動輸出接線連接裝置中的多路復用模塊的多路輸入端；激勵輸入接線連接波形發生模塊的多路輸出端。

作為本發明的進一步的方案，如圖5，所述差分放大模塊3由亞德諾(adi)半導體公司的四通道運算放大器芯片op400構成，放大倍數通過電位器調節，該芯片集成了4個低失調運算放大器，只需1片芯片就可完成該模塊電路設計，節省了空間和成本。

其中運算放大器a、b構成一級差分電路，運算放大器c構成二級差分電路，運算放大器d構成同相放大電路；a、b、c運算放大器構成的差分電路結構相同，以a為例，若r1＝r11，r3＝r7，則運算放大器a輸出為：

a1、a2感應線圈構成一組差動結構接入運放a，b1、b2感應線圈構成一組差動結構接入運放b；兩組差動線圈電壓值做第一級差分后，輸出接入運放c做第二級差分，差分后的電壓信號通過運放d進行放大，其放大倍數可通過電位器r4調節，最終輸出的電壓差動信號為：

作為本發明的進一步的方案，如圖6，本發明進一步提供一種利用雙差動式脈沖渦流探頭單元構成的陣列探頭，所述陣列探頭的陣列包括16個雙差動式脈沖渦流探頭單元7，16個雙差動式脈沖渦流探頭單元7由陣列支架8固定，組成4×4的矩陣形式；陣列支架8由探頭套殼9和連桿10構成；雙差動式脈沖渦流探頭單元7垂直裝入探頭套殼9，由螺絲11穿入探頭套殼9上的螺孔ⅰ12固定，探頭接線由探頭套殼9上部的通孔13穿出；各探頭套殼9由連桿10通過螺孔ⅱ14相互連接；

如圖7所示，根據需要，能擴展或更改陣列探頭中的探頭單元數量和陣列排布方式。例如可根據需要，按所提供的方法構成5×5或5×4的探頭陣列。

作為本發明的進一步的方案，本發明同時提供一種包含所述的雙差動式脈沖渦流陣列探頭的檢測裝置，如圖8，顯示了檢測裝置的結構及整個檢測的流程，檢測裝置包括雙差動式脈沖渦流陣列探頭、微控制器、波形發生模塊、多路復用模塊、信號調理模塊、串行通信模塊、數據采集卡和直流穩壓源；所述微控制器通過串行通信模塊和pc機連接，通過rs232總線從pc機上位機軟件接收指令，并根據指令控制波形發生模塊和多路復用模塊；所述波形發生模塊產生脈沖激勵信號，并按順序分時對雙差動式脈沖渦流探頭單元中的激勵線圈分時激勵，陣列探頭產生16路感生磁場的差動信號，通過導線連接送至多路復用模塊輸入端；所述多路復用模塊同時根據微控制器指令，分時把16路差動信號從公共通道輸出至信號調理電路輸入端；所述信號調理模塊對信號濾波處理后，將信號輸出至數據采集卡，數據采集卡將模擬信號變為數字信號后送到pc機進行處理，并在上位機軟件顯示缺陷位置與深度。

作為本發明的進一步的方案，如圖9，所述微控制器可以為宏晶科技公司的stc154k32s單片機。該單片機抗干擾、抗靜電能力較強，滿足工作環境需要；同時該單片機帶有6路15位高精度pwm，可通過內部脈沖寬度調制模塊產生方波信號，驅動波形發生模塊產生脈沖激勵信號。stc15w4k32s通過io口p3.1、p3.0同串行通信模塊連接，接收pc機指令；通過io口p1.0～p1.4控制多路復用模塊；通過io口p2.4～p2.0、p3.7控制波形發生模塊。

作為本發明的進一步的方案，如圖10，所述串行通信模塊主要由美信(maxim)公司的max232芯片構成，實現微控制器ttl電平與pc機rs232電平的相互轉換，完成微控制器與pc機之間的通信。該模塊u5的t2in、t2out引腳與微控制器stc15w4k32s的io口p3.1、p3.0連接，并通過模塊的db9接口，使用rs232串行總線同pc機串口連接。

作為本發明的進一步的方案，如圖11，所述波形發生模塊主要由亞德諾(adi)半導體公司的多路復用器芯片adg1206、上海超誠電子公司的固態繼電器gz5-l、三極管2n3904、二極管1n4007構成。波形發生模塊通過微控制器輸出的方波信號，控制三極管q1的導通與截止，從而驅動繼電器k1的開斷產生脈沖激勵信號；激勵信號從多路復用芯片u3的公共通道d輸入，輸出端s1～s16連接陣列探頭的16個激勵線圈；微控制器通過對en、a0、a1、a2、a3編碼，選擇信號從s1～s16中一路輸出，從而實現對矩陣探頭中單個探頭單元激勵線圈的順序分時激勵。

作為本發明的進一步的方案，如圖12，多路復用模塊主要由亞德諾(adi)半導體公司的多路復用器芯片adg1206構成；該模塊的u6芯片s1～s16接收陣列探頭的16路差動輸出，u6的公共通道d連接信號調理模塊；微控制器通過對en、a0、a1、a2、a3編碼，選擇s1～s16中的一路差動信號輸入，從公共通道d輸出至信號調理模塊，從而實現對矩陣探頭多路差動信號的共用通道分時采集。

如圖13所示：信號調理模塊由德州儀器(ti)公司的雙通道運算放大器芯片lm358構成，為有源二階低通濾波器和有源二階高通濾波器組成的四階帶通濾波器。信號調理模塊輸入端連接多路復用模塊，輸出端連接數據采集卡，數據采集卡將模擬信號變為數字信號后送到pc機進行處理。

應用時，一般脈沖激勵信號的頻率為50-150hz，對脈沖信號進行傅里葉變換可知，其高階次諧波分量的幅值已經很小，對檢測結果基本上沒有影響。因此，選擇脈沖激勵信號基頻的50倍，即7500hz作為低通濾波器的截止頻率，選擇50hz作為高通濾波器截止頻率。

其中運放a構成低通濾波器，濾除電路自帶的直流分量。低通濾波器的放大倍數為：

另外，截止頻率f0＝1/2πr16c3，品質因數q＝1/(2-r12/r2)。

其中運放b構成高通濾波器，濾除信號中的高頻噪聲干擾。低通濾波器的放大倍數為：

另外，截止頻率f0＝1/2πr19c12，品質因數q＝1/(2-r10/r9)。

實施例2，本實施例其他結構和實施例1相同，其中作為進一步的，所述激勵線圈2可以為漆包銅線圓形空心線圈，線經0.4mm，內徑15mm，高35mm，180匝；4個感應線圈a1、a2、b1、b2完全相同，為漆包銅線矩形線圈，線經0.2mm，寬10mm，高20mm，450匝。

所述螺絲11和螺孔ⅰ12的螺紋制式可以為為m3，螺距0.5mm；所述連桿10和螺孔ⅱ14的螺紋制式為m6，螺距1.0mm；所述連桿10長60mm。

上面結合附圖對本發明的具體實施例作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。