本發明一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置、其檢測方法及渦流陣列探頭，屬于無損檢測
技術領域：
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背景技術：
：目前常規渦流檢測裝置使用陣列探頭掃描時，為了獲得不失真的信號，信號采樣必須遵循香農-奈奎斯特(shannon-nyquist)采樣定理，采樣速率應不低于原信號最高頻率的2倍，甚至更高。這樣的高頻數據采集方式，增加了硬件電路負荷、數據傳輸量和存儲量，會導致數據傳輸延時高、設備使用壽命縮短。因此非常有必要設計一種新型檢測裝置，能在較低的采樣頻率下依然能保證信號還原精度，以減小渦流陣列檢測裝置的工作負荷。技術實現要素：本發明提供了一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置，同時提供基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置中的渦流陣列探頭及基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置的檢測方法，以用于克服常規渦流檢測裝置使用陣列探頭掃描時，為了獲得不失真的信號，必須以高采樣頻率采集數據，數據傳輸量大、硬件電路負荷高的問題。本發明的技術方案是：一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置，包括激勵信號發生器、功率放大器、渦流陣列探頭、信號采集模塊、fpga控制器和pc上位機；所述fpga控制器通過gpib總線、io口、rs232總線分別與激勵信號發生器、信號采集模塊和pc上位機相連；pc上位機通過rs232總線將指令發送至fpga控制器，fpga控制器根據接收到的指令，通過gpib總線控制激勵信號發生器產生脈沖激勵信號；fpga控制器通過io口發送隨機m偽序列至信號采集模塊；所述激勵信號發生器輸出端與功率放大器輸入端連接，功率放大器輸出端與渦流陣列探頭中各渦流探頭單元10的激勵線圈5相連，激勵信號發生器在fpga控制器控制下產生周期性的脈沖激勵信號，信號經功率放大器放大后驅動激勵線圈產生激勵磁場；渦流陣列探頭每個渦流探頭單元10的tmr磁場傳感器8輸出端分別與信號采集模塊輸入端相連；信號采集模塊輸出端與pc上位機相連。所述fpga控制器通過io口發送隨機m偽序列至數據采集卡；所述信號采樣模塊包括低通濾波器、電壓放大器、數據采集卡；其中渦流陣列探頭中的tmr磁場傳感器8輸出端與低通濾波器輸入端相連，低通濾波器的輸出端與電壓放大器的輸入端相連，電壓放大器的輸出端與數據采集卡的輸入端相連，數據采集卡的輸出端與pc上位機連接。一種實現基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置中的渦流陣列探頭，所述渦流陣列探頭由1個或者多個完全相同的渦流探頭單元10組成，每個渦流探單元頭10由探頭外殼1、端頭2、底蓋3、安裝螺母4、激勵線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場傳感器8和印刷電路板9構成；其中圓柱形的激勵線圈5繞于線圈骨架6外側，鐵芯7位于線圈骨架6內，tmr磁場傳感器8焊接在印刷電路板9上，印刷電路板9位于線圈骨架6上方，tmr磁場傳感器8的接線由印刷電路板6引出，并從探頭外殼1頂端的端頭2開孔穿出，底蓋3將圓柱形激勵線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場傳感器8軸向壓緊封裝在探頭外殼1內，固定在探頭外殼1外的安裝螺母4用于緊固板型安裝支架11。一種采用基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置進行檢測的方法，所述方法的步驟如下：s1、信號預采樣：在pc上位機上設置激勵信號參數，通過rs232總線將參數和指令發送至fpga控制器；fpga控制器接收到參數和指令后，通過gpib總線控制激勵信號發生器產生周期性的脈沖激勵信號，信號經功率放大器放大后驅動渦流陣列探頭中的激勵線圈5產生激勵磁場，激勵磁場作用于檢測試件，渦流陣列探頭中所有tmr磁場傳感器8相應地檢測到試件感生磁場的變化，并輸出電壓信號作為原始脈沖渦流陣列信號x(t)，經過低通濾波器濾波和電壓放大器放大后，通過數據采集卡采集的信號為離散信號x；同時fpga控制器產生隨機m偽序列，并通過數據采集卡采集；通過數據采集卡采集的數據送至上pc上位機；其中，低通濾波器選用二階巴特沃斯低通濾波器，傳遞函數為h1(s)，電壓放大器采用固定增益放大，放大倍數為g；s2、求離散信號x的稀疏表示：選取傅里葉變換矩陣作為稀疏基矩陣ψ，從而將離散信號x稀疏表示為：x＝ψc；其中，c為稀疏系數，ψ＝[ψ1|ψ2|…ψn]，x為采集的原始脈沖渦流陣列信號x(t)的離散信號，n為原始脈沖渦流陣列信號x(t)的長度；s3、求稀疏采樣頻率：稀疏采樣頻率為原始脈沖渦流陣列信號x(t)最高頻率的2m/n倍；其中，m＝kln(n/m)，k為離散信號x的稀疏度；s4、求傳感矩陣：根據h1(s)、g得到觀測過程傳遞函數為：h(s)＝h1(s)g；對h(s)的單位脈沖響應進行離散化處理，離散頻率與m偽序列的時鐘頻率相等，并從離散化處理結果中取前(m×n)/2個值構成序列h(n1)，從fpga控制器生成的m偽序列值中取出前1+(m×n)/2個值，構成序列p(n2)，根據h(n1)和p(n2)求卷積得到觀測矩陣最終得到傳感矩陣θ＝φψ；其中，n1＝0,1,...,-1+(m×n)/2，n2＝0,1,...,(m×n)/2，n3＝0,1,...,m×n-1，l＝m×n-n；s5、稀疏采樣：使用步驟s3中求出的稀疏采樣頻率，通過數據采集卡對經過低通濾波器濾波和電壓放大器放大后的原始脈沖渦流陣列信號x(t)進行稀疏采樣，得到觀測值y并送至pc上位機；y＝φx＝φψc＝θc；s6、在pc上位機中根據觀測值y和傳感矩陣θ，采用補空間匹配追蹤算法對觀測值y進行原始信號的重構，從而獲得最終的渦流陣列檢測信號，并顯示和存儲；s7、檢測完成，則停止激勵和采樣，否則返回步驟s5進行下一次的采樣。本發明的有益效果是：本發明利用渦流陣列信號自身的稀疏性，在保證信號重構精度的同時，大幅降低了信號采樣頻率，由此顯著降低了對采樣電路等硬件模塊的要求，減少了采樣數據量，有利于減輕數據采集、傳輸、存儲的硬件負擔，延長了設備使用壽命。對于由有限能源供電且使用陣列式探頭的便攜式設備來說，可節省大量采樣能耗和計算能耗，大幅延長工作時間。附圖說明圖1為本發明渦流陣列檢測裝置結構框圖；圖2為本發明渦流探頭單元結構立體示意圖；圖3為本發明渦流探頭單元結構剖視示意圖；圖4為本發明渦流探頭單元結構俯視示意圖；圖5為渦流探頭單元安裝固定方式示意圖；圖6為渦流陣列探頭結構示意圖；圖7為渦流陣列檢測裝置的檢測方法流程圖。圖8為渦流陣列檢測裝置的信號流圖；圖中各標號：1-探頭外殼、2-端頭、3-底蓋、4-安裝螺母、5-激勵線圈、6-線圈骨架、7-鐵芯、8-tmr磁場傳感器、9-印刷電路板，10-渦流探頭單元，11-板型安裝支架。具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步說明，但本發明的內容并不限于所述范圍。實施例1：如圖1-8所示，一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置，包括激勵信號發生器、功率放大器、渦流陣列探頭、信號采集模塊、fpga控制器和pc上位機；所述fpga控制器通過gpib總線、io口、rs232總線分別與激勵信號發生器、信號采集模塊和pc上位機相連；pc上位機通過rs232總線將指令發送至fpga控制器，fpga控制器根據接收到的指令，通過gpib總線控制激勵信號發生器產生脈沖激勵信號；fpga控制器通過io口發送隨機m偽序列至信號采集模塊；所述激勵信號發生器輸出端與功率放大器輸入端連接，功率放大器輸出端與渦流陣列探頭中各渦流探頭單元10的激勵線圈5相連，激勵信號發生器在fpga控制器控制下產生周期性的脈沖激勵信號，信號經功率放大器放大后驅動激勵線圈產生激勵磁場；渦流陣列探頭每個渦流探頭單元10的tmr磁場傳感器8輸出端分別與信號采集模塊輸入端相連；信號采集模塊輸出端與pc上位機相連。所述fpga控制器可以通過io口發送隨機m偽序列至數據采集卡；所述信號采樣模塊可以為：包括低通濾波器、電壓放大器、數據采集卡；其中渦流陣列探頭中的tmr磁場傳感器8輸出端與低通濾波器輸入端相連，低通濾波器的輸出端與電壓放大器的輸入端相連，電壓放大器的輸出端與數據采集卡的輸入端相連，數據采集卡的輸出端與pc上位機連接。一種實現基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置中的渦流陣列探頭，所述渦流陣列探頭可以為：由8個完全相同的渦流探頭單元10組成(根據實際需要，可增加或減少探頭單元數量；渦流陣列探頭按照圖6所示方向進行掃描，檢測效率明顯較單個探頭提高很多)，每個渦流探單元頭10由探頭外殼1、端頭2、底蓋3、安裝螺母4、激勵線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場傳感器8和印刷電路板9構成；其中圓柱形的激勵線圈5繞于線圈骨架6外側，鐵芯7位于線圈骨架6內，tmr磁場傳感器8焊接在印刷電路板9上，印刷電路板9位于線圈骨架6上方，tmr磁場傳感器8的接線由印刷電路板6引出，并從探頭外殼1頂端的端頭2開孔穿出，底蓋3將圓柱形激勵線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場傳感器8軸向壓緊封裝在探頭外殼1內，固定在探頭外殼1外的安裝螺母4用于緊固板型安裝支架11。一種采用基于壓縮感知的渦流陣列檢測裝置進行檢測的方法，所述方法的步驟如下：s1、信號預采樣：在pc上位機上設置激勵信號參數，通過rs232總線將參數和指令發送至fpga控制器；fpga控制器接收到參數和指令后，通過gpib總線控制激勵信號發生器產生周期性的脈沖激勵信號，信號經功率放大器放大后驅動渦流陣列探頭中的激勵線圈5產生激勵磁場，激勵磁場作用于檢測試件，渦流陣列探頭中所有tmr磁場傳感器8相應地檢測到試件感生磁場的變化，并輸出電壓信號作為原始脈沖渦流陣列信號x(t)，經過低通濾波器濾波和電壓放大器放大后，通過數據采集卡采集的信號為離散信號x；同時fpga控制器產生隨機m偽序列，并通過數據采集卡采集；通過數據采集卡采集的數據送至上pc上位機；其中，低通濾波器選用二階巴特沃斯低通濾波器，傳遞函數為h1(s)，電壓放大器采用固定增益放大，放大倍數為g；s2、求離散信號x的稀疏表示：選取傅里葉變換矩陣作為稀疏基矩陣ψ，從而將離散信號x稀疏表示為：x＝ψc；其中，c為稀疏系數，ψ＝[ψ1|ψ2|…ψn]，x為采集的原始脈沖渦流陣列信號x(t)的離散信號，n為原始脈沖渦流陣列信號x(t)的長度；s3、求稀疏采樣頻率：稀疏采樣頻率為原始脈沖渦流陣列信號x(t)最高頻率的2m/n倍；其中，m＝kln(n/m)，k為離散信號x的稀疏度；s4、求傳感矩陣：根據h1(s)、g得到觀測過程傳遞函數為：h(s)＝h1(s)g；對h(s)的單位脈沖響應進行離散化處理，離散頻率與m偽序列的時鐘頻率相等，并從離散化處理結果中取前(m×n)/2個值構成序列h(n1)，從fpga控制器生成的m偽序列值中取出前1+(m×n)/2個值，構成序列p(n2)，根據h(n1)和p(n2)求卷積得到觀測矩陣最終得到傳感矩陣θ＝φψ；其中，n1＝0,1,...,-1+(m×n)/2，n2＝0,1,...,(m×n)/2，n3＝0,1,...,m×n-1，l＝m×n-n；s5、稀疏采樣：使用步驟s3中求出的稀疏采樣頻率，通過數據采集卡對經過低通濾波器濾波和電壓放大器放大后的原始脈沖渦流陣列信號x(t)進行稀疏采樣，得到觀測值y并送至pc上位機；y＝φx＝φψc＝θc；s6、在pc上位機中根據觀測值y和傳感矩陣θ，采用補空間匹配追蹤算法對觀測值y進行原始信號的重構，從而獲得最終的渦流陣列檢測信號，并顯示和存儲；s7、檢測完成，則停止激勵和采樣，否則返回步驟s5進行下一次的采樣。其中，信號采集卡可以采用ni的pcie-6343數據采集卡，包含32路模擬量輸入和4路模擬量輸出，通過pciexpress總線與pc上位機交換數據。激勵線圈5的內、外圈半徑等參數及tmr磁場傳感器8參數可以如表1所示：表1匝數(激勵線圈繞線圈數)330激勵線圈的內圈半徑9.0mm激勵線圈的外圈半徑12.5mm激勵線圈繞線高度20.7mm繞制激勵線圈銅線直徑0.15mmtmr磁場傳感器尺寸長5mm×寬5mm×高2.5mm上面結合附圖對本發明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，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。當前第1頁12