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平面电容-涡流双模态 传感器检测系统及 缺陷判定方法

阅读：1028发布：2020-06-05

专利汇可以提供平面电容-涡流双模态传感器检测系统及缺陷判定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及平面电容- 涡流双模态传感器检测系统及利用该系统进行缺陷判定的方法，检测系统包括平面电容-涡流双模态传感器、信号发生器、检测模式切换装置、电荷放大器、电压放大器、锁相放大器、数据采集卡、计算机和信号处理模块；判定方法为激励线圈在试样上方经由检测模式切换装置快速变换线圈接线方式产生磁场和电场，利用磁场使试样中导体部分产生涡流场，检测线圈拾取导体部分涡流场的磁场变化，同时检测线圈拾取电场变化，利用电场检测试样中非导体部分的表面或隐藏缺陷，得到的检测信号结合数据采集卡、计算机和信号处理模块，可以快速、高效地实现表面包覆绝缘层的金属试样的缺陷检测及缺陷类型区分。，下面是平面电容-涡流双模态传感器检测系统及缺陷判定方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种平面电容-涡流双模态传感器检测系统，其特征在于：包括用于检测的平面电容-涡流双模态传感器(1)、与平面电容-涡流双模态传感器(1)的输入端连接的信号发生器(2)、与平面电容-涡流双模态传感器(1)的输出端连接的检测模式切换装置、与检测模式切换装置连接的电荷放大器(3)和电压放大器(4)、通过检测模式切换装置与电荷放大器(3)和电压放大器(4)均连接的锁相放大器(5)、与锁相放大器(5)连接的数据采集卡(6)、与数据采集卡(6)连接的计算机和信号处理模块(7)，信号发生器(2)还连接锁相放大器(5)，数据采集卡(6)还连接检测模式切换装置；平面电容-涡流双模态传感器(1)的探头内设有对应配合的激励线圈和检测线圈，激励线圈与信号发生器(2)和检测模式切换装置均连接，检测线圈与检测模式切换装置连接。
2.根据权利要求1所述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，其特征在于：检测模式切换装置包括单刀单掷开关Ⅰ(84)、单刀单掷开关Ⅱ(85)、单刀双掷开关Ⅰ(86)、单刀双掷开关Ⅱ(87)，激励线圈一端与信号发生器(2)电压输出端连接、另一端与单刀单掷开关Ⅰ(84)的端口连接；检测线圈一端与单刀单掷开关Ⅱ(85)的端口连接、另一端与单刀双掷开关Ⅰ(86)的端口一连接，单刀双掷开关Ⅰ(86)的端口二与电压放大器(4)输入端连接、端口三与电荷放大器(3)输入端连接；单刀双掷开关Ⅱ(87)的端口一与电压放大器(4)的输出端连接、端口二与电荷放大器(3)的输出端连接、端口三与锁相放大器(5)的输入端口连接；信号发生器(2)的参考信号输出端口与锁相放大器(5)的参考信号输入端口连接，锁相放大器(5)的输出端口、数据采集卡(6)和计算机和信号处理模块(7)依次连接；数据采集卡(6)与单刀单掷开关Ⅰ(84)、单刀单掷开关Ⅱ(85)、单刀双掷开关Ⅰ(86)、单刀双掷开关Ⅱ(87)的对应端口连接。
3.根据权利要求2所述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，其特征在于：平面电容-涡流双模态传感器(1)的探头包括传感器盒体(11)、设置在传感器盒体(11)底部用于固定PCB探头(12)的固定孔、设置在传感器盒体(11)上的用于焊接BNC连接头(13)的若干通孔，激励线圈和检测线圈设置在传感器盒体(11)内。
4.根据权利要求3所述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，其特征在于：传感器盒体(11)为长方体，固定孔为长方形，通孔数量为4个且形状为圆形。
5.根据权利要求2所述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，其特征在于：检测模式切换装置还包括切换开关盒体(8)、设置在切换开关盒体(8)内的用于固定切换芯片开发板(88)的支架、设置在切换开关盒体(8)上的用于引线连接的引线孔，单刀单掷开关Ⅰ(84)、单刀单掷开关Ⅱ(85)、单刀双掷开关Ⅰ(86)、单刀双掷开关Ⅱ(87)、数据采集卡(6)均通过引线孔与切换开关盒体(8)连接。
6.根据权利要求5所述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，其特征在于：切换开关盒体(8)内部的支架包括四个对应设置在切换芯片开发板(88)底部的方形支架本体(81)、设置在相邻的方形支架本体(81)之间的工字型连接架(82)、设置在方形支架本体(81)其余边角处的L型固定架(83)，单刀单掷开关Ⅰ(84)、单刀单掷开关Ⅱ(85)、单刀双掷开关Ⅰ(86)、单刀双掷开关Ⅱ(87)均设置在方形支架本体(81)内。
7.一种缺陷判定方法，其特征在于：利用了权利要求1所述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，缺陷判定过程为：平面电容-涡流双模态传感器(1)的激励线圈在试样上方经由检测模式切换装置快速变换线圈接线方式产生磁场和电场，磁场使试样中导体部分产生涡流场，检测线圈拾取导体部分涡流场的磁场变化，同时检测线圈拾取非导体部分的电场变化，检测线圈拾取的上述涡流场和电场变化信号经过计算机和信号处理模块(7)的实时成像和数据处理后，直观检测出试样缺陷形状，并区分出了导体与非导体缺陷，实现表面包覆绝缘层的金属试样中表面或隐藏缺陷的检测与区分。
8.根据权利要求7所述的缺陷判定方法，其特征在于：表面包覆绝缘层的金属试样的缺陷包括覆盖带有孔缺陷绝缘层的金属层孔缺陷试样、覆盖带有孔缺陷绝缘层的金属层裂纹缺陷试样、金属隐藏裂纹缺陷试样。

说明书全文

平面电容-涡流双模态 传感器检测系统及 缺陷判定方法

技术领域

[0001] 本专利申请涉及电磁无损检测技术领域，尤其是一种平面电容-涡流双模态传感器检测系统及缺陷判定方法。

背景技术

[0002] 电磁无损检测领域中，涡流成像技术用于金属导体检测，电容成像技术用于非导体检测，由于目前没有能同时实现涡流成像与电容成像的技术，如何快速、高效地实现表面包覆绝缘层的金属试样缺陷检测及缺陷类型区分是一个技术难题。发明内容

[0003] 本发明需要解决的技术问题是提供一种新型的平面电容-涡流双模态传感器检测系统及缺陷判定方法，可以快速、高效地实现表面包覆绝缘层的金属试样缺陷检测及缺陷类型区分。

[0004] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

[0005] 一种平面电容-涡流双模态传感器检测系统，包括用于检测的平面电容-涡流双模态传感器、与平面电容-涡流双模态传感器的输入端连接的信号发生器、与平面电容-涡流双模态传感器的输出端连接的检测模式切换装置、与检测模式切换装置连接的电荷放大器和电压放大器、通过检测模式切换装置与电荷放大器和电压放大器均连接的锁相放大器、与锁相放大器连接的数据采集卡、与数据采集卡连接的计算机和信号处理模块，信号发生器还连接锁相放大器，数据采集卡还连接检测模式切换装置；平面电容-涡流双模态传感器的探头内设有对应配合的激励线圈和检测线圈，激励线圈与信号发生器和检测模式切换装置均连接，检测线圈与检测模式切换装置连接。

[0006] 本发明技术方案的进一步改进在于：检测模式切换装置包括单刀单掷开关Ⅰ、单刀单掷开关Ⅱ、单刀双掷开关Ⅰ、单刀双掷开关Ⅱ，激励线圈一端与信号发生器电压输出端连接、另一端与单刀单掷开关Ⅰ的端口连接；检测线圈一端与单刀单掷开关Ⅱ的端口连接、另一端与单刀双掷开关Ⅰ的端口一连接，单刀双掷开关Ⅰ的端口二与电压放大器输入端连接、端口三与电荷放大器输入端连接；单刀双掷开关Ⅱ的端口一与电压放大器的输出端连接、端口二与电荷放大器的输出端连接、端口三与锁相放大器的输入端口连接；信号发生器的参考信号输出端口与锁相放大器的参考信号输入端口连接，锁相放大器的输出端口、数据采集卡和计算机和信号处理模块依次连接；数据采集卡与单刀单掷开关Ⅰ、单刀单掷开关Ⅱ、单刀双掷开关Ⅰ、单刀双掷开关Ⅱ的对应端口连接。

[0007] 本发明技术方案的进一步改进在于：平面电容-涡流双模态传感器的探头包括传感器盒体、设置在传感器盒体底部用于固定PCB探头的固定孔、设置在传感器盒体上的用于焊接BNC连接头的若干通孔，激励线圈和检测线圈设置在传感器盒体内。

[0008] 本发明技术方案的进一步改进在于：传感器盒体为长方体，固定孔为长方形，通孔数量为4个且形状为圆形。

[0009] 本发明技术方案的进一步改进在于：检测模式切换装置还包括切换开关盒体、设置在切换开关盒体内的用于固定切换芯片开发板的支架、设置在切换开关盒体上的用于引线连接的圆形的引线孔，单刀单掷开关Ⅰ、单刀单掷开关Ⅱ、单刀双掷开关Ⅰ、单刀双掷开关Ⅱ、数据采集卡均通过引线孔与切换开关盒体连接。

[0010] 本发明技术方案的进一步改进在于：切换开关盒体内部的支架包括四个对应设置在切换芯片开发板底部的方形支架本体、设置在相邻的方形支架本体之间的工字型连接架、设置在方形支架本体其余边角处的L型固定架，单刀单掷开关Ⅰ、单刀单掷开关Ⅱ、单刀双掷开关Ⅰ、单刀双掷开关Ⅱ均设置在方形支架本体内。

[0011] 一种缺陷判定方法，利用了上述的平面电容-涡流双模态传感器检测系统，试样缺陷判定过程为：平面电容-涡流双模态传感器的激励线圈在试样上方经由检测模式切换装置快速变换线圈接线方式产生磁场和电场，磁场使试样中导体部分产生涡流场，检测线圈拾取导体部分涡流场的磁场变化，同时检测线圈拾取非导体部分的电场变化，检测线圈拾取的上述涡流场和电场变化信号经过计算机和信号处理模块的实时成像和数据处理后，直观检测出试样缺陷形状，并区分出了导体与非导体缺陷，实现表面包覆绝缘层的金属试样中表面或隐藏缺陷的检测与区分。

[0012] 本发明技术方案的进一步改进在于：表面包覆绝缘层的金属试样的缺陷包括覆盖带有孔缺陷绝缘层的金属层孔缺陷试样、覆盖带有孔缺陷绝缘层的金属层裂纹缺陷试样、金属隐藏裂纹缺陷试样

[0013] 由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：电磁无损检测领域中，涡流成像技术用于金属导体检测，电容成像技术用于非导体检测，利用传感器探头驱动电极产生的电场线通过气隙进入试样内部。当试样内部存在缺陷时，会引起电场扰动，从而改变测量电极上的电荷量。检测金属层，电场线穿过气隙和防腐涂层，并达到表面的金属层，因为金属是一个导体，电场线无法穿透，当非金属表面或金属内部存在缺陷，将影响电场线的分布，这种变化将被检测极板检测出来。电容检测技术无法检测导体的内部缺陷，涡流检测技术无法检测非导体的缺陷，因此通过本发明，使得非导体与导体的缺陷信息同时检测出来，能够实现表面包覆绝缘层的金属试样缺陷检测及缺陷类型区分。

[0014] 本发明所使用的各零件用途如下：

[0015] 传感器探头：传感器探头包括螺旋激励线圈和螺旋检测线圈，激励线圈用于产生磁场与电场，检测线圈用于提取磁场与电场的变化。

[0016] 检测模式切换装置：检测模式切换装置内部包括2个单刀单掷开关(单刀单掷开关Ⅰ、单刀单掷开关Ⅱ)和2个单刀双掷开关(单刀双掷开关Ⅰ、单刀双掷开关Ⅱ)，单刀单掷开关Ⅰ和单刀单掷开关Ⅱ用于切换两个线圈(螺旋激励线圈和螺旋检测线圈)和地的连接，单刀双掷开关Ⅰ用于切换检测线圈与电荷放大器、电压放大器的连接，单刀双掷开关Ⅱ用于切换电荷放大器、电压放大器与锁相放大器的连接。

[0017] 信号发生器：产生激励信号。

[0018] 电荷放大器：用于电容模式下检测信号的放大，并将电荷信号转化为电压信号。

[0019] 电压放大器：用于涡流模式下检测信号的放大。

[0020] 锁相放大器：提高检测信号的信噪比。

[0021] 数据采集卡：用于采集经过锁相放大器后的信号，并分别连接检测模式切换装置中2个2个单刀单掷开关(单刀单掷开关Ⅰ、单刀单掷开关Ⅱ)和2个单刀双掷开关(单刀双掷开关Ⅰ、单刀双掷开关Ⅱ)的对应端，为切换开关提供切换信号。

[0022] 计算机和信号处理模块：用于显示及处理信号。附图说明

[0023] 图1是本发明的系统流程图；

[0024] 图2是本发明试样一的结构示意图一；

[0025] 图3是本发明试样一的结构示意图二；

[0026] 图4是本发明试样一的电容图像；

[0027] 图5是本发明试样一的涡流图像；

[0028] 图6是本发明试样二的结构示意图一；

[0029] 图7是本发明试样二的结构示意图二；

[0030] 图8是本发明试样二的结构示意图三；

[0031] 图9是本发明试样二的电容图像；

[0032] 图10是本发明试样二的涡流图像；

[0033] 图11是本发明试样三的结构示意图一；

[0034] 图12是本发明试样三的结构示意图二；

[0035] 图13是本发明试样三的结构示意图三；

[0036] 图14是本发明试样三的涡流图像；

[0037] 图15是本发明平面电容-涡流双模态传感器的结构示意图；

[0038] 图16是本发明检测模式切换装置的切换开关盒体的结构示意图；

[0039] 其中，1、平面电容-涡流双模态传感器，11、传感器盒体，12、PCB探头，13、BNC连接头，2、信号发生器，3、电荷放大器，4、电压放大器，5、锁相放大器，6、数据采集卡，7、计算机和信号处理模块，8、切换开关盒体，81、方形支架本体，82、工字型连接架，83、L型固定架，84、单刀单掷开关Ⅰ，85、单刀单掷开关Ⅱ，86、单刀双掷开关Ⅰ，87、单刀双掷开关Ⅱ,88、切换芯片开发板。

具体实施方式

[0040] 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

[0041] 本发明公开了一种平面电容-涡流双模态传感器检测系统，包括用于检测的平面电容-涡流双模态传感器1、与平面电容-涡流双模态传感器1的输入端连接的信号发生器2、与平面电容-涡流双模态传感器1的输出端连接的检测模式切换装置、与检测模式切换装置连接的电荷放大器3和电压放大器4、通过检测模式切换装置与电荷放大器3和电压放大器4均连接的锁相放大器5、与锁相放大器5连接的数据采集卡6、与数据采集卡6连接的计算机和信号处理模块7，信号发生器2还连接锁相放大器5，数据采集卡6还连接检测模式切换装置；平面电容-涡流双模态传感器1的探头内设有对应配合的激励线圈和检测线圈，激励线圈与信号发生器2和检测模式切换装置均连接，检测线圈与检测模式切换装置连接。

[0042] 检测模式切换装置包括单刀单掷开关Ⅰ84、单刀单掷开关Ⅱ85、单刀双掷开关Ⅰ86、单刀双掷开关Ⅱ87，激励线圈和检测线圈均为螺旋线圈。

[0043] 以单刀单掷开关Ⅰ84和单刀单掷开关Ⅱ85有RF1端口、RF2端口，单刀单掷开关Ⅱ85和单刀双掷开关Ⅰ86有RF1端口、RF2端口、RFC端口为例，具体连接方式为：激励线圈一端与信号发生器2电压输出端连接、另一端与单刀单掷开关Ⅰ84的RF1端口连接，单刀单掷开关Ⅰ的RF2端口接地；检测线圈一端与单刀单掷开关Ⅱ85的RF1端口连接，单刀单掷开关Ⅱ85的RF2端口接地，检测线圈另一端与单刀双掷开关Ⅰ86的RFC端口连接，单刀双掷开关Ⅰ86的RF1端口与电压放大器4输入端连接、RF2端口与电荷放大器3输入端连接；单刀双掷开关Ⅱ87的RF1端口与电压放大器4的输出端连接、RF2端口与电荷放大器3的输入端连接、RFC端口与锁相放大器5的输入端口连接；信号发生器2的参考信号输出端口与锁相放大器5的参考信号输入端口连接，锁相放大器5的输出端口、数据采集卡6和计算机和信号处理模块7依次连接；数据采集卡6与单刀单掷开关Ⅰ84、单刀单掷开关Ⅱ85、单刀双掷开关Ⅰ86、单刀双掷开关Ⅱ87的CTRL端口连接。激励线圈和检测线圈均为螺旋状线圈。

[0044] 平面电容-涡流双模态传感器1的探头包括传感器盒体11、设置在传感器盒体11底部用于固定PCB探头12的固定孔、设置在传感器盒体11上的用于焊接BNC连接头13的若干通孔，激励线圈和检测线圈设置在传感器盒体11内。

[0045] 传感器盒体11为塑料传感器盒体，固定孔为长方形，通孔数量为4个且形状为圆形。

[0046] 检测模式切换装置还包括切换开关盒体8、设置在切换开关盒体8内的用于固定切换芯片开发板88的支架、设置在切换开关盒体8上的用于引线连接的圆形引线孔，单刀单掷开关Ⅰ84、单刀单掷开关Ⅱ85、单刀双掷开关Ⅰ86、单刀双掷开关Ⅱ87、数据采集卡6均通过引线孔与切换开关盒体8连接。

[0047] 切换开关盒体8内部的支架包括四个对应设置在切换芯片开发板88底部的方形支架本体81、设置在相邻的方形支架本体81之间的工字型连接架82、设置在方形支架本体81其余边角处的L型固定架83，单刀单掷开关Ⅰ84、单刀单掷开关Ⅱ85、单刀双掷开关Ⅰ86、单刀双掷开关Ⅱ87均设置在方形支架本体81内。

[0048] 一种缺陷判定方法，利用了上述平面电容-涡流双模态传感器检测系统，该判定方法对试样的缺陷进行判定的过程为：平面电容-涡流双模态传感器1的激励线圈在试样上方经由检测模式切换装置快速变换线圈接线方式产生磁场和电场，磁场使试样中导体部分产生涡流场，检测线圈拾取导体部分涡流场的磁场变化，同时检测线圈拾取非导体部分的电场变化，检测线圈拾取的上述涡流场和电场变化信号经过计算机和信号处理模块7的实时成像和数据处理后，直观检测出试样缺陷形状，并区分出了导体与非导体缺陷，实现表面包覆绝缘层的金属试样中表面或隐藏缺陷的检测与区分。

[0049] 表面包覆绝缘层的金属试样的缺陷包括覆盖带有孔缺陷绝缘层的金属层孔缺陷试样、覆盖带有孔缺陷绝缘层的金属层裂纹缺陷试样、金属隐藏裂纹缺陷试样。

[0050] 该试样缺陷判定方法的原理为：平面电容-涡流双模态传感器1的探头驱动电极产生的电场线通过气隙进入试样内部，当试样内部存在缺陷时，会引起电场扰动，从而改变测量电极上的电荷量。检测金属层,电场线穿过气隙和防腐涂层,并达到表面的金属层,因为金属是一个导体,电场线无法穿透。当非金属表面或金属内部存在缺陷,将影响电场线的分布,这种变化将被检测线圈检测出来。

[0051] 根据法拉第电磁感应定律,平面电容-涡流双模态传感器1的探头,通交变电流的激励线圈会产生交变磁场,它使金属表面产生涡流,该涡流产生的二次磁场会与原磁场一起影响检测线圈，当金属表面或内部存在缺陷时，会使涡流畸变从而被检测线圈检测出来。

[0052] 电容检测技术无法检测导体的内部缺陷，涡流检测技术无法检测非导体的缺陷，因此通过本发明，使得非导体与导体的缺陷信息同时检测出来。

[0053] 以下举例详细说明：

[0054] 试样一、是铝-玻璃纤维混合结构，结构参见图2-图3，长140毫米宽30毫米铝板表面加工四个5毫米深直径不同的平底圆形孔。孔的直径分别为10毫米、8毫米、6毫米和4毫米。2毫米厚玻璃纤维板上加工三个相同的直径(11毫米)，埋藏深度不同(2毫米,1.5毫米,1毫米)的孔，一个为通孔其余两个为隐藏孔，玻璃纤维板放置在铝板上。单次扫描得到电容图像和涡流图像，如图4、图5所示。

[0055] 从电容图像(图4)可以看出，铝板和玻璃纤维板上的所有孔都被检测到了。这是因为探测场对非导电材料和电容成像模式下导电表面的特征都很敏感。在涡流图像(图5)中，只检测到铝板表面的四个孔，从图像中可以推断出孔的大小。

[0056] 试样二、也是铝-玻璃纤维混合结构，参见图6-图8，铝板有一个45毫米(长)×7毫米(深)×0.8毫米(宽)的裂缝。玻璃纤维板有两套孔。一组孔为通孔，直径分别为11mm、9mm、7mm、5mm，另一组孔为平底孔(深1.5mm)，直径分别为11mm、9mm、7mm、5mm。

[0057] 单次扫描得到电容图像和涡流图像，在如图9所示的电容图像中，玻璃纤维板上的通孔和隐藏孔都出现了，但在电容图像中看不到裂纹。在涡流图像图10中，裂纹清晰可见，但没有玻璃纤维板的特征。

[0058] 试样三、结构参见图11-图13，涡流成像中，可在图14中部的细长阴影可见，判断为金属隐藏裂纹，因此判断试样三为金属隐藏裂纹缺陷试样。

[0059] 结果表明，电容-涡流双模态传感器能够准确地识别和分类表面轮廓图像。裂纹、扁孔和隐蔽缺陷可以直观地评价。双模态成像传感器可用于识别保温层和绝缘下导电表面的缺陷，在实际应用中有望用于针对绝缘下的腐蚀问题。

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