一种阵列式可伸缩探头、脉冲涡流无损探伤系统及方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及脉冲涡流检测技术领域，具体指一种基于脉冲分时激励的阵列式可伸缩探头、脉冲涡流无损探伤系统及方法。背景技术：2.脉冲涡流检测技术是一种新兴的涡流无损检测技术，当激励线圈两端施加脉冲电压信号，由电磁感应定律可知，线圈周围将会产生变化的磁场，称为激励磁场。由涡流效应可知，位于变化的磁场中的金属管道内表面会产生涡流，而涡流的大小和分布将会受到金属管道内表面有无缺陷的影响，从而引起涡流磁场变化。脉冲涡流检测就是通过利用磁场检测元件检测这种磁场变化，来获得金属管道内部的缺陷信息。3.分时激励技术是针对阵列式传感器串扰问题的一种解决方案，对多个传感器分时的给予相同的激励信号，从而使得同一时间只有一路传感器处于有效工作状态，避免了传感器之间的电磁串扰。对分布在金属管道内部360°的阵列式传感器进行高速轮询式的激励，既可以实现360°的缺陷检测提高检测效率，同时又可以避免串扰，提高检测精度。4.目前也存在一些针对管道内表面的脉冲涡流检测系统，例如专利号为cn209460201u，名称为一种全方位检测管道内部缺陷的脉冲涡流检测装置，该发明采用设置在装置圆柱体上分两圈交叉排列的检测传感器，实现对管道内部360°全方位一次性的检测。优点是提高了检测的精确度和检测效率。但是由于该装置固定检测传感器的圆柱体内径不可改变，所以只能针对半径不变的一种管道进行检测。如果被测管道内径与装置的外径不同时，需要重新进行设计圆柱体的内径，装置可复用性不高。5.专利cn112834611a，名称为一种可变径差分涡流传感器检测方法及其装置，该发明采用可膨胀收缩的柱体结构作为内检测的支撑物，相对应地使用可拉伸的柔性导线绕制而成的一对差分线圈作为检测传感器，通过该方案解决不同直径大小的金属管的检测问题。但是该方式可以检测有无缺陷，却无法对缺陷周向所在位置进行定位检测。同时，该方法还需要进行弹性膨胀拉伸调整和弹性变形支撑架层的选择，检测方法较为繁琐。6.因此亟需一种可以满足360°缺陷定位检测、检测精度高、高可复用性、方便操作的脉冲涡流检测方法和装置来解决上述问题。技术实现要素：7.本发明要解决的技术问题是：本发明提供阵列式可伸缩的探头阵列结构，采用分时激励的方式消除相邻探头之间的电磁串扰，同时提供可实时显示三维检测结果的上位机；本发明具有较高的检测速度，可以有效的避免探头单元之间的电磁耦合，提高检测精度；此外，相较于其他阵列探头，本发明探头阵列半径可以在一定范围内变化，具有较高的可复用性，对检测结果使用上位机实时显示，可以更直观的确定缺陷位置。8.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：9.一种阵列式可伸缩探头，包括支撑骨架、中心套管和若干探头单元，所述支撑骨架包括柱体和若干呈等分固定在柱体径向外壁的连接架，所述中心套管可滑动套接在柱体上，若干所述探头单元通过伸缩架安装在连接架和中心套管上，上述技术方案，通过伸缩架的设置，增加该装置的可复用性，实现对不同半径大小的管道进行检测。10.作为优选，所述中心套管的底端的管体上开设有若干套管凹槽，在同一竖直方向上的套管凹槽和连接架相配合通过伸缩架安装一个探头单元。11.作为优选，所述连接架包括矩形的底板和呈对称结构固定在底板两侧的侧挡板，其中一块所述侧挡板的内部设有第一连接柱，所述套管凹槽内壁设有第二连接柱，所述伸缩架包括斜杆和支撑杆，所述斜杆的两端设有斜杆圆孔，所述斜杆的中间位置设有中柱体，所述支撑杆两端设有支撑圆孔，所述斜杆一端的斜杆圆孔可转动连接至第二连接柱，所述斜杆另一端的斜杆圆孔连接至探头单元，所述支撑杆一端的支撑圆孔可转动连接至中柱体，所述支撑杆另一端的支撑圆孔可转动连接至第一连接柱，所述探头单元可活动安装在连接架上。12.作为优选，所述探头单元包括涡流探头、保护罩、托盘和探头支撑体，所述保护罩呈圆筒状结构，所述保护罩固定在托盘底侧，所述涡流探头安装在保护罩内，所述探头支撑体的顶端与托盘底侧的中心处固定连接，所述探头支撑体上设有探头单元柱体，所述斜杆另一端的斜杆圆孔可转动连接至探头单元柱体，所述托盘上设有供涡流探头的线束穿过的通线孔。13.作为优选，所述连接架的外端设有两个插接槽，所述探头支撑体底部的径向外壁呈对称结构设有左侧板和右侧板，所述左侧板和右侧板分别插接至两个插接槽。通过插接槽和左、右侧板的设置，使的探头单元能够在垂直方向实现定向伸缩，避免探伤单元出现偏移，确保探伤检测的精度。14.作为优选，所述涡流探头包括探头骨架、线圈和pcb板，所述探头骨架呈圆筒状结构，所述探头骨架的径向外壁设有环形槽，所述线圈绕接在环形槽内，所述pcb板安装在探头骨架内，所述pcb板上安装有磁传感器。15.作为优选，所述探头单元、连接架和伸缩架的数量相对应均为16个。16.本发明还提供了一种阵列式可伸缩脉冲涡流无损探伤系统，包括阵列式可伸缩探头、分时激励电路、多路信号调节模块和pc机，17.所述分时激励电路包括微控制器和功率放大器，18.所述微控制器，用于延时产生4路脉冲激励信号；19.所述功率放大器，用于放大4路脉冲激励信号产生4路分时的脉冲激励信号；20.所述多路信号调节模块包括低通滤波器和仪表放大器芯片ad623，21.所述低通滤波器，用于接收并滤波探头单元探索产生的模拟差分信号；22.所述仪表放大器芯片ad623，用于将滤波后的毫伏级的信号放大到伏特级的差分信号；23.所述pc机包括串口模块、模数转换模块、绘图模块，24.所述串口模块，用于将放大后的差分信号传输到pc端；25.所述模数转换模块，用于将模拟电压信号转换成数字信号；26.所述绘图模块，用于将数字信号转换为半径的大小，并绘制出三维曲面，如有缺陷，三维曲面会发生改变，直观反映管道内部信息。27.本发明还提供了一种阵列式可伸缩脉冲涡流无损探伤方法，包括如下步骤：28.s1、将阵列式可伸缩探头放入待探伤检测的管道内，并通过伸缩架使探头单元贴合管道内壁；29.s2、通过微控制器延时产生4路脉冲激励信号，通过功率放大器进行放大之后，产生4路分时的脉冲激励信号，按照顺序分时对阵列式探头中的16个探头进行分时激励，采用分时激励的方式按顺序进行激励，减少了相邻探头单元间的电磁耦合，降低了探头单元间的干扰，进而提高了探测的精度；30.另外，根据需要，可以适当的延长或者缩短每个探头的激励时间和脉冲宽度；根据需要，可以适当的增加或者减少探头阵列中的探头数量以及对应的微控制器产生的脉冲路数；31.s3、探头单元内的磁传感器在脉冲激励信号的分时激励下，进行分时作业，并分时输出模拟差分信号，其中激励信号对线圈进行激励，产生初级激励磁场，在管道内部感应出涡流，若存在缺陷，会改变涡流的大小，进而改变磁场的大小，通过磁场传感器采集磁场信号的变化，输出差分模拟信号；32.s4、低通滤波器和16个仪表放大器芯片ad623，接收上述模拟差分信号，通过放大滤波，将毫伏级的信号放大到伏特级的差分信号；33.s5、上述放大后的差分信号通过串口模块传输到pc端，通过模数转换模块将模拟电压信号转换成数字信号，绘图模块把数字信号转换为半径的大小，并绘制出三维曲面，如有缺陷，三维曲面会发生改变，直观反映管道内部信息，可实时三维显示检测图像，能够直观的看到探伤检测的结果。34.作为优选，所述步骤s2中，一次激励过程中每个探头激励时间为1～2个脉冲宽度；35.所述步骤s5中，使用labview软件编写；通过labview上位机程序将获取的每一路采样信号反演为圆周的半径值，随着探头的不断移动，最终形成了三维立体图像；移动的过程中有缺陷存在，图像的圆周半径大小就会变化，就与无缺陷处的管道半径区别开来，从而可以对缺陷进行实时成像。36.本发明具有以下的特点和有益效果：37.1、探头阵列半径可以变化，能针对不同半径大小的管道进行检测，装置可复用性较高。38.2、16个探头阵列360°周向排列，不仅检测效率高，而且检测精度更加精准。39.3、探头阵列中的探头单元采用分时激励的方式按顺序进行激励，减少了相邻探头单元间的电磁耦合，降低了探头单元间的干扰。40.4、pc端上位机可实时显示检测的结果，在上位机中对缺陷进行三维实时成像，更加直观，易于辨识。附图说明41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。42.图1为本发明的阵列探头的结构示意图。43.图2为本发明的阵列探头的正视图。44.图3为本发明的阵列探头的支撑骨架侧视图。45.图4为本发明的阵列探头的中心套管侧视图。46.图5为图1中斜杆的结构示意图。47.图6为图1中支撑杆的结构示意图。48.图7为图1中探头单元的结构示意图。49.图8为图1中探头单元的托盘俯视图。50.图9为涡流探头的正面剖视图。51.图10为图9中探头骨架的侧视图。52.图11为本发明的脉冲涡流无损探伤检测系统示意图。53.图12为本发明采用的分时激励电路图。54.图13为本发明采用的信号调理模块电路图。55.图14为本发明的上位机实时成像显示检测信号界面图。56.图15为本发明的阵列探头在未分时激励下的差分信号电压与缺陷深度拟合曲线。57.图16为本发明的阵列探头在分时激励下的差分信号电压与缺陷深度拟合曲线。58.图中，1、支撑骨架；2、中心套管；3、斜杆；4、支撑杆；5、探头单元；6、涡流探头；59.1-1、柱体；1-2、侧挡板；1-3、第一连接柱；1-4、插接槽；2-1、套管凹槽；2-2、第二连接柱；3-1、斜杆圆孔；3-2、中柱体；4-1、支撑圆孔；5-1、保护罩；5-2、托盘；5-3、探头支撑体；5-4、探头单元柱体；5-5、左侧板；5-6、右侧板；5-7、通线孔；6-1、探头骨架；6-2、线圈；6-3、pcb板；6-4、磁传感器；7、分时激励电路；8、多路信号调理模块。具体实施方式60.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。62.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。63.本发明提供了一种阵列式可伸缩探头，如图1-3所示，包括支撑骨架1、中心套管2和若干探头单元5，所述支撑骨架1包括柱体1-1和若干呈等分固定在柱体1-1径向外壁的连接架，具体的，柱体1-1的截面为长度8mm的正16边形，长度100mm；所述中心套管2可滑动套接在柱体上，若干所述探5头单元通过伸缩架安装在连接架和中心套管上，上述技术方案，通过伸缩架的设置，增加该装置的可复用性，实现对不同半径大小的管道进行检测。64.位于侧挡板1-2的上部两侧分别有插接槽1-4，长度为1.5mm，宽度1.4mm，深度13mm。65.具体的，如图4-6所示，所述中心套管2的底端的管体上开设有若干套管凹槽2-1，在同一竖直方向上的套管凹槽2-1和连接架相配合通过伸缩架安装一个探头单元5。其中，所述中心套管2内外正16边形长分别为8.1mm和11.3mm，套管凹槽2-1长8mm、宽6.4mm、深度10mm；套管凹槽2-1的一侧有斜杆第二连接柱2-2半径2mm、长度2.4mm。66.其中，所述连接架包括矩形的底板和呈对称结构固定在底板两侧的侧挡板1-2，具体的，位于末端的侧挡板1-2底部厚度1mm，两侧厚度1.4mm，内部中空矩形长为7mm、宽5.2mm；其中一块所述侧挡板1-2的内部设有第一连接柱1-3，距离侧挡板1-2下部5mm的一侧有第一连接柱1-3，该柱体半径为2mm，长度为2.4mm；所述套管凹槽内壁设有第二连接柱2-2，所述伸缩架包括斜杆3和支撑杆4，所述斜杆3长度50mm，厚度2.6mm；两个斜杆圆孔3-1的半径均为2mm，中柱体3-2半径2mm，高度2.4mm。所述斜杆3的两端设有斜杆圆孔3-1，所述支撑杆4长度为25mm，厚度2.6mm；两个支撑圆孔4-1半径均为2mm。所述斜杆3的中间位置设有中柱体3-2，所述支撑杆4两端设有支撑圆孔4-1，所述斜杆一端的斜杆圆孔可转动连接至第二连接柱2-2，所述斜杆3另一端的斜杆圆孔连接至探头单元，所述支撑杆一端的支撑圆孔可转动连接至中柱体，所述支撑杆另一端的支撑圆孔可转动连接至第一连接柱，所述探头单元可活动安装在连接架上。所述探头单元包括涡流探头6、保护罩5-1、托盘5-2和探头支撑体5-3，所述保护罩5-1呈圆筒状结构，所述保护罩5-1固定在托盘5-2底侧，所述涡流探头6安装在保护罩内，所述探头支撑体的顶端与托盘底侧的中心处固定连接，所述探头支撑体上设有探头单元柱体，所述斜杆另一端的斜杆圆孔可转动连接至探头单元柱体5-4，所述托盘上设有供涡流探头的线束穿过的通线孔5-7。通线孔5-7半径2mm。其中，保护罩5-1内径9.5mm、外径11mm，高度18mm；托盘5-2半径12.5mm，探头支撑体5-3长7mm、宽5.2mm、高12mm；探头单元柱体5-4半径2mm，高度2.4mm；左侧挡板5-5长4mm、宽1.4mm、高13mm，左侧挡板5-6长1.4mm、宽1.4mm、高13mm。67.进一步的，所述连接架的外端设有两个插接槽1-4，具体的，两块侧挡板与底板的连接处设有一个l型缺口，l型缺口与底板相配合形成一个水平的u型槽。位于侧挡板1-2的上部两侧分别有插接槽1-4，长度为1.5mm，宽度1.4mm，深度13mm。68.上述技术方案中，随着中心套管2的移动，带动斜杆3转动，从而推动连接在斜杆3上的探头单元5的垂直运动。使得该装置适用不同内径管道的探伤检测。所述探头支撑体底部的径向外壁呈对称结构设有左侧板5-5和右侧板5-6，所述左侧板和右侧板分别插接至两个插接槽。通过插接槽和左、右侧板的设置，使的探头单元能够在垂直方向实现定向伸缩，避免探伤单元出现偏移，确保探伤检测的精度。69.本发明的进一步设置，如图7-10所示，所述涡流探头6包括探头骨架6-1、线圈6-2和pcb板6-3，所述探头骨架呈圆筒状结构，所述探头骨架的径向外壁设有环形槽，所述线圈绕接在环形槽内，所述pcb板安装在探头骨架内，所述pcb板上安装有磁传感器6-4。所采用的涡流探头的线圈6-2的内径为7mm，外径9mm，高度14mm，磁传感器6-4为tmr传感器。70.本实施例中，所述探头单元、连接架和伸缩架的数量相对应均为16个。71.本发明还提供了一种阵列式可伸缩脉冲涡流无损探伤系统，如图11所示，包括阵列式可伸缩探头、分时激励电路、多路信号调节模块和pc机，72.所述分时激励电路包括微控制器和功率放大器，73.所述微控制器，用于延时产生4路脉冲激励信号；74.所述功率放大器，用于放大4路脉冲激励信号产生4路分时的脉冲激励信号；75.具体的，如图12所示，所述分时激励电路7，采用stm32作为微控制器，采用延时的方法产生4路脉冲分时激励信号；采用tda2030作为功率放大电路的核心芯片，对脉冲信号进行放大。76.需要说明的是，本实施例中提及的分时激励电路7可通过常规分时激励电路实现分时激励效果，因此本实施例中不对分时激励电路7进行具体的撰述。77.如图3所示，所述多路信号调节模块包括低通滤波器和仪表放大器芯片ad623，78.所述低通滤波器，用于接收并滤波探头单元探索产生的模拟差分信号；79.所述仪表放大器芯片ad623，用于将滤波后的毫伏级的信号放大到伏特级的差分信号；80.需要说明的是，本实施例中提及的多路信号调节模块8可通过常规多路信号调节模块实现分时激励效果，因此本实施例中不对多路信号调节模块8进行具体的撰述。81.可以理解的，放大倍数通过外接的电阻rg进行调节。82.作为本发明的进一步的方案，对于上述所测得电压值与缺陷深度进行拟合，拟合深度与实际深度的差值记为δh，相对误差公式如下：[0083][0084]作为本发明的进一步的方案，如图14，所述pc机实时成像显示界面，图中采用三维曲面的方式展示管道内表面，根据阵列式探头中的涡流探头单元输出的电压信号，反演为z坐标的高度信息；输入采集数据的文件路径后点击实时读取开始成像显示，其中的每一路采样数据都转换为z坐标的值，随着探头的不断移动，最终形成了三维曲面；移动的过程中有缺陷存在的地方对应的高度值会发生变化，就与无缺陷处区别开来，使缺陷实时成像。[0085]本发明的具体的工作方式是：根据被测管道的内径大小，调整中心套管2进行水平移动，带动探头单元5垂直半径变化，使得探头单元5的外面贴近管道内表面；多路分时激励模块产生的脉冲信号通入激励线圈2，使其周围产生交变磁场，在该磁场范围内的被测试件产生涡流进而产生次级磁场使磁传感器3周围的磁场发生变化；传感器在被测导体没有缺陷时输出几乎不变，当被测导体有缺陷时，电涡流发生畸变，传感器中产生差分输出；传感器产生的差分输出信号非常微弱，经过ad623仪表放大器放大后通过模数转换将模拟信号转换为数字信号，最后通过串口发送到pc端的上位机进行实时三维成像。[0086]本发明还提供了一种阵列式可伸缩脉冲涡流无损探伤方法，包括如下步骤：[0087]s1、将阵列式可伸缩探头放入待探伤检测的管道内，并通过伸缩架使探头单元贴合管道内壁；[0088]s2、通过微控制器延时产生4路脉冲激励信号，通过功率放大器进行放大之后，产生4路分时的脉冲激励信号，按照顺序分时对阵列式探头中的16个探头进行分时激励，采用分时激励的方式按顺序进行激励，减少了相邻探头单元间的电磁耦合，降低了探头单元间的干扰，进而提高了探测的精度,一次激励过程中每个探头激励时间为1～2个脉冲宽度；[0089]另外，根据需要，可以适当的延长或者缩短每个探头的激励时间和脉冲宽度；根据需要，可以适当的增加或者减少探头阵列中的探头数量以及对应的微控制器产生的脉冲路数；[0090]s3、探头单元内的磁传感器在脉冲激励信号的分时激励下，进行分时作业，并分时输出模拟差分信号，其中激励信号对线圈进行激励，产生初级激励磁场，在管道内部感应出涡流，若存在缺陷，会改变涡流的大小，进而改变磁场的大小，通过磁场传感器采集磁场信号的变化，输出差分模拟信号；[0091]s4、低通滤波器和16个仪表放大器芯片ad623，接收上述模拟差分信号，通过放大滤波，将毫伏级的信号放大到伏特级的差分信号；[0092]s5、上述放大后的差分信号通过串口模块传输到pc端，通过模数转换模块将模拟电压信号转换成数字信号，绘图模块把数字信号转换为半径的大小，并绘制出三维曲面，如有缺陷，三维曲面会发生改变，直观反映管道内部信息，可实时三维显示检测图像，能够直观的看到探伤检测的结果，使用labview软件编写；通过labview上位机程序将获取的每一路采样信号反演为圆周的半径值，随着探头的不断移动，最终形成了三维立体图像；移动的过程中有缺陷存在，图像的圆周半径大小就会变化，就与无缺陷处的管道半径区别开来，从而可以对缺陷进行实时成像。[0093]结合上述技术方案给出实施例1：[0094]如图15所示，被测铝管道内半径75mm，厚度10mm；管道内部加工四个缺陷，宽度均为3mm，深度分别为3mm、5mm、6mm、7mm；设置激励线圈内半径为7mm，外半径为9mm，高度14mm，线圈匝数为300匝，材料为铜，给线圈同时施加完全相同的峰值大小10v、频率500hz的脉冲方波激励信号。[0095]如图15所示，所测得差分峰值信号与缺陷深度采用最小二乘拟合作出曲线，在缺陷深度6mm时相对误差最大，为2.68％。[0096]实施例2：[0097]如图16所示，对上述阵列探头中的线圈分时施加相同的峰值大小10v、频率500hz的脉冲方波激励信号，所测得差分峰值信号与缺陷深度采用最小二乘拟合作出曲线，相对误差最大为1.08％。[0098]以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。









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