本發(fā)明一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置、其檢測(cè)方法及渦流陣列探頭，屬于無損檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：目前常規(guī)渦流檢測(cè)裝置使用陣列探頭掃描時(shí)，為了獲得不失真的信號(hào)，信號(hào)采樣必須遵循香農(nóng)-奈奎斯特(shannon-nyquist)采樣定理，采樣速率應(yīng)不低于原信號(hào)最高頻率的2倍，甚至更高。這樣的高頻數(shù)據(jù)采集方式，增加了硬件電路負(fù)荷、數(shù)據(jù)傳輸量和存儲(chǔ)量，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)高、設(shè)備使用壽命縮短。因此非常有必要設(shè)計(jì)一種新型檢測(cè)裝置，能在較低的采樣頻率下依然能保證信號(hào)還原精度，以減小渦流陣列檢測(cè)裝置的工作負(fù)荷。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置，同時(shí)提供基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置中的渦流陣列探頭及基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，以用于克服常規(guī)渦流檢測(cè)裝置使用陣列探頭掃描時(shí)，為了獲得不失真的信號(hào)，必須以高采樣頻率采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸量大、硬件電路負(fù)荷高的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、渦流陣列探頭、信號(hào)采集模塊、fpga控制器和pc上位機(jī)；所述fpga控制器通過gpib總線、io口、rs232總線分別與激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)采集模塊和pc上位機(jī)相連；pc上位機(jī)通過rs232總線將指令發(fā)送至fpga控制器，fpga控制器根據(jù)接收到的指令，通過gpib總線控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖激勵(lì)信號(hào)；fpga控制器通過io口發(fā)送隨機(jī)m偽序列至信號(hào)采集模塊；所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)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(lì)線圈5相連，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器在fpga控制器控制下產(chǎn)生周期性的脈沖激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)；渦流陣列探頭每個(gè)渦流探頭單元10的tmr磁場(chǎng)傳感器8輸出端分別與信號(hào)采集模塊輸入端相連；信號(hào)采集模塊輸出端與pc上位機(jī)相連。所述fpga控制器通過io口發(fā)送隨機(jī)m偽序列至數(shù)據(jù)采集卡；所述信號(hào)采樣模塊包括低通濾波器、電壓放大器、數(shù)據(jù)采集卡；其中渦流陣列探頭中的tmr磁場(chǎng)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(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與pc上位機(jī)連接。一種實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置中的渦流陣列探頭，所述渦流陣列探頭由1個(gè)或者多個(gè)完全相同的渦流探頭單元10組成，每個(gè)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(lì)線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場(chǎng)傳感器8和印刷電路板9構(gòu)成；其中圓柱形的激勵(lì)線圈5繞于線圈骨架6外側(cè)，鐵芯7位于線圈骨架6內(nèi)，tmr磁場(chǎng)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(chǎng)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(lì)線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場(chǎng)傳感器8軸向壓緊封裝在探頭外殼1內(nèi)，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(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)的方法，所述方法的步驟如下：s1、信號(hào)預(yù)采樣：在pc上位機(jī)上設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)，通過rs232總線將參數(shù)和指令發(fā)送至fpga控制器；fpga控制器接收到參數(shù)和指令后，通過gpib總線控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期性的脈沖激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)渦流陣列探頭中的激勵(lì)線圈5產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，激勵(lì)磁場(chǎng)作用于檢測(cè)試件，渦流陣列探頭中所有tmr磁場(chǎng)傳感器8相應(yīng)地檢測(cè)到試件感生磁場(chǎng)的變化，并輸出電壓信號(hào)作為原始脈沖渦流陣列信號(hào)x(t)，經(jīng)過低通濾波器濾波和電壓放大器放大后，通過數(shù)據(jù)采集卡采集的信號(hào)為離散信號(hào)x；同時(shí)fpga控制器產(chǎn)生隨機(jī)m偽序列，并通過數(shù)據(jù)采集卡采集；通過數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)送至上pc上位機(jī)；其中，低通濾波器選用二階巴特沃斯低通濾波器，傳遞函數(shù)為h1(s)，電壓放大器采用固定增益放大，放大倍數(shù)為g；s2、求離散信號(hào)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(hào)x稀疏表示為：x＝ψc；其中，c為稀疏系數(shù)，ψ＝[ψ1|ψ2|…ψn]，x為采集的原始脈沖渦流陣列信號(hào)x(t)的離散信號(hào)，n為原始脈沖渦流陣列信號(hào)x(t)的長(zhǎng)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(hào)x(t)最高頻率的2m/n倍；其中，m＝kln(n/m)，k為離散信號(hào)x的稀疏度；s4、求傳感矩陣：根據(jù)h1(s)、g得到觀測(cè)過程傳遞函數(shù)為：h(s)＝h1(s)g；對(duì)h(s)的單位脈沖響應(yīng)進(jìn)行離散化處理，離散頻率與m偽序列的時(shí)鐘頻率相等，并從離散化處理結(jié)果中取前(m×n)/2個(gè)值構(gòu)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(gè)值，構(gòu)成序列p(n2)，根據(jù)h(n1)和p(n2)求卷積得到觀測(cè)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(shù)據(jù)采集卡對(duì)經(jīng)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(hào)x(t)進(jìn)行稀疏采樣，得到觀測(cè)值y并送至pc上位機(jī)；y＝φx＝φψc＝θc；s6、在pc上位機(jī)中根據(jù)觀測(cè)值y和傳感矩陣θ，采用補(bǔ)空間匹配追蹤算法對(duì)觀測(cè)值y進(jìn)行原始信號(hào)的重構(gòu)，從而獲得最終的渦流陣列檢測(cè)信號(hào)，并顯示和存儲(chǔ)；s7、檢測(cè)完成，則停止激勵(lì)和采樣，否則返回步驟s5進(jìn)行下一次的采樣。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用渦流陣列信號(hào)自身的稀疏性，在保證信號(hào)重構(gòu)精度的同時(shí)，大幅降低了信號(hào)采樣頻率，由此顯著降低了對(duì)采樣電路等硬件模塊的要求，減少了采樣數(shù)據(jù)量，有利于減輕數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)的硬件負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。對(duì)于由有限能源供電且使用陣列式探頭的便攜式設(shè)備來說，可節(jié)省大量采樣能耗和計(jì)算能耗，大幅延長(zhǎng)工作時(shí)間。附圖說明圖1為本發(fā)明渦流陣列檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明渦流探頭單元結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖3為本發(fā)明渦流探頭單元結(jié)構(gòu)剖視示意圖；圖4為本發(fā)明渦流探頭單元結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；圖7為渦流陣列檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法流程圖。圖8為渦流陣列檢測(cè)裝置的信號(hào)流圖；圖中各標(biāo)號(hào)：1-探頭外殼、2-端頭、3-底蓋、4-安裝螺母、5-激勵(lì)線圈、6-線圈骨架、7-鐵芯、8-tmr磁場(chǎng)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(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于所述范圍。實(shí)施例1：如圖1-8所示，一種基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、渦流陣列探頭、信號(hào)采集模塊、fpga控制器和pc上位機(jī)；所述fpga控制器通過gpib總線、io口、rs232總線分別與激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)采集模塊和pc上位機(jī)相連；pc上位機(jī)通過rs232總線將指令發(fā)送至fpga控制器，fpga控制器根據(jù)接收到的指令，通過gpib總線控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖激勵(lì)信號(hào)；fpga控制器通過io口發(fā)送隨機(jī)m偽序列至信號(hào)采集模塊；所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)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(lì)線圈5相連，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器在fpga控制器控制下產(chǎn)生周期性的脈沖激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)；渦流陣列探頭每個(gè)渦流探頭單元10的tmr磁場(chǎng)傳感器8輸出端分別與信號(hào)采集模塊輸入端相連；信號(hào)采集模塊輸出端與pc上位機(jī)相連。所述fpga控制器可以通過io口發(fā)送隨機(jī)m偽序列至數(shù)據(jù)采集卡；所述信號(hào)采樣模塊可以為：包括低通濾波器、電壓放大器、數(shù)據(jù)采集卡；其中渦流陣列探頭中的tmr磁場(chǎng)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(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與pc上位機(jī)連接。一種實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的渦流陣列檢測(cè)裝置中的渦流陣列探頭，所述渦流陣列探頭可以為：由8個(gè)完全相同的渦流探頭單元10組成(根據(jù)實(shí)際需要，可增加或減少探頭單元數(shù)量；渦流陣列探頭按照?qǐng)D6所示方向進(jìn)行掃描，檢測(cè)效率明顯較單個(gè)探頭提高很多)，每個(gè)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(lì)線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場(chǎng)傳感器8和印刷電路板9構(gòu)成；其中圓柱形的激勵(lì)線圈5繞于線圈骨架6外側(cè)，鐵芯7位于線圈骨架6內(nèi)，tmr磁場(chǎng)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(chǎng)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(lì)線圈5、線圈骨架6、鐵芯7、tmr磁場(chǎng)傳感器8軸向壓緊封裝在探頭外殼1內(nèi)，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(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)的方法，所述方法的步驟如下：s1、信號(hào)預(yù)采樣：在pc上位機(jī)上設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)，通過rs232總線將參數(shù)和指令發(fā)送至fpga控制器；fpga控制器接收到參數(shù)和指令后，通過gpib總線控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期性的脈沖激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)渦流陣列探頭中的激勵(lì)線圈5產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，激勵(lì)磁場(chǎng)作用于檢測(cè)試件，渦流陣列探頭中所有tmr磁場(chǎng)傳感器8相應(yīng)地檢測(cè)到試件感生磁場(chǎng)的變化，并輸出電壓信號(hào)作為原始脈沖渦流陣列信號(hào)x(t)，經(jīng)過低通濾波器濾波和電壓放大器放大后，通過數(shù)據(jù)采集卡采集的信號(hào)為離散信號(hào)x；同時(shí)fpga控制器產(chǎn)生隨機(jī)m偽序列，并通過數(shù)據(jù)采集卡采集；通過數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)送至上pc上位機(jī)；其中，低通濾波器選用二階巴特沃斯低通濾波器，傳遞函數(shù)為h1(s)，電壓放大器采用固定增益放大，放大倍數(shù)為g；s2、求離散信號(hào)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(hào)x稀疏表示為：x＝ψc；其中，c為稀疏系數(shù)，ψ＝[ψ1|ψ2|…ψn]，x為采集的原始脈沖渦流陣列信號(hào)x(t)的離散信號(hào)，n為原始脈沖渦流陣列信號(hào)x(t)的長(zhǎng)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(hào)x(t)最高頻率的2m/n倍；其中，m＝kln(n/m)，k為離散信號(hào)x的稀疏度；s4、求傳感矩陣：根據(jù)h1(s)、g得到觀測(cè)過程傳遞函數(shù)為：h(s)＝h1(s)g；對(duì)h(s)的單位脈沖響應(yīng)進(jìn)行離散化處理，離散頻率與m偽序列的時(shí)鐘頻率相等，并從離散化處理結(jié)果中取前(m×n)/2個(gè)值構(gòu)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(gè)值，構(gòu)成序列p(n2)，根據(jù)h(n1)和p(n2)求卷積得到觀測(cè)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(shù)據(jù)采集卡對(duì)經(jīng)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(hào)x(t)進(jìn)行稀疏采樣，得到觀測(cè)值y并送至pc上位機(jī)；y＝φx＝φψc＝θc；s6、在pc上位機(jī)中根據(jù)觀測(cè)值y和傳感矩陣θ，采用補(bǔ)空間匹配追蹤算法對(duì)觀測(cè)值y進(jìn)行原始信號(hào)的重構(gòu)，從而獲得最終的渦流陣列檢測(cè)信號(hào)，并顯示和存儲(chǔ)；s7、檢測(cè)完成，則停止激勵(lì)和采樣，否則返回步驟s5進(jìn)行下一次的采樣。其中，信號(hào)采集卡可以采用ni的pcie-6343數(shù)據(jù)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(jī)交換數(shù)據(jù)。激勵(lì)線圈5的內(nèi)、外圈半徑等參數(shù)及tmr磁場(chǎng)傳感器8參數(shù)可以如表1所示：表1匝數(shù)(激勵(lì)線圈繞線圈數(shù))330激勵(lì)線圈的內(nèi)圈半徑9.0mm激勵(lì)線圈的外圈半徑12.5mm激勵(lì)線圈繞線高度20.7mm繞制激勵(lì)線圈銅線直徑0.15mmtmr磁場(chǎng)傳感器尺寸長(zhǎng)5mm×寬5mm×高2.5mm上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。當(dāng)前第1頁(yè)12