基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统

1、一种基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统，由传感器探头、前 置电路、计算机数据采集和处理单元三部分组成；其特征在于，所说的传感器探头包括 在柔性基底材料上制作的敏感线圈阵列和各线圈信号线及其地线相连形成一条公共地线 组成的密排长电缆，所说的前置电路包括由译码电路和模拟开关组成的多路模拟选通电 路及与其相连的传感器信号变换及调理电路，以及为各个电路提供工作电压的电源模块； 所说的计算机数据采集和处理单元包括一台普通微机及设置在该微机中的一块数据采集 卡和相应的数据处理软件程序；各部分的连接关系为：所说的传感器探头的各敏感线圈 通过其引出的密排长电缆与前置电路连接，其中，公共地线接在前置电路上模拟开关的 公共端上，而各个敏感线圈的信号线对应接入模拟开关的输入端；所说的前置电路与计 算机数据采集和处理单元之间通过一根用于传输信号、地址及电源的多芯屏蔽电缆相连。

技术领域
本发明属于精密测试技术领域，特别涉及两内外球面间的层间间隙的精密测量方法 和数据处理方法。
背景技术
随着科技及生产的发展，某些重大设备关键零部件的形状越来越复杂，其加工和装 配定位精度要求越来越高，对测量提出的要求也就越高。薄壁回转曲面一类形面的零件 被广泛应用于国防及各种日常生活产品中，而这些零件的加工、测量、监控往往因受到 空间结构尺寸及被测材料介质等一些特殊条件的限制而增大了难度。
球面层间间隙的检测和监控是科研课题研究中亟待解决的难题，其目的是测量两内 外球面间的层间间隙，其中两球面一个为金属球面，一个为非金属球面。球是机械制造、 精密仪器、航空航天设备等各种高新技术装备中的关键精密件，研究高精度球面形状误 差的评定理论和测试技术早已成为精密测试领域中的重要课题，在球度误差的评定理论 及算法上也已取得了许多成果。然而对于两内外球面间隙的测量和数据处理方法还未见 报道。
球面的测量方法一般有单测头多测点法、光学干涉测径法和三坐标法三种。近年来 也有人研究采用多测头多测点的气动测量方法进行高精度球面的测量。球面测量的目的 一般是对被测球面的球度误差进行评定。球度误差的评定就是要找到符合评定要求的球 心，评定的目的是要把测量数据由于测量时评定的球心与测量原点不重合而引进的位置 误差通过评定予以消除。球度误差评定一般都是在“小偏差假设”和“小误差假设”的 条件下进行的，而在球面间隙测量中，两球可能有较大的偏心，而传感器是在两球面的 连心线上进行标定的，当传感器不在两球连心线上时，传感器的测量值就会有误差，这 个误差就是传感器测量值的偏心误差，故球面间隙测量不满足“小偏差假设”和“小误 差假设”的条件，因此有必要提出新的适合于球面间隙测量的测量方法及相应的数据处 理方法。
针对球面层间间隙测量的实际情况，由于被测对象的空间结构和使用要求的限制， 必须采用非接触测量方法，同时球面间的间隙很小(2mm)，普通的测球方法不再适用。 只能考虑将多个传感器固定在一个球面上置于两球面间，测量各点位置的球面间隙，因 此传感器的选择是确定方案的一个很关键的因素。已经有人研究采用电容式和光纤式传 感器阵列方案，但均没能获得成功。基于以前的经验及实际的测量情况，采用电涡流传 感器阵列的测量方案。
电涡流检测是一种无损、非接触的检测技术，在机械，电力，化工，石油，纺织， 航空，原子能等工业部门得到了广泛的应用，可用来测量位移，尺寸，厚度，振动，转 速，压力，电导率，温度等参数和探测金属材料表面的裂纹和缺陷等。涡流式位移传感 器广泛应用于轴位移测量，在一些非接触式的间隙测量中更是发挥了它简单可靠的优点， 与其它类型的位移传感器相比，电涡流传感器具有测量范围宽、抗干扰能力强、不受油 污等介质影响，结构简单等优点。
目前国外应用电涡流传感器阵列测试技术进行测量的研究较多，但是其应用领域多 是裂纹检测，已经有很成熟的一套测量方法和数据处理方法。如图1、2所示，是采用柔 性电涡流传感器阵列对材料为INCONEL600的管道2上的周向缺陷4和轴向缺陷5的检测 以实现对管道表面的重构，检测系统主要包括传感器探头3和将探头3螺旋送进的柔性 轴1，电涡流传感器阵列6贴附在探头3上，传感器阵列6共有16个微传感器线圈7及 一个馅饼型的激励线圈8，以实现对周向缺陷4和轴向缺陷5的的同时检测。(基于柔性 微线圈磁传感器阵列的电涡流检测，Eddy-current Testing by Flexible Microloop Magnetic Sensor Array，IEEE磁学学报TRANSACTIONS ON MAGNETICS，34卷，第4期， 1998年，7月)该电涡流传感器阵列采用了正方形分布的排列方式对同一点进行检测， 在这套涡流检测系统中，采用一个激励线圈与接收传感器阵列配合来检测由裂纹引起的 电涡流突变从而实现缺陷的方位检测。
由于电涡流传感器应用于裂纹等缺陷检测的原理与应用于位移测量的原理有很大的 区别，上述电涡流缺陷检测系统中传感器的形式和布置方式给球面层间间隙测量提供了 一个思路，但是该传感器阵列及其检测方法不适合于球面间隙的测量。
发明内容
本发明的目的是用于解决对作缓慢相对运动两内外球面层间间隙进行实时监测的问 题，提出一种基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统，采用超薄柔性阵 列式电涡流位移传感器，将传感器探头的线圈阵列贴附在非金属球面上，测量各个测点 位置到金属球面的间隙，然后通过对这些确定点的测量值数据进行处理而能够得到球面 上任意点的球面间隙，从而实现对作缓慢相对运动的两球相对位置的实时监测。
本发明提出的一种基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统，由传感 器探头、前置电路、计算机数据采集和处理单元三部分组成；其特征在于，所说的传感 器探头包括在柔性基底材料上制作的敏感线圈阵列和各线圈信号线及其地线相连形成一 条公共地线组成的密排长电缆，所说的前置电路包括由译码电路和模拟开关组成的多路 模拟选通电路及与其相连的传感器信号变换及调理电路，以及为各个电路提供工作电压 的电源模块；所说的计算机数据采集和处理单元包括一台普通微机及设置在该微机中的 一块数据采集卡和相应的数据处理软件程序；各部分的连接关系为：所说的传感器探头 的各敏感线圈通过其引出的密排长电缆与前置电路连接，其中，公共地线接在前置电路 上模拟开关的公共端上，而各个敏感线圈的信号线对应接入模拟开关的输入端；所说的 前置电路与计算机数据采集和处理单元之间通过一根用于传输信号、地址及电源的多芯 屏蔽电缆相连。
本发明的工作原理：采用柔性印刷电路板工艺(FPCB)加工的超薄柔性电涡流传感 器的敏感线圈阵列紧密贴附在非金属球面上，通过引出的密排长电缆接入前置电路，与 前置电路上的模拟开关串连接入传感器信号变换电路。传感器信号变换电路输出的频率 信号经过信号调理电路后通过50米的10芯屏蔽电缆送入计算机数据采集和处理单元。 计算机数据采集和处理单元直接对频率信号进行采集并由数据处理软件对采集的数据进 行处理而将频率值转换为间隙值。计算机数据采集和处理单元通过发出控制信号(地址) 选通模拟开关，被选通的一路传感器接入传感器变换电路，测量该点处的球面间隙，从 而实现了阵列式传感器的多点测量。
阵列式传感器各测点的测量数据代表了传感器线圈阵列中该线圈测点位置的球面间 隙，对这些数据进行处理，得到球面上任意点的球面间隙。基于球面层间间隙测量的实 际情况，本发明提出了基于对称布点方式的四点组法，对球面层间间隙的传感器测量数 据进行处理。该方法的原理是将两球面任意大小和方向的偏心量转化到三个(或两个) 互相垂直的大圆平面内求解，即分别求出偏心量在三个(或两个)坐标平面内的投影的 坐标，再通过合成而得到偏心距和球心的相对坐标。该方法计算简单，精度也较高，在 一定程度上消除传感器线圈剩磁和线圈相互之间的影响以及传感器测量值的偏心误差， 是一种精确、快速、有效的对球面间隙测量数据进行处理的方法。
本发明的主要技术特点如下：
1、根据被测对象空间结构和使用要求的限制，采用超薄柔性电涡流敏感线圈阵列组 成阵列式位移传感器的测量方案，将阵列式电涡流传感器应用于位移测量，实现球面层 间间隙的测量；
2、采用柔性印刷电路板工艺(FPCB)加工，传感器探头的各个敏感线圈可任意布置， 提高了阵列式传感器各探头的一致性以及传感器的温度稳定性，且柔性传感器探头的线 圈阵列能很好的贴附于球面上；
3、只用一套传感器信号变换电路和调理电路，通过模拟开关，将阵列式传感器的多 个敏感线圈分时接入传感器信号变换电路，即实现了对所有传感器敏感线圈的采样，不 仅简化了设计，提高了系统的抗干扰能力，而且减小了各路传感器由电路引起的不一致 性；
4、采用分时复用的采样方式，避免了由于传感器测量点多、引线密带来的多路信号 同时传输时各传感器信号之间的干扰，提高了传感器的精度；
5、针对球面间隙测量的特殊要求，提出了基于对称布点方式的四点组法，实现了对 球面层间间隙测量数据精确、快速、有效的求解，解决了对球面层间间隙进行实时监测 的数据处理问题。
6、测试系统的不确定度分别为1％(不含传感器)和5％(含传感器)；全部测点的采 样时间不大于1秒；可实时显示测量数据及处理结果。
附图说明
图1为已有的一种管道缺陷检测系统组成示意图。
图2为图1中的管道缺陷检测传感器示意图。
图3为本发明的球面层间间隙监测系统框图。
图4为本发明的传感器探头与线圈阵列实施例示意图。
图5为本发明的传感器信号变换电路实施例电路原理图。
图6为本发明的实施例的总体程序流程图。
图7为本发明的实施例的等精度测频方法时序图。
图8为用于本发明的实施例的四点组法算法流程图。
具体实施方式
本发明设计的一种基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统，结合各 附图及实施例详细说明如下：
本发明基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统的组成如图3所示， 主要由传感器探头、前置电路、计算机数据采集和处理单元三部分组成，其中，传感器 探头包括在柔性基底材料上制作的敏感线圈阵列和各线圈信号线及其地线相连形成一条 公共地线组成的密排长电缆；前置电路包括由译码电路和模拟开关组成的多路模拟选通 电路及与其相连的传感器信号变换及调理电路，以及为各个电路提供工作电压的电源模 块。计算机数据采集和处理单元包括一台普通微机及设置在该微机中的一块数据采集卡 和相应的数据处理软件程序。各部分的连接关系为；传感器探头的各敏感线圈通过其引 出的密排长电缆与前置电路连接，其中，公共地线接在前置电路上模拟开关的公共端上， 而各个敏感线圈的信号线对应接入模拟开关的输入端；前置电路与计算机数掘采集和处 理单元之间是一根用于传输信号、地址及电源的50米长的10芯屏蔽电缆。其工作过程 为：敏感线圈阵列紧密贴附在非金属球面上，当模拟开关选通后，被选通的一路传感器 接入信号变换电路，输出的频率信号经过信号调理电路输出；计算机数据采集和处理单 元接收到前置电路的输出信号后，先对信号进行整形放大，然后送入数据采集卡测量其 频率，再将频率值送入计算机数据处理单元处理。
本监测系统可用于内球面为金属外球面为非金属或内球面为非金属外球面为金属的 两种测试对象，对于不同直径的球面和要求，布点方式和数目不同。
本发明用于内球面为非金属外球面为金属情况下各个组成部分的具体实施例详细说 明如下：
(一)传感器探头与线圈阵列
本实施例的传感器探头与线圈阵列布局如图4所示，传感器线圈阵列共有四路，成 正交布置，每路有6个敏感线圈，一组传感器探头共有24个敏感线圈，传感器探头的各 敏感线圈的引出电缆从敏感线圈阵列的中心引出。传感器探头采用柔性印刷电路板工艺 (FPCB)加工，在聚酰亚胺薄膜基底上制作圆形敏感线圈阵列及引出电缆。传感器的量 程为2mm，精度±1％FS，厚度不超过0.15mm，线圈直径为10mm，引线宽10mm。对于内 外球面间隙的测量，采用两组图中所示的传感器探头，对称贴附在内球面的上下表面。
(二)前置电路
本实施例的前置电路的主要模块分别说明如下：
1.电源模块
电源模块提供前面传感器阵列和前置电路的工作电源，采用MAXIM公司的小功率 DC-DC变换器MAX744，输入电压为12V，输出电压为5V。
2.传感器信号变换及调理电路
传感器信号变换电路采用电容三点式振荡电路的改进型——克拉泼电路，如图5所 示，该电路由三极管、电阻、电容、敏感线圈组成。三极管N1为振荡电路的核心元件， 四个电阻Rb1、Rb2、Rc、Re决定三极管直流工作点，电容Cb、C1、C2和三极管三极相 连，并和电容C3及敏感线圈一起，组成电容三点式振荡电路。在此基础上，在敏感线圈 两端还并联了一个电感Lb，以提高电路的起振能力，输出信号为较高频的频率信号(3MHz 左右)。
传感器信号调理电路选用驱动能力较大的高频比较器MAX903，同时数据采集系统的 信号接收电路加上拉电阻抑制信号衰减。信号经过整形放大后直接输入计算机，不需另 外加驱动电路。
3.多路模拟选通电路
模拟选通电路是实现阵列式传感器多路数据采集的关键，而译码电路则由模拟选通 电路决定。选用八选一多路复用器MAX4617，它的导通电阻很小(10Ω)，相应的译码电 路也很简单，采用一个3-8译码器74LS138即可实现对48路传感器的多路选通功能。
(三)计算机数据采集和处理单元
本实施例的计算机数据采集和处理单元的硬件部分主要包括一块ISA数据采集卡和 一台普通微机，操作系统为Windows98/2000。计算机数据采集和处理单元的软件程序包 括信号的采集和数据的处理两部分。数据采集和处理单元总体程序流程如图6所示，程 序开始运行后，计算机发出控制信号(地址)选通模拟开关，测量传感器输出信号的频 率，然后选通下一路传感器，循环采样，直到采样完全部传感器测点，同时根据传感器 的标定曲线将频率值转换为位移量(间隙值)，并完成数据的显示和存储，按照用户的要 求显示间隙与时间的变化曲线，然后对间隙值进行计算求得两球面的偏心量，实现偏心 量的三维图形显示，然后判断程序是否要求结束，如果是，则退出程序；如果否，则地 址信号回复初始值，重复采样。软件设计主要采用Inprise公司推出的开发工具 C++builder作为编程工具。
1.信号的采集程序
使用一块ISA数据采集卡实现信号的采集。本实施例直接对频率信号进行采集，采 用等精度测频方法，图7是等精度测频方法的时序图，其中f0和N0分别为标准信号的频 率值和计数值，fx和Nx分别为被测信号的频率值和计数值，a为测量开始信号，b为预 制门信号，c为同步门信号，则被测信号频率 $\mathrm{fx}=\frac{N_x}{N_0}{f}_0.$
2.数据的处理程序
数据处理主要包括以下几个方面的内容：
①将采集到的频率值转变为位移(间隙值)；
②各测点间隙的实时显示及存储；
③各测点间隙与时间的变化曲线；
④各测点位置和间隙的三维图形实时显示；
⑤球面间隙测量数据处理方法。
前面四个方面的内容都采用目前比较通用的方法实现，球面间隙测量的数据处理方 法采用基于对称布点方式的四点组法。四点组法每组四个点，各成90°角布置，四点组 法要求测点分布在非金属球面的三个(也可以是两个)两两垂直的大圆上，通过对以相 互垂直的四点为一组的测量数据进行简单的代数运算而求得金属球面的球心。用c语言 编制的算法程序对实际算例进行计算，四点组法程序算法流程见图8。在一个大圆平面 上，设一组四个点的极坐标分别为A1(r，θ) $(0\le \theta <\frac{\pi }{2}),$ A2(r，π+θ)、A3(r，π/2+θ)和 A4(r，3π/2+θ)，各点传感器的测量值分别是m1、m2、m3和m4，则 $c=\frac{\sqrt{{(m_2-m_1)}^2+{(m_3-m_4)}^2}}{2},$ 流程图中cxkj、cykj和czkj(k＝1，2；j＝1，2，…，m)就是按 照上述公式计算出的c在各个坐标轴上的投影。本实施例中传感器阵列线圈只在两个大 圆上布点，故另外一个没有布点的大圆平面上各点的测量值用0代替。