[发明专利]基于压缩感知的涡流阵列检测装置、其检测方法及涡流阵列探头

权利要求书

1.一种基于压缩感知的涡流阵列检测装置，其特征在于：包括激励信号发生器、功率放大器、涡流阵列探头、信号采集模块、FPGA控制器和PC上位机；

所述FPGA控制器通过GPIB总线、IO口、RS232总线分别与激励信号发生器、信号采集模块和PC上位机相连；PC上位机通过RS232总线将指令发送至FPGA控制器，FPGA控制器根据接收到的指令，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生脉冲激励信号；FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至信号采集模块；所述激励信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与涡流阵列探头中各涡流探头单元(10)的激励线圈(5)相连，激励信号发生器在FPGA控制器控制下产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动激励线圈产生激励磁场；涡流阵列探头每个涡流探头单元(10)的TMR磁场传感器(8)输出端分别与信号采集模块输入端相连；信号采集模块输出端与PC上位机相连；

所述FPGA控制器通过IO口发送随机m伪序列至数据采集卡；

所述信号采样模块包括低通滤波器、电压放大器、数据采集卡；其中涡流阵列探头中的TMR磁场传感器(8)输出端与低通滤波器输入端相连，低通滤波器的输出端与电压放大器的输入端相连，电压放大器的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与PC上位机连接；

实现基于压缩感知的涡流阵列检测装置中的涡流阵列探头由涡流探头单元(10)组成，每个涡流探单元头(10)由探头外壳(1)、端头(2)、底盖(3)、安装螺母(4)、激励线圈(5)、线圈骨架(6)、铁芯(7)、TMR磁场传感器(8)和印刷电路板(9)构成；其中圆柱形的激励线圈(5)绕于线圈骨架(6)外侧，铁芯(7)位于线圈骨架(6)内，TMR磁场传感器(8)焊接在印刷电路板(9)上，印刷电路板(9)位于线圈骨架(6)上方，TMR磁场传感器(8)的接线由印刷电路板引出，并从探头外壳(1)顶端的端头(2)开孔穿出，底盖(3)将圆柱形激励线圈(5)、线圈骨架(6)、铁芯(7)、TMR磁场传感器(8)轴向压紧封装在探头外壳(1)内，固定在探头外壳(1)外的安装螺母(4)用于紧固板型安装支架(11)。

2.一种采用权利要求根据权利要求1所述的基于压缩感知的涡流阵列检测装置进行检测的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

S1、信号预采样：在PC上位机上设置激励信号参数，通过RS232总线将参数和指令发送至FPGA控制器；FPGA控制器接收到参数和指令后，通过GPIB总线控制激励信号发生器产生周期性的脉冲激励信号，信号经功率放大器放大后驱动涡流阵列探头中的激励线圈(5)产生激励磁场，激励磁场作用于检测试件，涡流阵列探头中所有TMR磁场传感器(8)相应地检测到试件感生磁场的变化，并输出电压信号作为原始脉冲涡流阵列信号X(t)，经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后，通过数据采集卡采集的信号为离散信号x；同时FPGA控制器产生随机m伪序列，并通过数据采集卡采集；通过数据采集卡采集的数据送至上PC上位机；其中，低通滤波器选用二阶巴特沃斯低通滤波器，传递函数为H₁(s)，电压放大器采用固定增益放大，放大倍数为G；

S2、求离散信号x的稀疏表示：选取傅里叶变换矩阵作为稀疏基矩阵Ψ，从而将离散信号x稀疏表示为：x＝Ψc；其中，c为稀疏系数，Ψ＝[ψ₁|ψ₂|...ψ_N]，x为采集的原始脉冲涡流阵列信号X(t)的离散信号，N为原始脉冲涡流阵列信号X(t)的长度；

S3、求稀疏采样频率：稀疏采样频率为原始脉冲涡流阵列信号X(t)最高频率的2M/N倍；其中，M＝Kln(N/M)，K为离散信号x的稀疏度；

S4、求传感矩阵：根据H₁(s)、G得到观测过程传递函数为：H(s)＝H₁(s)G；对H(s)的单位脉冲响应进行离散化处理，离散频率与m伪序列的时钟频率相等，并从离散化处理结果中取前(M×N)/2个值构成序列h(n₁)，从FPGA控制器生成的m伪序列值中取出前1+(M×N)/2个值，构成序列P(n₂)，根据h(n₁)和P(n₂)求卷积得到观测矩阵最终得到传感矩阵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、稀疏采样：使用步骤S3中求出的稀疏采样频率，通过数据采集卡对经过低通滤波器滤波和电压放大器放大后的原始脉冲涡流阵列信号X(t)进行稀疏采样，得到观测值y并送至PC上位机；y＝Φx＝ΦΨc＝Θc；

S6、在PC上位机中根据观测值y和传感矩阵Θ，采用补空间匹配追踪算法对观测值y进行原始信号的重构，从而获得最终的涡流阵列检测信号，并显示和存储；

S7、检测完成，则停止激励和采样，否则返回步骤S5进行下一次的采样。