一种基于合成孔径原理的检测传感器装置及其系统方法
阅读说明：本技术 一种基于合成孔径原理的检测传感器装置及其系统方法 (Detection sensor device based on synthetic aperture principle and system method thereof ) 是由 林俊明 张碧星 蔡桂喜 沈建中 吴晓瑜 戴永红 沈淮 于 2020-10-13 设计创作，主要内容包括：本发明一种基于合成孔径原理的检测传感器装置及其系统方法,包括壳体(1)、超声换能元件(2)和涡流传感器元件(3),其特征在于设置于所述壳体(1)内的超声换能元件(2)包括多个环形间隔层超声晶片(21),涡流传感器元件(3)包括多个环形间隔排列涡流传感器线圈(31),其中环形超声晶片(21)与环形涡流传感器线圈(31)设置为围绕同一圆心环形间隔阵列,同圆心环形间隔阵列的环形超声晶片(21)和环形涡流传感器线圈(31)的相邻之间为具有绝缘层(4)间隔的环形检测传感器对L1～Ln,每一对L1～Ln设置为同一信道输出检测信号。实现同时得到超声与涡流在同一检测对象位置的信号,可进行有效的信息融合判断,达到精确位置检测信号融合。(The invention relates to a detection sensor device based on a synthetic aperture principle and a system method thereof, which comprises a shell (1), an ultrasonic transduction element (2) and an eddy current sensor element (3), it is characterized in that the ultrasonic transduction element (2) arranged in the shell (1) comprises a plurality of annular spacing layer ultrasonic wafers (21), the eddy current sensor element (3) comprises a plurality of annular spaced eddy current sensor coils (31), the annular ultrasonic wafer (21) and the annular eddy current sensor coil (31) are arranged to surround the same circle center and are arranged in an annular interval array, annular detection sensor pairs L1-Ln with intervals of insulating layers (4) are arranged between the annular ultrasonic wafer (21) and the annular eddy current sensor coil (31) of the concentric annular interval array, and each pair L1-Ln is arranged to output detection signals through the same channel. Signals of ultrasound and eddy current at the same detection object position are obtained simultaneously, effective information fusion judgment can be carried out, and accurate position detection signal fusion is achieved.)
技术领域
本发明涉及电磁无损检测技术领域和超声无损检测技术领域，具体涉及无损检测的传感器装置，特别是涉及一种基于合成孔径原理的检测传感器装置及其系统方法。
背景技术
现代化工业，离不开先进的复合材料。而复合材料的多样性，也给无损检测技术带来新的挑战。为了更快更好地解决复合材料质量检测的问题，特别是金属与非金属复合材料的在役检测，人们发明了许多新的NDT手段。对诸如弱导电性的碳素纤维材料为基本的复合材料，通常采用电磁涡流和声学检测法，分别实施检测，并将检测数据结果融合分析判断，以提高检测结果的可靠性。由于二者通常是分开成二套系统分时进行检测，信息融合之位置误差在所难免。
随着科学技术的发展，新材料、新工艺的不断涌现，对航空飞机、轮船等各种新产品，需要更加适合于不同产品的无损检测的仪器和方法，以及对复合材料产品的各种结构形状的在役检测，特别是可选择性的多信息精准融合的检测需求都越来越大。
针对以上缺点问题，本发明采用如下技术方案进行改善。
发明内容
本发明的目的提供一种基于合成孔径原理的检测传感器装置及其系统方法，公开的技术方案如下：
一种基于合成孔径原理的检测传感器装置，包括壳体(1)、超声换能元件(2)和涡流传感器元件(3)，其特征在于设置于所述壳体(1)内的超声换能元件(2)包括多个环形间隔层超声晶片(21)，涡流传感器元件(3)包括多个环形间隔排列涡流传感器线圈(31)。
其中环形超声晶片(21)与环形涡流传感器线圈(31)设置为围绕同一圆心环形间隔阵列，同圆心环形间隔阵列的环形超声晶片(21)和环形涡流传感器线圈(31)的相邻之间为具有绝缘层(4)间隔的环形检测传感器对Ｌ1～Ｌn，每一对Ｌ1～Ｌn设置为同一信道输出检测信号。
其中，所述的每一对环形阵列超声晶片(21)和环形涡流传感器线圈(31) 利用单信道仪器，通过分时控制发射不同的涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波，由同一信道获得超声阵列和涡流阵列的检测信号融合处理。分时控制设置为顺序Ｌ1～Ｌn从同圆心环形阵列的圆心处向外延伸、或者设置为倒序Ｌn～Ｌ1从同圆心环形阵列的最外层向圆心处延伸的分时轮流单信道接收超声检测信号和涡流检测信号的一种。
所述环形涡流传感器线圈(31)的环形单个间隔层设置为单一线圈或者设置多个阵列涡流传感阵元，两种结构中的其中一种。环形超声晶片(21)的环形单个间隔层设置为单一层超声环形晶片或者设置为多个阵列超声换能晶片，两种结构中的其中一种。
环形阵列超声晶片(21)和环形涡流传感器线圈(31)可选择性的根据被检测产品(6)的形状结构，选择多个环形间隔层中的一个间隔层或单个间隔层中的若干个阵列超声换能晶片(211)和若干个阵列涡流传感阵元(311)作为检测传感器，还可以根据被检测产品(6)的形状结构通过弹性装置(7)调节检测传感器的纵向位置贴合于被检测产品(6)的检测面。
其中弹性装置(7)的一种实施方式为弹簧，当环形单个间隔层的环形阵列超声晶片(21)和环形涡流传感器线圈(31)均为单一的单个间隔层超声晶片和单个涡流线圈时，每一个环形单个间隔层为一整体的弹簧调节各个环形单个间隔层的纵向位置。当环形阵列超声晶片(21)设置为若干个阵列超声换能晶片(211)、或者环形涡流传感器线圈(31)设置为若干个阵列涡流传感阵元(311)时，每个阵列超声换能晶片(211)或者每个环形涡流传感器线圈(311)都设置弹簧调节各个阵列超声换能晶片(211)或者各个环形涡流传感器线圈(311)的纵向位置。
其中，基于合成孔径原理的检测传感器装置还包括控制电路装置(5)，包括用于选择性的分时控制发射不同的涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波的FPGA(51)，信号发生器(52)，信号放大器(53)，超声换能元件和涡流传感元件的接收和发射的切换组合开关(57)，以及信号输出处理的前置放大器(56)，A/D转换器(55)，用于获得超声阵列和涡流阵列的检测信号后进行数据融合分析处理的CPU分析装置(54)
另外，本发明还公开一种基于合成孔径原理的检测传感器的系统方法，用于超声波检测和涡流检测的信号融合处理，其特征在于超声检测元件和涡流检测元件设置多个环形间隔层超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈围绕同一圆心环形间隔阵列，具体步骤如下：
a．超声涡流元件配对：将相邻的一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈设置为同一信道的传感器元件；
b．选择信道：根据被检测对象的外形和结构，选择若干对同一信道的多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈作为检测传感器；
c.分时发射正弦波和脉冲波：对被选择的若干对同一信道的多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈进行顺序排列，分时轮流发送每一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈的所需要的涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波；
d.分时接收信号：每一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈分时接收超声检测信号和涡流检测信号后，将信号发送至处理单元；
e.信号融合分析：信号处理单元对接收的每一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈的超声检测信号和涡流检测信号进行融合分析处理，分析检测结果。
其中，所述步骤c和步骤d中的分时发送和分时接收超声检测信号和涡流检测信号后的轮流顺序设置为顺序Ｌ1～Ｌn从同圆心环形阵列的圆心处向外延伸、或者设置为倒序Ｌn～Ｌ1从同圆心环形阵列的最外层向圆心处延伸的分时轮流单信道接收超声检测信号和涡流检测信号的其中一种方式顺序轮流。
所述的环形涡流传感器线圈的环形单个间隔层设置为单一线圈或者设置多个阵列涡流传感阵元，两种结构中的其中一种，环形超声晶片的环形单个间隔层设置为单一层超声环形晶片或者设置为的多个阵列超声换能晶片，两种结构中的其中一种。
所述的环形涡流传感器线圈的环形单个间隔层设置为多个环形阵列的涡流传感阵元时，步骤a中可根据被检测产品结构形状，选择多个环形间隔层中的一个间隔层或单个间隔层中的若干个阵列超声换能晶片和若干个阵列涡流传感阵元作为检测传感器，根据被检测产品的形状结构通过弹性装置调节检测传感器的纵向位置贴合于被检测产品的检测面。
据以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
一、本发明根据合成孔径原理，在多个环形间隔层超声（不同直径）晶片的间隙中嵌入环形涡流线圈，通过分时控制各种信号激励波形，同时得到超声与涡流在同一检测对象位置的信号，从而可进行有效的信息融合判断，达到精确位置检测信号融合。本发明也可将环状超声晶片进行分割（如根据直径大小，分成多个阵元），以提高超声检测精度。
二、本发明利用现有的超声合成孔径检测原理，在其传感器中嵌入涡流检测线圈，并通过各自仪器的特点，重新设计、定义了一种声学/涡流检测仪器的设计方法。同样地，也可将环形涡流线圈变成阵列涡流线圈。利用单信道仪器，通过分时控制发射不同的正弦波（用于涡流）和脉冲波（用于超声），获得各超声阵列和涡流阵列的检测信号，并加以融合处理，放出比常规超声和涡流仪更高的检测信息，让无损检测结果更加快捷，可靠，有效率。
三、同一环形层中的涡流检测传感器设置为阵列式涡流检测线圈，检测过程中，可以选择同一环形层中的若干个阵列超声换能晶片或者若干个涡流传感器阵元作为检测传感器，实现更灵活的适应于各种结构形状的被检测对象。进一步的，利用弹性装置调节各个阵列超声换能晶片或者涡流传感器阵元的纵向位置，实现检测装置贴合于被检测对象的检测面。
附图说明
图1为本发明最佳实施例的传感器装置超声检测元件和涡流检测元件组合示意图；
图2为本发明最佳实施例的传感器装置超声检测元件和涡流检测元件组合示意图；
图3为本发明最佳实施例的传感器装置的电路示意图;
图4为本发明最佳实施例的传感器装置的阵列布局示意图;
图5为本发明最佳实施例的弹性调节装置的示意图;
图6为本发明最佳实施例的传感器装置与被检测产品弧形面贴合的示意图;
图7为本发明最佳实施例的传感器装置与被检测产品的不规则面贴合的示意图；
图8为本发明最佳实施例的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1至图4所示，一种基于合成孔径原理的检测传感器装置，包括壳体1、超声换能元件2和涡流传感器元件3，其特征在于设置于所述壳体1内的超声换能元件2包括多个环形间隔层超声晶片21，涡流传感器元件3包括多个环形间隔排列涡流传感器线圈31。
其中环形超声晶片21与环形涡流传感器线圈31设置为围绕同一圆心环形间隔阵列，同圆心环形间隔阵列的环形超声晶片21和环形涡流传感器线圈31的相邻之间为具有绝缘层4间隔的环形检测传感器对Ｌ1～Ｌn，每一对Ｌ1～Ｌn设置为同一信道输出检测信号。
其中，所述的每一对环形阵列超声晶片21和环形涡流传感器线圈31利用单信道仪器，通过分时控制发射不同的涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波，由同一信道获得超声阵列和涡流阵列的检测信号融合处理。分时控制设置为顺序Ｌ1～Ｌn从同圆心环形阵列的圆心处向外延伸、或者设置为倒序Ｌn～Ｌ1从同圆心环形阵列的最外层向圆心处延伸的分时轮流单信道接收超声检测信号和涡流检测信号的一种。
如图2所示，环形涡流传感器线圈31的环形单个间隔层设置为单一线圈或者设置多个阵列涡流传感阵元，两种结构中的其中一种。环形超声晶片21的环形单个间隔层设置为单一层超声环形晶片或者设置为多个阵列超声换能晶片，两种结构中的其中一种。
环形阵列超声晶片21和环形涡流传感器线圈31可选择性的根据被检测产品6的形状结构，选择多个环形间隔层中的一个间隔层或单个间隔层中的若干个阵列超声换能晶片211和若干个阵列涡流传感阵元311作为检测传感器，还可以根据被检测产品6的形状结构通过弹性装置7调节检测传感器的纵向位置贴合于被检测产品6的检测面。
如图5、图6、图7，其中弹性装置7的一种实施方式为弹簧，当环形单个间隔层的环形阵列超声晶片21和环形涡流传感器线圈31匀为单一的单个间隔层超声晶片和单个涡流线圈时，每一个环形单个间隔层为一整体的弹簧调节各个环形单个间隔层的纵向位置。当环形阵列超声晶片21设置为若干个阵列超声换能晶片211、或者环形涡流传感器线圈31设置为若干个阵列涡流传感阵元311时，每个阵列超声换能晶片211或者每个环形涡流传感器线圈31都设置弹簧调节各个阵列超声换能晶片211或者每个环形涡流传感器线圈31的纵向位置。
如图6所示中，当被检测产品6表面为弧面时，各个环形阵列超声晶片21和环形涡流传感器线圈31形成内凹的弧球面位置排列，选择性的顺序发射涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波，可设置为顺序Ｌ1～Ｌn从同圆心环形阵列的圆心处向外延伸、或者设置为倒序Ｌn～Ｌ1从同圆心环形阵列的最外层向圆心处延伸的分时轮流单信道接收超声检测信号和涡流检测信号，两种方式交替扫描检测，或者其它方式进行扫描检测。
如图7所示中，当被检测产品6为不规则结构形状时，各个环形阵列超声晶片21和环形涡流传感器线圈31分布为贴合于不规则被检测产品6的曲面，选择性的发射涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波，进行检测。
如图3所示，基于合成孔径原理的检测传感器装置还包括控制电路装置5，包括用于选择性的分时控制发射不同的涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波的FPGA51，信号发生器52，信号放大器53，超声换能元件和涡流传感元件的接收和发射的切换组合开关57，以及信号输出处理的前置放大器56，A/D转换器55，用于获得超声阵列和涡流阵列的检测信号后进行数据融合分析处理的CPU分析装置54。
另外，本发明还公开一种基于合成孔径原理的检测传感器的系统方法，用于超声波检测和涡流检测的信号融合处理，其特征在于超声检测元件和涡流检测元件设置多个环形间隔层超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈围绕同一圆心环形间隔阵列，具体步骤如下：
a．超声涡流元件配对：将相邻的一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈设置为同一信道的传感器元件；
b．选择信道：根据被检测对象的外形和结构，选择若干对同一信道的多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈作为检测传感器；
c.分时发射正弦波和脉冲波：对被选择的若干对同一信道的多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈进行顺序排列，分时轮流发送每一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈的所需要的涡流检测用正弦波和超声检测用脉冲波；
d.分时接收信号：每一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈分时接收超声检测信号和涡流检测信号后，将信号发送至处理单元；
e.信号融合分析：信号处理单元对接收的每一对多个环形间隔层阵列超声晶片和多个环形间隔排列涡流传感器线圈的超声检测信号和涡流检测信号进行融合分析处理，分析检测结果。
其中，所述步骤c和步骤d中的分时发送和分时接收超声检测信号和涡流检测信号后的轮流顺序设置为顺序Ｌ1～Ｌn从同圆心环形阵列的圆心处向外延伸、或者设置为倒序Ｌn～Ｌ1从同圆心环形阵列的最外层向圆心处延伸的分时轮流单信道接收超声检测信号和涡流检测信号的其中一种方式顺序轮流。
所述的环形涡流传感器线圈的环形单个间隔层设置为单一线圈或者设置多个阵列涡流传感阵元，两种结构中的其中一种，环形超声晶片的环形单个间隔层设置为单一层超声环形晶片或者设置为的多个阵列超声换能晶片，两种结构中的其中一种。
所述的环形涡流传感器线圈的环形单个间隔层设置为多个环形阵列的涡流传感阵元时，步骤a中可根据被检测产品结构形状，选择多个环形间隔层中的一个间隔层或单个间隔层中的若干个阵列超声换能晶片和若干个阵列涡流传感阵元作为检测传感器，根据被检测产品的形状结构通过弹性装置调节检测传感器的纵向位置贴合于被检测产品的检测面。
以上为本发明的其中一种实施方式。此外，需要说明的是，凡依本专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本专利的保护范围内。