1. 基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，其特征是：該系統主要由陣列式探測器7、脈沖信號發生模塊5、信號調理電路8、功率放大器6、模數轉換模塊9、控制器10、無線透傳模塊11和上位機12構成。系統采用無線透傳通信技術，實現被測隔膜片的缺陷和損傷數據的無線傳輸。
2. 根據權利要求1所述的基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，其特征是：所述的柔性PCB電路板有四層結構，頂層為傳感層主要安放磁傳感器，中間兩層為傳感器終端節點層，底層為激勵層。磁傳感器采用線性磁傳感器TMR2102，TMR2102排列在頂層間距0.5mm，在磁傳感器相對應的底層布滿銅作為激勵層，中間兩層作為終端節點層。
3.根據權利要求1所述的基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，其特征是：所述的無線透傳模塊由合方圓公司生產的GU906芯片及其外圍電路構成，其中ipex轉sma線然后接ＧＳＭ天線。
4.根據權利要求1所述的基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，其特征是：模數轉換模塊采用德州儀器生產的24位ADS1256芯片，每個芯片有八個輸入通道；模擬參考電壓采用美國模擬器件公司生產的ADR431芯片。
基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用
技術領域
本發明涉及一種基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，屬于測控技術領域。
背景技術
隔膜泵自從誕生以就被廣泛的應用于輸送領域。隔膜泵是往復泵的一種，用彈性薄膜，耐腐蝕彈性金屬片將泵分隔成互不相通的兩部分，分別是被輸送液體和活柱存在的區域。這樣，活柱不與輸送的液體接觸。活柱的往復運動通過同側的介質傳遞到隔膜上，使隔膜亦作往復運動，從而實現被輸送液體經球形活門吸入和排出。在工業生產中，隔膜泵主要用于輸送腐蝕性液體或含有固體懸浮物的液體。它依靠一個隔膜片的來回鼓動而改變工作室容積來吸入和排出液體的。
隔膜片是最容易損壞的零部件，它又在隔膜泵工作中起著至關重要的作用。一旦隔膜片損壞沒有及時發現將會帶來巨大的經濟損失，所以對隔膜片的在線監測是必要的。
隨著計算機技術、微電子技術和信息管理技術的快速發展，監測技術逐步由集中走向分散化、網絡化、智能化和集成化。工業生產過程中無線傳感網絡系統是重要組成部分，不僅能夠實現遠程監控，還能夠確保生產過程中設備的安全性，是現代工業發展的重要標志，體現了工業發展與互聯網的緊密聯系。GPRS透傳模塊具有傳輸速率快，無距離限制等優點被廣泛應用于無線傳輸領域。使用無線傳輸不僅提高了監測效率、節約了成本、避免了有線設備的損壞幾率，還提高了管理效率。
發明內容
本發明專利要解決的技術問題是：本發明專利提出一種基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，目的是解決現有檢測技術中存在的問題。利用渦流檢測技術，可以通過隔膜片內部磁場的變化分析出隔膜片的缺陷和損傷情況；利用柔性電路板的柔軟性特點，可以將陣列探測器PCB板貼附在隔膜泵上，它可以跟隨隔膜片的往復運動而運動，只要安裝合理它既不會因為隔膜片的大幅度運動而脫落，也不會干擾到隔膜片的正常工作；利用特殊形狀的陣列式探測器可以進行多點采集的特點，可以采集到整個試件內部缺陷和損傷情況；利用無線傳輸技術，能夠及時地將采集到的數據傳到上位機存儲分析顯示，并簡化了車間到上位機之間的復雜連線，節省了成本。這種檢測方式不僅提高了檢測效率、節約了成本，還提高了管理效率，給試件的檢測帶來了極大的便利。其結構緊湊，能夠對試件進行無線低功耗在線檢測；擴展方便、適用范圍廣、安全可靠同時還節省人力，并且一旦設備連接成功，其操作方便因而使用性強，推廣性強。
本發明專利采用的技術方案：所述的基于柔性PCB技術的脈沖渦流無損檢測系統在隔膜片上的應用，屬于測控技術領域。本系統主要由柔性電路板組成的陣列探測器、脈沖信號發生器、信號調理電路、功率放大器、控制器、無線透傳模塊、A/D轉換模塊和上位機構成。在隔膜泵的隔膜片上安裝由柔性電路板構成的陣列探測器，使電路板帖附在隔膜片上。柔性電路板的外形與隔膜片相似，并使柔性電路板跟隨隔膜片的運動而運動，保證電路板上的TMR磁傳感器能夠監測到整個隔膜片。
工作過程中，脈沖信號發生器在控制器的控制器下產生脈沖寬度調制波形也就是PWM波，PWM波經過功率放大器放大驅動柔性電路板最下層的激勵線圈；TMR磁傳感器采集到次生磁場和原生磁場的合成磁場并轉化為電信號，如果試件有缺陷或損傷則合成磁場中包含試件的缺陷或損傷信息；這種合成磁場轉化的電信號經過信號調理模塊后在24位高速A/D轉換器轉換成數字信號后，將數字信號通過SPI通訊傳輸至控制器中，控制器在通過無線透傳模塊將數據傳輸到遠程的上位機中，控制器與無線透傳模塊采用USART串口通訊。
所述的陣列式探測器由四層的柔性PCB板構成，柔性電路板的外形與隔膜片相同，頂層主要放置若干TMR磁傳感器和其他元器件，TMR磁傳感器以間隔0.5mm的距離均勻的排布在電路板上，中間兩層為終端節點層，底層為激勵層在相應的TMR線性磁傳感器的下方布滿銅，當通入被放大的脈沖寬度調制波形后用于在待測隔膜片上產生磁場，進入磁傳感器下方布銅區域的入口布銅寬度為0.4mm。當激勵層通入脈沖寬度調制波性，就可以通過磁傳感器采集整個隔膜片內部的磁場變化情況，以探測整個隔膜片內部的缺陷和損傷情況。因為ADS1256模數轉換芯片具有有8個24位的模數轉換端口，所以就可以很方便的將每個磁傳感器的輸出端連接在信號調理電路上，再將信號調理電路的各輸出端分別連在ADS1256模數轉換模塊的各通道上。
所述的A/D轉換模塊由ADS1256芯片及其外圍電路構成。每個A/D轉換模塊的模擬輸入部分包含8路單端輸入或是4組差分輸入，這里將AINCOM引腳接地設置為8路單端輸入。輸入信號范圍：0V～+5V 不加分壓電阻，輸入精度為24Bit，最大采樣頻率30KHz；通過CS片選引腳選擇相應的A/D轉換模塊開啟轉換模式；電源功耗:為+5V、100mA，工作溫度: -25℃～80℃。其模擬地、數字地與電源地分開布線，防止互相干擾，其中模擬地與數字地之間還要通過0歐的電阻相隔離。參考電壓VREFN通過49.9歐的電阻接地，VREFP通過49.9歐的電阻接2.5V電壓，并且VREFN與VREFP之間通過47uF、0.1uF和100pF的電容連接。XTAL1和XTAL2引腳接7.68M晶振，并通過兩個并聯的18pF電容接地。SCLK時鐘引腳、DIN數據輸入引腳、DOUT數據輸出引腳和DRADAY標志位引腳分別接控制芯片的PA5、PA6、PA7和PA4引腳，因為PA5、PA6和PA7為控制器的SPI1通訊引腳，PA4作為普通I/O口接受來自DRADAY引腳的轉換結束標志位。ADS1256的8個模擬輸入端口AIN0—AIN7分別通過301歐的電阻接來自信號調理模塊出來的模擬信號。由于AIN0與AIN1、AIN2與AIN3、AIN4與AIN5、AIN6與AIN7之間在芯片內部是有默認差分關系的，所以在她們之間通過并聯電容的方式去除干擾。A/D轉換芯片的AVDD供5V電壓，DVDD供3.3V電壓，但是這兩個引腳不能直接與LM2596芯片和1117芯片產生的5V和3.3V電壓連接，需要經過磁珠和電容濾波后方可接入。
在上述A/D轉換模塊中使用的2.5V參考電壓是由美國模擬器件公司生產的電壓基準芯片ADR431通過5V電壓轉換得到的。5V電壓通過0.1uF和10uF兩個電容并聯濾波后接到ADS431的引腳2上，引腳4接地，引腳6通過10uF的電容后接入A/D轉換芯片的VREFP引腳。ADR431的其他引腳懸空。
所述的信號調理電路由放大電路、濾波電路和輸出端口構成，其中放大器由三運放差分放大電路構成，兩個OPA335芯片構成差分放大部分，再串聯一個UA741CD放大電路。探頭的兩個輸出端分別連接在兩個OPA335放大器的正負端進行差分放大，利用差分放大電路的對稱性和負反饋作用，有效地穩定靜態工作點；濾波電路采用二階RC有源低通濾波器的設計，結構為兩個一階低通濾波電路和一個UA741CD運算放大器串聯構成。濾波器中UA741CD放大電路具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，使電路在濾波的同時還可以將有用信號頻率進行放大；濾波器電路中還設計了反饋網絡，其作用是輸出電壓能夠通過反饋元件對放大電路進行自動調整，從而牽制了輸出電壓的變化，最后達到輸出穩定平衡。該濾波器的的優點是：體積小、重量輕、不需要磁屏蔽，其作用就是將信號進行濾波、放大、遠傳，與傳感器配合使用，能夠提高系統的適應度和環境可靠性。
所述的功率放大器采用LM386模塊，最大增益達到200。該模塊的-INPUT引腳接地，+INPUT引腳接收來自控制芯片stm32f103產生的脈沖寬度調制波形。在輸出端口連接濾波電容和電解電容，濾波電容用于濾除輸出信號的交流成分，退耦電容用于補償濾波電容的高頻缺陷，使輸出信號的線性更好。
所述的控制器由stm32f103芯片及其外圍電路構成，外圍電路包括晶振、復位電路、備用電池、SWD下載電路、FLASH存儲器電路和供電電路；其中供電電路包括5V直流電壓輸入電路和5V轉3.3V電路，5V直流電壓輸入電路采用MP2359芯片，5V轉3.3V電路采用AMS1117芯片，電源與地之間接入并聯的12個104電容；FLASH存儲器電路采用W25Q128芯片。
本發明專利的有益效果：在隔膜泵的隔膜片上安裝柔性PCB電路板，使得由柔性PCB電路板構成的陣列式探測器可以帖敷在隔膜片上，隨著隔膜片的運動而運動，可以在線實時監測隔膜片上每個點的缺陷和損傷情況；使用無線透傳模塊傳輸數據，傳輸沒有距離限制，省去布線的麻煩，易于升級維護；柔性電路板構成的陣列式探測器加上無線透傳模塊，可以及時有效地遠程獲取生產車間內隔膜泵上隔膜片的缺陷與損傷情況；不僅節約了成本、避免了有線設備的損壞幾率，還提高了管理效率，給生產試件的檢測帶來了極大的便利，節省了人力成本；體積小，操作方便，推廣性較好，具有一定的應用價值。
附圖說明
圖1為本發明專利的系統結構圖；
圖2為本發明專利控制器電路圖
圖3為本發明專利系統晶振電路圖
圖4為本發明專利5V和3.3V供電電路圖
圖5為本發明專利模擬電路參考電壓電路圖
圖6為本發明專利4.2V供電電路圖
圖7為本發明專利功率放大器電路圖
圖8為本發明專利線性線性TMR磁傳感器電路圖
圖9為本發明專利信號調理模塊電路圖
圖10為本發明專利模數轉換模塊電路圖
圖11為本發明專利的無線透傳模塊電路圖
圖12為本發明專利SIM卡座電路圖
圖13為本發明專利擴展存儲器電路圖
圖14為本發明專利指示燈電路圖
圖15為本發明專利脈沖發生器電路圖
圖16為本發明專利柔性電路板結構示意圖
圖17為本發明專利部分電路板布局及走線圖
具體實施方式
下面結合附圖和實施對本發明專利做進一步說明，以方便技術人員理解。
如圖1所示：為了能對隔膜泵上隔膜片進行在線監測，本發明專利主要由柔性電路板組成的陣列式探測器、脈沖信號發生模塊、信號調理電路、功率放大器、控制器、A/D轉換模塊、無線透傳模塊和上位機組成。其中功率放大器與脈沖信號發生器連接是為了放大脈沖信號發生器產生的PWM波形，然后將放大后的PWM波形通入柔性電路板最底層的激勵線圈上；信號調理電路與柔性電路板頂層線性TMR磁傳感芯片的輸出端連接，為了給線性TMR磁傳感器輸出的電壓信號進行放大濾波；信號調理電路的輸出端又與A/D轉換模塊的輸入通道連接，使模擬信號在A/D轉換模塊內部轉換為數字信號；轉換后的數字信號通過SPI通訊協議傳輸入控制器中，再由控制器控制通過無線透傳模塊通過TCP/IP協議傳輸到上位機，控制器與無線透傳模塊之間通過USART串口通訊。
如圖2所示：上述控制器由stm32f103芯片及其外圍電路構成，外圍電路主要包括晶振、復位電路、SWD下載端口、FLASH存儲器電路和供電電路。其中SWD端口用來向芯片內下載程序，該端口電路有四個引腳供電引腳、SWDIO引腳、SWCLK引腳和地引腳，SWCLK是時鐘引腳，SWDIO引腳發送數據，該端口為3.3V供電，與控制芯片stm32f103通過USART進行數據傳輸，SWDIO引腳和SWCLK引腳分別與控制芯片的PA13和PA14 引腳連接，用于接收數據。FLASH存儲器電路采用W25Q128芯片，與控制芯片通過SPI串口方式通訊，控制芯片內部自帶SPI通訊引腳，W25Q128芯片的CLK引腳、SI引腳和SO引腳分別連接在控制芯片的SPI1_SCK、SPI1_MOSI和SPI1_MISO引腳上。
如圖3所示：控制器采用8M晶振。
如圖4所示：供電電路包括5V直流電壓輸入電路和5V轉3.3V電路。5V直流電壓輸入電路采用MP2359芯片，5V轉3.3V電路采用AMS1117芯片，電源與地之間接入并聯的12個104電容。
如圖5所示：模數轉換電路中采用2.5v的模擬電壓，5v電壓經過兩個濾波電容進入ADR431芯片的2輸入引腳，4引腳接地，6引腳經過一個104電容輸出2.5v，其他引腳為NC引腳懸空。
如圖6所示：5V轉4.2V電壓電路，采用Micrel Semiconductor公司生產的MIC29302芯片，輸入5V電壓與3引腳地之間連接10uf/10v的鉭電容，輸出端采用104電容和220uf/10v的鉭電容濾波，輸出的4.2V電壓為無線透傳模塊供電。
如圖7所示：功率放大器采用LM386模塊，最大增益達到200。本系統的PWM波形通過控制器的定時器1通道3產生，也就是PE13引腳。PE13引腳上的PWM波形經過一個二階低通濾波電路后連接在功率放大器的輸入引腳+INPUT，功率放大器的另一個-INPUT引腳接地，Vout引腳連接激勵線圈。
如圖8所示：柔性電路板頂層放置TMR磁傳感器芯片，TMR磁傳感器采用TMR2102芯片，該芯片屬于大范圍線性磁傳感器，該芯片特點和好處是采用隧道磁電阻技術、高靈敏度、大動態范圍、非常低的功耗、優異的熱穩定性、非常低的磁滯、兼容廣泛的電源電壓，在-150高斯到30高斯內是線性的。該芯片6引腳為VCC引腳，5V電壓經過兩個濾波電容后為該芯片供電，3、4引腳接地，5引腳為輸出引腳，經過1k電阻與滑動變阻器相連，調節滑動變阻器使得初始狀態輸出為零。
如圖9所示：信號調理電路由放大和濾波電路構成，其中放大器由三運放差分放大電路構成，兩個OPA335芯片構成差分放大部分，再串聯一個UA741CD放大電路。探頭的兩個輸出端分別連接在兩個OPA335放大器的正負端進行差分放大，利用差分放大電路的對稱性和負反饋作用，有效地穩定靜態工作點；濾波電路采用二階RC有源低通濾波器的設計，結構為兩個一階低通濾波電路和一個UA741CD運算放大器串聯。濾波器中UA741CD放大電路具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，使電路在濾波的同時還可以將有用信號頻率進行放大；濾波器電路中還設計了反饋網絡，其作用是輸出電壓通過反饋元件對放大電路進行自動調整，從而牽制了輸出電壓的變化，最后達到輸出穩定平衡。該濾波器的的優點是：體積小、重量輕、不需要磁屏蔽，其作用就是將信號進行濾波、放大、遠傳，與傳感器配合使用，能夠提高系統的適應度和環境可靠性。
如圖10所示：模數轉換芯片采用美國德州儀器公司生產的24為高精度的ADS256芯片。引腳1為芯片的模擬電壓供電引腳，5v電壓通過Risym公司生產的30R 5A的0805貼片大電流磁珠后再經過電源濾波電容與AVCC連接，為了防止5v電源對模擬電源的干擾。2引腳與17引腳分別為模擬地與數字地，為了使模擬地與數字地分開，兩個地分別布線并且在他們之間通過一個零歐的電阻連接。該芯片采用7.68M晶振。AINCOM引腳接地則表示八個輸入端口為單獨按輸入模式，如果AINCOM引腳懸空則表示兩個相鄰的引腳之間是差分輸入模式，這里將AINCOM引腳接地，設置為八路單端輸入模式，并且每相鄰的兩個引腳之間接入0.1UF和100PF的電容。
如圖11所示：為GPRS無線透傳模塊，該模塊采用深圳合方圓公司生產的帶DTU功能的GU906模塊，該模塊的7、8、9、10引腳分別連接SIM卡的VCC、RST、CLK和I/O引腳。34、35引腳為4.2V供電引腳，31、32引腳是與SIM通訊的TXD、RXD引腳，GSM_ANT引腳為ipex接線端口，通過ipex轉sma線和GSM天線連接，增加信號強度。
如圖12所示：為SIM卡座電路圖，插入電話卡即可利用流量傳輸數據。其中2引腳懸空，3引腳接地，1、4、5、6引腳分別為I/O引腳、CLK引腳、RST引腳和VCC引腳與無線透傳模塊連接。
如圖13所示：為擴展的FLASH存儲器，該存儲器通過SPI通訊方式與控制連接。該芯片的片選引腳、時鐘引腳、接收與發送引腳分別與控制器的PC6、PB13、PB14、PB15連接，PB13、PB14和PB15引腳可以通過軟件設置端口復用功能，使其成為SPI通訊接口。
如圖14所示：為3.3V電源提示燈和GU906無線透傳模塊的系統提示燈。當3.3V電源正常供電和GU906芯片供電成功時，這兩個提示燈發光表示供電工作正常。
如圖15所示：為脈沖信號發生器，采用NE555芯片。
如圖16所示：為柔性PCB電路板的結構示意圖，D區域的紅色部分表示頂層的磁傳感器芯片，芯片與芯片之間距離0.5mm，C區域為底層的激勵線圈及其引出線，AB區域為中間層走線。3、4為終端節點。
如圖17所示：為該系統的部分電路布線圖，加粗的部分為電源走線為40mil寬，信號線均為10mil寬，芯片引出線采用淚滴設置，雙層板結構以減少成本，大面積網格敷銅，敷銅間距采用20mil，元器件間距最小設為5mil。板上器件均采用貼片封裝，使電路板更小巧，更便于安裝在設備上。
在隔膜泵的隔膜片上安放一個由柔性PCB電路板構成的陣列式探測器，陣列式探測器呈圓形，外形與隔膜片相似，以便能使探頭完全包裹住試件。陣列式探測器是固定在隔膜片上的，隨著隔膜片的運動而運動，就可以很方便的探測整個試件內部的缺陷和損傷情況。將脈沖信號發生器輸出的PWM波形I/O口與功率放大器的輸入端口+INPUT連接，功率放大器的-INPUT引腳接地，PWM波形在功率放大器內進行放大；功率放大器的Vout輸出引腳與探頭的激勵線圈端連接，使放大后的PWM波驅動激勵線圈；放大后的PWM波驅動激勵線圈后，在激勵線圈周圍產生的電磁場由兩部分疊加而成：一部分是直接從線圈中耦合出的一次電磁場也叫做原生磁場，另一部分是試件中感應出的渦流場所產生的二次電磁場又稱次生磁場。矩陣探頭各傳感器部分采集次生磁場和原生磁場的合成磁場并轉化為電信號；探頭輸出端與信號調理電路的集成差分放大部分的兩端連接，在信號調理電路6內進行放大和兩次低通濾波；使各信號調理電路的輸出端口分別與A/D轉換模塊各通道連接，使放大濾波后的模擬信號從信號調理電路的輸出端口傳輸到ADS1256芯片，在24位A/D轉換器內進行模數轉換。轉換后的數字信號通過SPI通訊方式傳輸到控制器內，再經過控制器控制通過無線透傳模塊傳輸到上位機。
當隔膜片的缺陷和損傷程度達到我們要求的最大值，控制器1會自動發出報警指令。操作員通過上位機軟件可遠程及時獲取車間內設備情況，并可通過按鍵命令的方式遠程控制、監測系統。
本發明專利通過具體實施過程進行說明的，在不脫離本發明專利范圍的情況下，還可以對本發明專利進行各種變換及等同代替，因此，本發明專利不局限于所公開的具體實施過程，而應當包括落入本發明專利權利要求范圍內的全部實施方案。
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