1. 基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，其特征是：该系统主要由阵列式探测器7、脉冲信号发生模块5、信号调理电路8、功率放大器6、模数转换模块9、控制器10、无线透传模块11和上位机12构成。系统采用无线透传通信技术，实现被测隔膜片的缺陷和损伤数据的无线传输。
2. 根据权利要求1所述的基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，其特征是：所述的柔性PCB电路板有四层结构，顶层为传感层主要安放磁传感器，中间两层为传感器终端节点层，底层为激励层。磁传感器采用线性磁传感器TMR2102，TMR2102排列在顶层间距0.5mm，在磁传感器相对应的底层布满铜作为激励层，中间两层作为终端节点层。
3.根据权利要求1所述的基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，其特征是：所述的无线透传模块由合方圆公司生产的GU906芯片及其外围电路构成，其中ipex转sma线然后接ＧＳＭ天线。
4.根据权利要求1所述的基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，其特征是：模数转换模块采用德州仪器生产的24位ADS1256芯片，每个芯片有八个输入通道；模拟参考电压采用美国模拟器件公司生产的ADR431芯片。
基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用
技术领域
本发明涉及一种基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，属于测控技术领域。
背景技术
隔膜泵自从诞生以就被广泛的应用于输送领域。隔膜泵是往复泵的一种，用弹性薄膜，耐腐蚀弹性金属片将泵分隔成互不相通的两部分，分别是被输送液体和活柱存在的区域。这样，活柱不与输送的液体接触。活柱的往复运动通过同侧的介质传递到隔膜上，使隔膜亦作往复运动，从而实现被输送液体经球形活门吸入和排出。在工业生产中，隔膜泵主要用于输送腐蚀性液体或含有固体悬浮物的液体。它依靠一个隔膜片的来回鼓动而改变工作室容积来吸入和排出液体的。
隔膜片是最容易损坏的零部件，它又在隔膜泵工作中起着至关重要的作用。一旦隔膜片损坏没有及时发现将会带来巨大的经济损失，所以对隔膜片的在线监测是必要的。
随着计算机技术、微电子技术和信息管理技术的快速发展，监测技术逐步由集中走向分散化、网络化、智能化和集成化。工业生产过程中无线传感网络系统是重要组成部分，不仅能够实现远程监控，还能够确保生产过程中设备的安全性，是现代工业发展的重要标志，体现了工业发展与互联网的紧密联系。GPRS透传模块具有传输速率快，无距离限制等优点被广泛应用于无线传输领域。使用无线传输不仅提高了监测效率、节约了成本、避免了有线设备的损坏几率，还提高了管理效率。
发明内容
本发明专利要解决的技术问题是：本发明专利提出一种基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，目的是解决现有检测技术中存在的问题。利用涡流检测技术，可以通过隔膜片内部磁场的变化分析出隔膜片的缺陷和损伤情况；利用柔性电路板的柔软性特点，可以将阵列探测器PCB板贴附在隔膜泵上，它可以跟随隔膜片的往复运动而运动，只要安装合理它既不会因为隔膜片的大幅度运动而脱落，也不会干扰到隔膜片的正常工作；利用特殊形状的阵列式探测器可以进行多点采集的特点，可以采集到整个试件内部缺陷和损伤情况；利用无线传输技术，能够及时地将采集到的数据传到上位机存储分析显示，并简化了车间到上位机之间的复杂连线，节省了成本。这种检测方式不仅提高了检测效率、节约了成本，还提高了管理效率，给试件的检测带来了极大的便利。其结构紧凑，能够对试件进行无线低功耗在线检测；扩展方便、适用范围广、安全可靠同时还节省人力，并且一旦设备连接成功，其操作方便因而使用性强，推广性强。
本发明专利采用的技术方案：所述的基于柔性PCB技术的脉冲涡流无损检测系统在隔膜片上的应用，属于测控技术领域。本系统主要由柔性电路板组成的阵列探测器、脉冲信号发生器、信号调理电路、功率放大器、控制器、无线透传模块、A/D转换模块和上位机构成。在隔膜泵的隔膜片上安装由柔性电路板构成的阵列探测器，使电路板帖附在隔膜片上。柔性电路板的外形与隔膜片相似，并使柔性电路板跟随隔膜片的运动而运动，保证电路板上的TMR磁传感器能够监测到整个隔膜片。
工作过程中，脉冲信号发生器在控制器的控制器下产生脉冲宽度调制波形也就是PWM波，PWM波经过功率放大器放大驱动柔性电路板最下层的激励线圈；TMR磁传感器采集到次生磁场和原生磁场的合成磁场并转化为电信号，如果试件有缺陷或损伤则合成磁场中包含试件的缺陷或损伤信息；这种合成磁场转化的电信号经过信号调理模块后在24位高速A/D转换器转换成数字信号后，将数字信号通过SPI通讯传输至控制器中，控制器在通过无线透传模块将数据传输到远程的上位机中，控制器与无线透传模块采用USART串口通讯。
所述的阵列式探测器由四层的柔性PCB板构成，柔性电路板的外形与隔膜片相同，顶层主要放置若干TMR磁传感器和其他元器件，TMR磁传感器以间隔0.5mm的距离均匀的排布在电路板上，中间两层为终端节点层，底层为激励层在相应的TMR线性磁传感器的下方布满铜，当通入被放大的脉冲宽度调制波形后用于在待测隔膜片上产生磁场，进入磁传感器下方布铜区域的入口布铜宽度为0.4mm。当激励层通入脉冲宽度调制波性，就可以通过磁传感器采集整个隔膜片内部的磁场变化情况，以探测整个隔膜片内部的缺陷和损伤情况。因为ADS1256模数转换芯片具有有8个24位的模数转换端口，所以就可以很方便的将每个磁传感器的输出端连接在信号调理电路上，再将信号调理电路的各输出端分别连在ADS1256模数转换模块的各通道上。
所述的A/D转换模块由ADS1256芯片及其外围电路构成。每个A/D转换模块的模拟输入部分包含8路单端输入或是4组差分输入，这里将AINCOM引脚接地设置为8路单端输入。输入信号范围：0V～+5V 不加分压电阻，输入精度为24Bit，最大采样频率30KHz；通过CS片选引脚选择相应的A/D转换模块开启转换模式；电源功耗:为+5V、100mA，工作温度: -25℃～80℃。其模拟地、数字地与电源地分开布线，防止互相干扰，其中模拟地与数字地之间还要通过0欧的电阻相隔离。参考电压VREFN通过49.9欧的电阻接地，VREFP通过49.9欧的电阻接2.5V电压，并且VREFN与VREFP之间通过47uF、0.1uF和100pF的电容连接。XTAL1和XTAL2引脚接7.68M晶振，并通过两个并联的18pF电容接地。SCLK时钟引脚、DIN数据输入引脚、DOUT数据输出引脚和DRADAY标志位引脚分别接控制芯片的PA5、PA6、PA7和PA4引脚，因为PA5、PA6和PA7为控制器的SPI1通讯引脚，PA4作为普通I/O口接受来自DRADAY引脚的转换结束标志位。ADS1256的8个模拟输入端口AIN0—AIN7分别通过301欧的电阻接来自信号调理模块出来的模拟信号。由于AIN0与AIN1、AIN2与AIN3、AIN4与AIN5、AIN6与AIN7之间在芯片内部是有默认差分关系的，所以在她们之间通过并联电容的方式去除干扰。A/D转换芯片的AVDD供5V电压，DVDD供3.3V电压，但是这两个引脚不能直接与LM2596芯片和1117芯片产生的5V和3.3V电压连接，需要经过磁珠和电容滤波后方可接入。
在上述A/D转换模块中使用的2.5V参考电压是由美国模拟器件公司生产的电压基准芯片ADR431通过5V电压转换得到的。5V电压通过0.1uF和10uF两个电容并联滤波后接到ADS431的引脚2上，引脚4接地，引脚6通过10uF的电容后接入A/D转换芯片的VREFP引脚。ADR431的其他引脚悬空。
所述的信号调理电路由放大电路、滤波电路和输出端口构成，其中放大器由三运放差分放大电路构成，两个OPA335芯片构成差分放大部分，再串联一个UA741CD放大电路。探头的两个输出端分别连接在两个OPA335放大器的正负端进行差分放大，利用差分放大电路的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点；滤波电路采用二阶RC有源低通滤波器的设计，结构为两个一阶低通滤波电路和一个UA741CD运算放大器串联构成。滤波器中UA741CD放大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使电路在滤波的同时还可以将有用信号频率进行放大；滤波器电路中还设计了反馈网络，其作用是输出电压能够通过反馈元件对放大电路进行自动调整，从而牵制了输出电压的变化，最后达到输出稳定平衡。该滤波器的的优点是：体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，其作用就是将信号进行滤波、放大、远传，与传感器配合使用，能够提高系统的适应度和环境可靠性。
所述的功率放大器采用LM386模块，最大增益达到200。该模块的-INPUT引脚接地，+INPUT引脚接收来自控制芯片stm32f103产生的脉冲宽度调制波形。在输出端口连接滤波电容和电解电容，滤波电容用于滤除输出信号的交流成分，退耦电容用于补偿滤波电容的高频缺陷，使输出信号的线性更好。
所述的控制器由stm32f103芯片及其外围电路构成，外围电路包括晶振、复位电路、备用电池、SWD下载电路、FLASH存储器电路和供电电路；其中供电电路包括5V直流电压输入电路和5V转3.3V电路，5V直流电压输入电路采用MP2359芯片，5V转3.3V电路采用AMS1117芯片，电源与地之间接入并联的12个104电容；FLASH存储器电路采用W25Q128芯片。
本发明专利的有益效果：在隔膜泵的隔膜片上安装柔性PCB电路板，使得由柔性PCB电路板构成的阵列式探测器可以帖敷在隔膜片上，随着隔膜片的运动而运动，可以在线实时监测隔膜片上每个点的缺陷和损伤情况；使用无线透传模块传输数据，传输没有距离限制，省去布线的麻烦，易于升级维护；柔性电路板构成的阵列式探测器加上无线透传模块，可以及时有效地远程获取生产车间内隔膜泵上隔膜片的缺陷与损伤情况；不仅节约了成本、避免了有线设备的损坏几率，还提高了管理效率，给生产试件的检测带来了极大的便利，节省了人力成本；体积小，操作方便，推广性较好，具有一定的应用价值。
附图说明
图1为本发明专利的系统结构图；
图2为本发明专利控制器电路图
图3为本发明专利系统晶振电路图
图4为本发明专利5V和3.3V供电电路图
图5为本发明专利模拟电路参考电压电路图
图6为本发明专利4.2V供电电路图
图7为本发明专利功率放大器电路图
图8为本发明专利线性线性TMR磁传感器电路图
图9为本发明专利信号调理模块电路图
图10为本发明专利模数转换模块电路图
图11为本发明专利的无线透传模块电路图
图12为本发明专利SIM卡座电路图
图13为本发明专利扩展存储器电路图
图14为本发明专利指示灯电路图
图15为本发明专利脉冲发生器电路图
图16为本发明专利柔性电路板结构示意图
图17为本发明专利部分电路板布局及走线图
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明专利做进一步说明，以方便技术人员理解。
如图1所示：为了能对隔膜泵上隔膜片进行在线监测，本发明专利主要由柔性电路板组成的阵列式探测器、脉冲信号发生模块、信号调理电路、功率放大器、控制器、A/D转换模块、无线透传模块和上位机组成。其中功率放大器与脉冲信号发生器连接是为了放大脉冲信号发生器产生的PWM波形，然后将放大后的PWM波形通入柔性电路板最底层的激励线圈上；信号调理电路与柔性电路板顶层线性TMR磁传感芯片的输出端连接，为了给线性TMR磁传感器输出的电压信号进行放大滤波；信号调理电路的输出端又与A/D转换模块的输入通道连接，使模拟信号在A/D转换模块内部转换为数字信号；转换后的数字信号通过SPI通讯协议传输入控制器中，再由控制器控制通过无线透传模块通过TCP/IP协议传输到上位机，控制器与无线透传模块之间通过USART串口通讯。
如图2所示：上述控制器由stm32f103芯片及其外围电路构成，外围电路主要包括晶振、复位电路、SWD下载端口、FLASH存储器电路和供电电路。其中SWD端口用来向芯片内下载程序，该端口电路有四个引脚供电引脚、SWDIO引脚、SWCLK引脚和地引脚，SWCLK是时钟引脚，SWDIO引脚发送数据，该端口为3.3V供电，与控制芯片stm32f103通过USART进行数据传输，SWDIO引脚和SWCLK引脚分别与控制芯片的PA13和PA14 引脚连接，用于接收数据。FLASH存储器电路采用W25Q128芯片，与控制芯片通过SPI串口方式通讯，控制芯片内部自带SPI通讯引脚，W25Q128芯片的CLK引脚、SI引脚和SO引脚分别连接在控制芯片的SPI1_SCK、SPI1_MOSI和SPI1_MISO引脚上。
如图3所示：控制器采用8M晶振。
如图4所示：供电电路包括5V直流电压输入电路和5V转3.3V电路。5V直流电压输入电路采用MP2359芯片，5V转3.3V电路采用AMS1117芯片，电源与地之间接入并联的12个104电容。
如图5所示：模数转换电路中采用2.5v的模拟电压，5v电压经过两个滤波电容进入ADR431芯片的2输入引脚，4引脚接地，6引脚经过一个104电容输出2.5v，其他引脚为NC引脚悬空。
如图6所示：5V转4.2V电压电路，采用Micrel Semiconductor公司生产的MIC29302芯片，输入5V电压与3引脚地之间连接10uf/10v的钽电容，输出端采用104电容和220uf/10v的钽电容滤波，输出的4.2V电压为无线透传模块供电。
如图7所示：功率放大器采用LM386模块，最大增益达到200。本系统的PWM波形通过控制器的定时器1通道3产生，也就是PE13引脚。PE13引脚上的PWM波形经过一个二阶低通滤波电路后连接在功率放大器的输入引脚+INPUT，功率放大器的另一个-INPUT引脚接地，Vout引脚连接激励线圈。
如图8所示：柔性电路板顶层放置TMR磁传感器芯片，TMR磁传感器采用TMR2102芯片，该芯片属于大范围线性磁传感器，该芯片特点和好处是采用隧道磁电阻技术、高灵敏度、大动态范围、非常低的功耗、优异的热稳定性、非常低的磁滞、兼容广泛的电源电压，在-150高斯到30高斯内是线性的。该芯片6引脚为VCC引脚，5V电压经过两个滤波电容后为该芯片供电，3、4引脚接地，5引脚为输出引脚，经过1k电阻与滑动变阻器相连，调节滑动变阻器使得初始状态输出为零。
如图9所示：信号调理电路由放大和滤波电路构成，其中放大器由三运放差分放大电路构成，两个OPA335芯片构成差分放大部分，再串联一个UA741CD放大电路。探头的两个输出端分别连接在两个OPA335放大器的正负端进行差分放大，利用差分放大电路的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点；滤波电路采用二阶RC有源低通滤波器的设计，结构为两个一阶低通滤波电路和一个UA741CD运算放大器串联。滤波器中UA741CD放大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使电路在滤波的同时还可以将有用信号频率进行放大；滤波器电路中还设计了反馈网络，其作用是输出电压通过反馈元件对放大电路进行自动调整，从而牵制了输出电压的变化，最后达到输出稳定平衡。该滤波器的的优点是：体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，其作用就是将信号进行滤波、放大、远传，与传感器配合使用，能够提高系统的适应度和环境可靠性。
如图10所示：模数转换芯片采用美国德州仪器公司生产的24为高精度的ADS256芯片。引脚1为芯片的模拟电压供电引脚，5v电压通过Risym公司生产的30R 5A的0805贴片大电流磁珠后再经过电源滤波电容与AVCC连接，为了防止5v电源对模拟电源的干扰。2引脚与17引脚分别为模拟地与数字地，为了使模拟地与数字地分开，两个地分别布线并且在他们之间通过一个零欧的电阻连接。该芯片采用7.68M晶振。AINCOM引脚接地则表示八个输入端口为单独按输入模式，如果AINCOM引脚悬空则表示两个相邻的引脚之间是差分输入模式，这里将AINCOM引脚接地，设置为八路单端输入模式，并且每相邻的两个引脚之间接入0.1UF和100PF的电容。
如图11所示：为GPRS无线透传模块，该模块采用深圳合方圆公司生产的带DTU功能的GU906模块，该模块的7、8、9、10引脚分别连接SIM卡的VCC、RST、CLK和I/O引脚。34、35引脚为4.2V供电引脚，31、32引脚是与SIM通讯的TXD、RXD引脚，GSM_ANT引脚为ipex接线端口，通过ipex转sma线和GSM天线连接，增加信号强度。
如图12所示：为SIM卡座电路图，插入电话卡即可利用流量传输数据。其中2引脚悬空，3引脚接地，1、4、5、6引脚分别为I/O引脚、CLK引脚、RST引脚和VCC引脚与无线透传模块连接。
如图13所示：为扩展的FLASH存储器，该存储器通过SPI通讯方式与控制连接。该芯片的片选引脚、时钟引脚、接收与发送引脚分别与控制器的PC6、PB13、PB14、PB15连接，PB13、PB14和PB15引脚可以通过软件设置端口复用功能，使其成为SPI通讯接口。
如图14所示：为3.3V电源提示灯和GU906无线透传模块的系统提示灯。当3.3V电源正常供电和GU906芯片供电成功时，这两个提示灯发光表示供电工作正常。
如图15所示：为脉冲信号发生器，采用NE555芯片。
如图16所示：为柔性PCB电路板的结构示意图，D区域的红色部分表示顶层的磁传感器芯片，芯片与芯片之间距离0.5mm，C区域为底层的激励线圈及其引出线，AB区域为中间层走线。3、4为终端节点。
如图17所示：为该系统的部分电路布线图，加粗的部分为电源走线为40mil宽，信号线均为10mil宽，芯片引出线采用泪滴设置，双层板结构以减少成本，大面积网格敷铜，敷铜间距采用20mil，元器件间距最小设为5mil。板上器件均采用贴片封装，使电路板更小巧，更便于安装在设备上。
在隔膜泵的隔膜片上安放一个由柔性PCB电路板构成的阵列式探测器，阵列式探测器呈圆形，外形与隔膜片相似，以便能使探头完全包裹住试件。阵列式探测器是固定在隔膜片上的，随着隔膜片的运动而运动，就可以很方便的探测整个试件内部的缺陷和损伤情况。将脉冲信号发生器输出的PWM波形I/O口与功率放大器的输入端口+INPUT连接，功率放大器的-INPUT引脚接地，PWM波形在功率放大器内进行放大；功率放大器的Vout输出引脚与探头的激励线圈端连接，使放大后的PWM波驱动激励线圈；放大后的PWM波驱动激励线圈后，在激励线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成：一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场也叫做原生磁场，另一部分是试件中感应出的涡流场所产生的二次电磁场又称次生磁场。矩阵探头各传感器部分采集次生磁场和原生磁场的合成磁场并转化为电信号；探头输出端与信号调理电路的集成差分放大部分的两端连接，在信号调理电路6内进行放大和两次低通滤波；使各信号调理电路的输出端口分别与A/D转换模块各通道连接，使放大滤波后的模拟信号从信号调理电路的输出端口传输到ADS1256芯片，在24位A/D转换器内进行模数转换。转换后的数字信号通过SPI通讯方式传输到控制器内，再经过控制器控制通过无线透传模块传输到上位机。
当隔膜片的缺陷和损伤程度达到我们要求的最大值，控制器1会自动发出报警指令。操作员通过上位机软件可远程及时获取车间内设备情况，并可通过按键命令的方式远程控制、监测系统。
本发明专利通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明专利范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
