CN101413921B - 电涡流识别复合材料材质及其界面的设备 - Google Patents

Abstract

一种金属材料识别技术领域的电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，本发明中，可调信号发生模块产生频率可连续调整的电信号，并将信号分别传输给标准件电涡流探头和被测件电涡流探头；标准件电涡流探头、被测件电涡流探头均与探头升降机构相连，两个探头将输入的电信号转换为磁信号发射到复合薄层材料表面，并接收返回来的信号；信号处理模块分别接收两个探头输出的信号，根据两路信号控制后续执行机构；光耦开关探测工件的位置；微处理器模块控制可调信号发生模块向标准件电涡流探头和被测件电涡流探头发送信号，并控制执行机构开始工作。本发明能够对复合薄层材料材质的识别功能和对复合材料不同材质界面的识别定位，操作简单，广泛适用。

Description

电涡流识别复合材料材质及其界面的设备

技术领域

本发明涉及一种检测技术领域的设备，具体是一种电涡流识别复合材料材质及其界面的设备。

背景技术

随着我国工业化进程的推进，工业自动化水平也将不断提高。目前国内电工元器件制造和金属配件加工行业中多数仍由人工选料送料加工。这个工作过程简单乏味，而且随着劳动力成本的显著提高，采用在线自动识别分选送料将成为必然趋势。当前，材料识别方法主要有：比重识别、光热法识别、颜色识别、电磁识别、电涡流识别等方法。各种识别方法都存在各自的局限性：比重识别多用在识别比重差别较大的物料之间；光热识别法用作光吸收特性不同的物体；颜色识别法应用了图像识别技术区分颜色不同的材质；电磁法主要用于识别电磁材料。目前两种常见的电工元器件复合薄层材料均为两种不同的非铁磁性金属薄层材料接合而成，包括上下叠加和平行拼接，对这类材料的检测时，由于复合材料中的两种非铁磁性金属光吸收特性相差较小，颜色也较接近，因此以上几种识别方法往往都不适用。

电涡流传感器对金属材料的电导率和磁导率等许多参数都有很高的灵敏度，因此现在多用在金属的探伤和材质检测中。但是，现有的电涡流材质检测技术在检测复合材料的薄层时往往受到其探测深度的影响，无法满足对不同厚度的薄层的测定要求；并且，当要对复合材料两种金属的界面处进行特殊处理或加工时，现有技术还无法满足对这种材料界面的识别定位功能。另外，流水线上检测时的温度干扰，噪声干扰也是电涡流检测中亟待解决的问题之一。

经对现有技术的文献检索发现，专利申请号为200620077665.3的中国专利，专利公开号是CN201041561Y，专利名称为《一种新型涡流检测仪》，该专利是一种应用了电涡流检测方法对金属材料进行检测的装置，该专利采用了一种抑制电路来抑制检测中的噪声干扰，但是其不足在于只能抑制某一固定电平以下的噪声，而在复杂的在线检测环境下，对与信号处于同一数量级或大于信号强度的噪声，这种抑制电路就无法从原理上消除这样的噪声干扰。另外，该电涡流检测仪不能实现对其探测深度的控制，无法满足对不同厚度薄层材料的测定要求；并且，这种电涡流检测仪也不具备对复合材料界面的识别定位功能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，采用了差动测量方式，实现对复合薄层材料材质的识别并且具有对复合材料不同材质界面的识别定位，抗干扰能力强，适合在线工作。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：可调信号发生模块、标准件电涡流探头、被测件电涡流探头、探头升降机构、信号处理模块、微处理器模块、执行机构、光耦开关，其中：

可调信号发生模块产生频率可连续调整的电信号，并将信号分别传输给标准件电涡流探头和被测件电涡流探头；

标准件电涡流探头、被测件电涡流探头均与探头升降机构相连，探头升降机构负责控制两个探头的检测高度，两个探头将可调信号发生模块输入的电信号转换为磁信号后发射到复合薄层材料表面，并接收返回来的信号；

信号处理模块分别接收标准件电涡流探头和被测件电涡流探头输出的信号，对信号进行放大处理后将两路信号输入到减法器，若被测工件和标准件的材质相同则减法器没有输出；而当被测工件与标准件材质不同，减法器输出信号，经A/D转换，将信号送至微处理器模块，使其控制后续执行机构动作；

光耦开关探测到传送带上的工件的位置，若到达预定位置，则输出一个开始探测信号到微处理器模块；

微处理器模块接收到光耦开关发送过来的开始探测信号，则控制可调信号发生模块向标准件电涡流探头和被测件电涡流探头发送信号，并控制执行机构开始工作；

执行机构为分选机构或加工机构，接收微处理器模块的控制指令，对工件进行姿态调整或者定位加工。

所述可调信号发生模块，其产生的信号可从1Hz到16.5MHz连续调整。

所述可调信号发生模块，其产生的信号频率由检测试验标定，标定得到的频率使得复合材料中的两种金属的信号差异最大，提高探测灵敏度，而通过对各种材料标定探测频率便可以将本发明用于多种复合材料的检测中。

所述信号处理模块，包括检测电路、标准电路、减法器、A/D转换电路，其中，标准电路包括第一交流电桥、第一放大器、双向限幅器，检测电路包括第二交流电桥、第二放大器，第一交流电桥和第二交流电桥均能获知金属在电涡流效应下探头的阻抗变化，并将阻抗变化转化为电压信号，并将电压信号分别传输给第一放大器和第二放大器；第一放大器和第二放大器将两路电压信号分别放大相同倍数，之后，第一放大器将信号输入到双向限幅器，双向限幅器消除由于两个探头性能的不对称带来的残余电压之后在输入减法器，第二放大器直接将信号输入到减法器，若被测工件和标准件的材质相同则减法器没有输出，而当被测工件与标准件材质不同，减法器输出信号，经A/D转换电路，将信号送至微处理器模块。

所述标准件电涡流探头、被测件电涡流探头，其性能、探头高度和检测频率完全一致。

本发明根据金属的电涡流效应来测定材料的性质，电涡流探头是一种无损、非接触检测装置，具有灵敏度高、结构简单、高效等特点。根据麦克斯韦定理，检测线圈中通过交变电流时将产生交变的电磁场；导电工件在这样的电磁场作用下就会感生出电涡流；电涡流大小、相位则取决于材料本身性质(如电导率、厚度、形状等)和检测频率、检测距离等因素的影响；而电涡流产生的磁场将反作用于检测线圈上使其阻抗发生变化，因此通过检测线圈阻抗的变化便能测定材料的性质。本发明即依据电涡流材质检测原理，通过差动检测流水线上工件材质与标准件相应部分材质的异同，送由微处理器，得到线上工件的姿态信息后，控制执行机构动作。

本发明的包括两种工作状态：识别和定位，具体如下：

一、识别过程：

第一步，对于上下叠加的复合材料，需检测其上半部分金属薄层的材质，通过实验标定探头探测高度和探测频率，以尽量减小探测深度以避免下半部分薄层材料对检测的影响，同时，频率的高低对探测深度也有一定的影响。通过标定探测高度，便可用于检测不同厚度的薄片材料或者金属薄层，同时可以提高探测的灵敏度。

第二步，通过探头升降机构调整电涡流探头与被测件间的距离，根据第一步的标定结果调整探测的深度；

第三步，光耦开关探测传送带上的工件的位置，如果到达预定位置，输出一个信号到微处理器模块使其控制可调信号发生模块向电涡流探头发送信号，并控制传送带停止运动，探头开始探测工作。这样便可以避免由于传送带运动带来的相位干扰，使检测信号准确、稳定；

第四步，采用差动式电涡流检测方法进行检测时，具体如下：在标准件电涡流探头下放置标准件，而被测件电涡流探头下通过被检测工件，这样就产生两路输入信号。如果被测工件和标准件材质相同，则两路输出信号的相位和幅度一致，反之不然。若被测工件和标准件的材质相同则信号调理模块中的减法器没有输出，而当被测工件与标准件材质不同，减法器输出信号，经A/D转换电路，将信号送至微处理器模块。继而，由微处理器模块控制分选机构动作，对工件姿态进行调整送料。采用差动检测方式能够有效地抑制在线检测中时常遇到的温度漂移、工频噪声等干扰，提高了检测的准确性。

二、定位过程

第一步，对于前后拼接的复合材料，需检测前一部分金属薄层的材质，通过实验标定探头探测高度和探测频率，同时，频率的高低对探测深度也有一定的影响。通过标定探测高度，便可用于检测不同厚度的薄片材料或者金属薄层，同时可以提高探测的灵敏度；

第二步，通过探头升降机构调整电涡流探头与被测件间的距离，根据第一步的标定结果调整探测的深度；

第三步，光耦开关探测传送带上的工件的位置，如果到达预定位置，输出一个信号到微处理器模块使其控制可调信号发生模块向电涡流探头发送信号，同时微处理器模块发送信号给传送带上的步进电机使其控制传送带做高精度运动；

第四步，定位过程同样采用差动检测方式，在标准件涡流探头下放置标准件，而被测件电涡流探头下通过被检测工件，电涡流探头对工件做连续测量，因此产生两路连续信号输入信号处理模块。由于复合材料界面两端的金属材料不同，当探头检测到界面位置时，由减法器输出的材质异同比较信号将产生突变，此时微处理器便能识别出这个突变信息判断出此处即为界面位置，控制加工机构动作对该界面处进行加工处理。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明弥补了现有技术的不足，具有对复合材料薄层材质的识别能力并且具有对复合材料不同材质界面的识别定位功能。本发明采用了差动测量方式，抗干扰能力强，适合在线工作。本发明的检测高度和频率均可由微处理器控制调整。通过将标定高度和频率录入微处理器，便可实现对多种不同工件的检测需要，操作简单，广泛适用。

附图说明

图1是本发明所检测的金属复合材料的结构示意图；

图中，图(a)为两种材料上下叠加的复合材料，(b)为两种材料前后拼接的复合材料。

图2是本发明的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，是本实施例的检测对象——电工元器件材料，这类复合材料由两种不同的非铁磁性金属薄层材料接合而成，其中，图(a)为两种材料上下叠加的复合材料，(b)为两种材料前后拼接的复合材料。

如图2所示，本实施例包括：可调信号发生模块4、光耦开关6、标准件电涡流探头7、被测件电涡流探头8、探头升降机构3、信号处理模块16、微处理器模块17、执行机构18，其中：

可调信号发生模块4产生频率可连续调整的电信号，并将信号分别传输给标准件电涡流探头7和被测件电涡流探头8；

标准件电涡流探头7、被测件电涡流探头8均与探头升降机构3相连，探头升降机构3负责控制两个探头的检测高度，两个探头将可调信号发生模块4输入的电信号转换为磁信号后发射到复合薄层材料表面，并接收返回来的信号；

信号处理模块16分别接收标准件电涡流探头7和被测件电涡流探头8输出的信号，对信号进行放大处理后将两路信号输入到减法器，若被测工件和标准件的材质相同则减法器没有输出；而当被测工件与标准件材质不同，减法器输出信号，经A/D转换，将信号送至微处理器模块17，使其控制后续执行机构动作18；

光耦开关6探测到传送带上的工件的位置，若到达预定位置，则输出一个开始探测信号到微处理器模块17；

微处理器模块17接收到光耦开关6发送过来的开始探测信号，则控制可调信号发生模块4向标准件电涡流探头7和被测件电涡流探头8发送信号，并控制执行机构18开始工作；

执行机构18为分选机构或加工机构，接收微处理器模块17的控制指令，对工件进行姿态调整或者定位加工。

所述可调信号发生模块4，其产生的信号可从1Hz到16.5MHz连续调整。

所述可调信号发生模块4，其产生的信号频率由检测试验标定，标定得到的频率使得复合材料中的两种金属的信号差异最大，提高探测灵敏度，而通过对各种材料标定探测频率便可以将本装置用于多种复合材料的检测中。

所述信号处理模块16，包括检测电路、标准电路、减法器14、A/D转换电路15，其中，标准电路包括第一交流电桥9、第一放大器11、双向限幅器13，检测电路包括第二交流电桥10、第二放大器12，第一交流电桥9和第二交流电桥10均能获知金属在电涡流效应下探头的阻抗变化，并将阻抗变化转化为电压信号，并将电压信号分别传输给第一放大器11和第二放大器12；第一放大器11和第二放大器12将两路电压信号分别放大相同倍数，之后，第一放大器11将信号输入到双向限幅器13，双向限幅器13消除由于两个探头性能的不对称带来的残余电压之后在输入减法器14，第二放大器12直接将信号输入到减法器14，若被测工件和标准件的材质相同则减法器14没有输出，而当被测工件与标准件材质不同，减法器14输出信号，经A/D转换电路15，将信号送至微处理器模块17。

所述标准件电涡流探头7、被测件电涡流探头8，其性能、探头高度和检测频率完全一致。

所述可调信号发生模块4，采用了AD9856可调频率正弦波发生芯片，其产生的信号可从1Hz到16.5MHz连续调整。可调信号发生模块4为定性测量装置，因此对电涡流探头精度要求不高。

所述标准件电涡流探头7和被测件电涡流探头8，其性能一致，探头直径为8mm，输出灵敏度为8V/mm，探测距离为20mm。

所述微处理器模块17，其采用AT89C2051单片机，以降低设备成本。

所述探头升降机构3以步进电机作为其驱动装置。

本实施例装置工作在识别状态下时，光耦开关6探测到传送带上的被测工件到达预定位置时，输出一个信号给微处理器模块17使其控制可调信号发生模块4向两个电涡流探头发送信号，探头开始探测工作。同时，微处理器模块17向传送带5发送信号，使其停止运动。由于复合材料被测区域上产生的电涡流效应，标准件电涡流探头7和被测件电涡流探头8的阻抗发生变化，而此阻抗的变化分别由第一交流电桥9和第二交流电桥10测得，由此得到的两路电压信号继而分别送至两路放大倍数相同的第一放大器11和第二放大器12进行放大。双向限幅器13很好地抑制了由于标准电路与检测电路的差异和两个探头性能的细小差别所产生的残余电压的干扰。在对如图1(a)所示的复合材料1进行检测时，若被测工件的上半部分金属材料与标准件上半部分金属材料的材质相同，则减法器14没有输出；当被测工件的上半部分金属材料与标准件上半部分金属材料的材质不同时，减法器14将输出一个差异信号。这个差异信号经A/D转换电路15处理，送至微处理器模块17，微处理器模块17输出一个控制信号至后续执行机构18，则执行机构(识别机构)动作调整传送带上工件姿态；而后传送带重新开启运动，检测设备等待下一次工件的到来。而若微处理器模块17未接收到差异信号，则传送带将开启，继续传送工件。

本实施例装置工作在定位状态下时，光耦开关6探测到传送带上的被测工件到达预定位置时，输出一个信号给微处理器模块17使其控制可调信号发生模块4向两个电涡流探头发送信号，探头开始探测工作。同时，微处理器模块17给传送带上的步进电机发送信号，使其控制传送带做高精度运动。此时电涡流探头对工件进行连续测量。对于如图1(b)所示的复合材料2进行检测时，由于复合材料界面两端的金属材料不同，当探头检测到界面位置时，信号处理模块输出的材质异同比较信号将产生突变，此时微处理器模块17便能识别出这个突变信息判断出此处即为界面位置，从而控制传送带停止传送运动同时执行机构18(加工机构)动作对该界面处进行加工处理。

与现有技术相比，本实施例可以检测非铁磁性金属的材质，特别是对图1所示的一类金属复合薄层材料的检测定位，而且其检测精度高，抗干扰能力强，可在线检测。

Claims (5)

1.一种电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，其特征在于，包括：可调信号发生模块、标准件电涡流探头、被测件电涡流探头、探头升降机构、信号处理模块、微处理器模块、执行机构、光耦开关，其中：

可调信号发生模块产生频率可连续调整的电信号，并将信号分别传输给标准件电涡流探头和被测件电涡流探头；

标准件电涡流探头、被测件电涡流探头均与探头升降机构相连，探头升降机构负责控制两个探头的检测高度，两个探头将可调信号发生模块输入的电信号转换为磁信号后发射到复合薄层材料表面，并接收返回来的信号；

信号处理模块分别接收标准件电涡流探头和被测件电涡流探头输出的信号，对信号进行放大处理后将两路信号输入到减法器，若被测工件和标准件的材质相同则减法器没有输出；而当被测工件与标准件材质不同，减法器输出信号，经A/D转换，将信号送至微处理器模块，使其控制后续执行机构动作；

光耦开关探测到传送带上的工件的位置，若到达预定位置，则输出一个开始探测信号到微处理器模块；

微处理器模块接收到光耦开关发送过来的开始探测信号，则控制可调信号发生模块向标准件电涡流探头和被测件电涡流探头发送信号，并控制执行机构开始工作；

执行机构为分选机构或加工机构，接收微处理器模块的控制指令，对工件进行姿态调整或者定位加工。

2.根据权利要求1所述的电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，其特征是，所述可调信号发生模块，其产生的信号频率由检测试验标定，标定得到的频率使得复合材料中的两种金属的信号差异最大，提高探测灵敏度。

3.根据权利要求1或2所述的电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，其特征是，所述可调信号发生模块，其产生的信号可在1Hz到16.5MHz之间连续调整。

4.根据权利要求1所述的电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，其特征是，所述信号处理模块，包括检测电路、标准电路、减法器、A/D转换电路，其中，标准电路包括第一交流电桥、第一放大器、双向限幅器，检测电路包括第二交流电桥、第二放大器，第一交流电桥和第二交流电桥均能获知金属在电涡流效应下探头的阻抗变化，并将阻抗变化转化为电压信号，并将电压信号分别传输给第一放大器和第二放大器；第一放大器和第二放大器将两路电压信号分别放大相同倍数，之后，第一放大器将信号输入到双向限幅器，双向限幅器消除由于两个探头性能的不对称带来的残余电压之后在输入减法器，第二放大器直接将信号输入到减法器，若被测工件和标准件的材质相同则减法器没有输出，而当被测工件与标准件材质不同，减法器输出信号，经A/D转换电路，将信号送至微处理器模块。

5.根据权利要求1所述的电涡流识别复合材料材质及其界面的设备，其特征是，所述标准件电涡流探头、被测件电涡流探头，其探头高度和检测频率完全一致。

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