CN101839966A - 一种测量圆柱体导体材料多参数的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种测量圆柱体导体材料多参数的装置及其方法，涉及电磁参数测量技术领域，具体指一种利用涡流检测技术原理，检测圆柱体导体材料多参数的装置及其方法。装置包括信号发生器(1)、频率计(2)、电流表(A)、电压表(V)、相位表(

)，工作线圈(A1)、调零线圈(A2)和补偿线圈(A3)及经与其连接的数据卡(3)和计算机(4)作电信号的方式连接构成。根据欧姆定理和圆柱形导体的磁场渗透公式，得到空载时的工作线圈内的磁流

和插入圆柱导体以后圆柱导体横截面上渗透的磁流

；利用贝塞尔公式推导公式得

等关系式。进行电路调整和调整后把被测件放入工作线圈(A1)中等操作并经数据卡和计算机的运算获得相关的检测参数。

Description

一种测量圆柱体导体材料多参数的装置及其方法

技术领域

本发明涉及电磁参数测量技术领域，具体指一种利用涡流检测技术原理，测量圆柱体导体材料多参数的装置及其方法。

背景技术

目前采用涡流检测技术的测量仪器，只能进行产品的单一参数的测量，如磁导率μ或电导率σ，然后通过这个单一参数对产品进行分析、研究和选材。但是，有些不同的物质材料却具有相同的某一种参数值，那么，对于这些材料，通过现有的涡流检测方法是无法加以区分的。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术存在的缺失，而提出一种利用涡流检测技术原理的装置可用于多参数的测量，即通过本装置可同时检测多项参数。

本发明一种测量圆柱体导体材料多参数的装置(如附图1所示)，包括信号发生器、频率计、电流表、电压表、相位表，工作线圈、调零线圈和补偿线圈及经与其连接的数据卡和计算机作电信号的方式连接构成。

其中，工作线圈，调零线圈和补偿线圈是三个完全相同的线圈；AI.0，AI.1引脚为数据卡模拟输入口，AO.0为模拟输出口。

本发明基于下述工作原理：

根据欧姆定理和圆柱形导体的磁场渗透公式，得到空载时的工作线圈内的磁流Φ₀和插入圆柱导体以后圆柱导体横截面上渗透的磁流Φ₂

分别为：

${\mathrm{\Φ}}_0=B_{0}S={\mathrm{\μ}}_0{H}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\Φ}}_2=\underset{s}{\∫}\mathrm{B\; ds}---\left(2\right)$

其中：B₀-空载时工作线圈内的磁感应强度；

      H₀-插入圆柱导体时圆柱导体体外的磁场强度；

      α_π-装置工作线圈的半径；

      μ₀-真空磁导率，4π×10^-7H/m；

      B-插入圆柱导体时圆柱导体横截面上的磁感应强度；

      S-导体横截面积；

利用贝塞尔公式推导公式(2)，可得：

${\mathrm{\Φ}}_2=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}{H}_{0}2\mathrm{\π\α}}{K}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(3\right)$

用Φ₂除以Φ₀，得到：

$\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_0}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}{H}_{0}2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{K\α}{\mathrm{\μ}}_0{H}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}\frac{2}{\mathrm{K\α}}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(4\right)$

其中：η-填充系数，其表达式为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2}---\left(5\right)$

令 $m=\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}}=\frac{2}{\mathrm{K\α}}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(6\right)$

则m的振幅M和相角

有下面的关系表达式：

$M=\frac{2}{X}\sqrt{\frac{{\left({\mathrm{bei}}_{1}X\right)}^2+{\left({\mathrm{ber}}_{1}X\right)}^2}{{\left({\mathrm{Bei}}_{0}X\right)}^2+{\left({\mathrm{ber}}_{0}X\right)}^2}}---\left(7\right)$

公式(7)，(8)中含有参数X的零阶和一阶开尔文函数ber₀x，bei₀x，ber₁x，bei₁x，

其中： $X=\mathrm{\α}\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\σf}}---\left(9\right)$

和f-磁场频率；

为了计算的准确、方便，建立M、与X的关系(如图2和图3所示)；进而根据公式(7)(8)把M和

的依属关系绘制成表1(范围为0≤x≤6，间距为0.2)。

表1：M、

与X的关系对照表

由公式(6)可知M的表达式为：

$M=\frac{E_2}{E_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}}---\left(10\right)$

其中：E₂-工作线圈的电动势；

      E₀-在空载情况下补偿线圈的电动势。

本发明的检测方法：

基于工作线圈，调零线圈和补偿线圈三个是完全相同的线圈，即它们线圈的匝数和绕制方式完全相同。

因此，在测量的时候，从补偿线圈的次级线圈上获得的电动势E₀等于在其空载时候的工作线圈次级线圈末端的电动势。电压表V₂测电动势E₂，调零线圈次级线圈中的E_K＝E₁；相位计是用来测量电动势E₀和E₂之间的相角。

并作如下操作：

A.在工作开始前，调整电路：

首先在工作线圈空载的时候调节调零线圈次级线圈的圈数，直到电压表V₂显示的值E₂₀为：

E₂₀＝4.44f·W_H∏α²μ₀H₀    (11)

式中：W_H-测量线圈的圈数；

H₀-在空载情况下的磁场强度。

B.电路调整以后，把被测件放入工作线圈中，在调零之后，电压表V₂很快测定电动势E₂，而相位计则用来测量参数M(也就是电动势E₂)的相角

C.测量相位

电动势E₂和E₀值的目的是为了测定导磁率μ_γ。

根据与X的关系(图3所示)可求出总参数X，之后根据M与X的关系(图2所示)可确定参数M。

D.接着，根据公式(10)推导出μ_γ，即：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{E_2}{E_0\mathrm{\ηM}}---\left(12\right)$

进而由公式(9)确定样品相对电导率σ的值，即

$\mathrm{\σ}=\frac{X^2}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}f}---\left(13\right)$

通过编程，由程序运算得到导磁率μ_γ和电导率σ的结果通过计算机显示。

综上所述，通过本发明的检测装置，可以直接检测圆柱形导体的多个参数，而且还可以把现有的多种单机所实现的不同功能汇聚于一台仪器，既减少了多台仪器联合测量所带来的因多次装夹造成的测量误差，也节省了多台仪器所占有的空间以及测量成本。

附图说明

图1为本发明装置电路原理图；

图2为M与X的关系曲线图；

图3为

与X的关系曲线图；

图4为数据卡6251的引脚图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

本发明一种测量圆柱体导体材料多参数的装置(如附图1所示)，包括信号发生器1、频率计2、电流表A、电压表V、相位表

工作线圈A1、调零线圈A2和补偿线圈A3及经其连接的数据卡3和计算机4作电信号方式的连接构成；

其中，工作线圈A1，调零线圈A2和补偿线圈A3是三个完全相同的线圈，即它们线圈的匝数和绕制方式完全相同；

AI.0，AI.1引脚为数据卡3模拟输入口，AO.0引脚为模拟输出口。

所述的一种测量圆柱体导体材料多参数的装置，其中，所述的信号发生器1为一正弦波发生器，数据卡3为-NI-6251。

所述的信号发生器1和频率计2由使用软件LabVIEW的图形编程G语言编程计算机仿真实现与数据卡3NI-6251输出。

本发明一种测量圆柱体导体材料多参数的测量方法，根据欧姆定理和圆柱形导体的磁场渗透公式，得到空载时的传感器线圈内的磁流Φ₀和插入圆柱导体以后圆柱导体横截面上渗透的磁流Φ₂

分别为：

${\mathrm{\Φ}}_0=B_{0}S={\mathrm{\μ}}_0{H}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\Φ}}_2=\underset{s}{\∫}\mathrm{B\; ds}---\left(2\right)$

其中：B₀-空载时工作线圈A1内的磁感应强度；

H₀-插入圆柱导体时圆柱导体体外的磁场强度；

α_π-装置工作线圈A1的半径；

μ₀-真空磁导率，4π×10^-7H/m；

B-插入圆柱导体时圆柱导体横截面上的磁感应强度；

S-导体横截面积；

利用贝塞尔公式推导公式(2)，可得：

${\mathrm{\Φ}}_2=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}{H}_{0}2\mathrm{\π\α}}{K}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(3\right)$

用Φ₂除以Φ₀，得到：

$\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_0}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}{H}_{0}2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{K\α}{\mathrm{\μ}}_0{H}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}\frac{2}{\mathrm{K\α}}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(4\right)$

其中：η-填充系数，其表达式为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2}---\left(5\right)$

令 $m=\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}}=\frac{2}{\mathrm{K\α}}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(6\right)$

则m的振幅M和相角有下面的关系表达式：

$M=\frac{2}{X}\sqrt{\frac{{\left({\mathrm{bei}}_{1}X\right)}^2+{\left({\mathrm{ber}}_{1}X\right)}^2}{{\left({\mathrm{Bei}}_{0}X\right)}^2+{\left({\mathrm{ber}}_{0}X\right)}^2}}---\left(7\right)$

公式(7)，(8)中含有参数X的零阶和一阶开尔文函数ber₀x，bei₀x，ber₁x，bei₁x，

其中： $X=\mathrm{\α}\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\σf}}---\left(9\right)$

和f-磁场频率；

为了计算的准确、方便，建立M、与X的关系；

进而根据公式(7)(8)设定范围为0≤x≤6，间距为0.2，把M和

的依属关系绘制成如下表：

由公式(6)可知M的表达式为：

$M=\frac{E_2}{E_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}}---\left(10\right)$

其中：E₂-工作线圈A1的电动势；

      E₀-在空载情况下补偿线圈A3的电动势；

所述的检测方法还包括：

基于工作线圈A1，调零线圈A2和补偿线圈A3三个是完全相同的线圈，即它们线圈的匝数和绕制方式完全相同；

因此，在测量的时候，从补偿线圈A3的次级线圈上获得的电动势E₀等于在其空载时候的工作线圈A1次级线圈末端的电动势；电压表V₂测电动势E₂，调零线圈A2次级线圈中的E_K＝E₁；

相位计

是用来测量电动势E₀和E₂之间的相角；

并作如下操作：

B.在工作开始前，调整电路：

首先在工作线圈A1空载的时候调节调零线圈A2次级线圈的圈数，直到电压表V₂显示的值E₂₀为：

E₂₀＝4.44f·W_H∏α²μ₀H₀            (11)

式中：W_H-调零线圈A2次级线圈的圈数；

      H₀-在空载情况下的磁场强度。

B.电路调整以后，把被测件放入工作线圈A1中，在调零之后，电压表V₂很快测定电动势E₂，而相位计

则用来测量参数M，即电动势E₂的相角

C.为测定导磁率μ_γ，则需测量相位电动势E₂和E₀值；

根据

与X的关系可求出总参数X，又根据M与X的关系，可确定参数M；

D.接着，根据公式(10)推导出μ_γ，即：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{E_2}{E_0\mathrm{\ηM}}---\left(12\right)$

进而由公式(9)确定样品相对电导率σ的值，即

$\mathrm{\σ}=\frac{X^2}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}f}---\left(13\right)$

通过编程，由程序运算可以从前面板得到导磁率μ_γ和电导率σ数据。

附图中的正弦信号发生器1和频率计2由计算机仿真，使用虚拟仪器软件LabVIEW的图形编程G语言编程实现，然后通过美国国家仪器公司NI的数据卡3输出(如附图4所示)。

Claims (3)

1.一种测量圆柱体导体材料多参数的装置，其特征是，包括信号发生器(1)、频率计(2)、电流表(A)、电压表(V)、相位表(

)，工作线圈(A1)、调零线圈(A2)和补偿线圈(A3)及经与其连接的数据卡(3)和计算机(4)作电信号方式的连接构成；

所述的工作线圈(A1)，调零线圈(A2)和补偿线圈(A3)是三个完全相同的线圈，即它们线圈的匝数和绕制方式完全相同；

AI.0，AI.1引脚为数据卡(3)模拟输入口，AO.0引脚为模拟输出口。

2.如权利要求1所述的一种测量圆柱体导体材料多参数的装置，其特征是，所述的信号发生器(1)为一正弦波发生器，数据卡(3)为-NI-6251；

其中，信号发生器(1)和频率计(2)由使用软件LabVIEW的图形编程G语言编程计算机仿真实现经数据卡(3)NI-6251输出。

3.如权利要求1所述的一种测量圆柱体导体材料多参数的测量方法，其特征是，根据欧姆定理和圆柱形导体的磁场渗透公式，得到空载时的工作线圈(A1)内的磁流Φ₀和插入圆柱导体以后圆柱导体横截面上渗透的磁流Φ₂分别为：

${\mathrm{\Φ}}_0=B_{0}S={\mathrm{\μ}}_0{H}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\Φ}}_2=\underset{s}{\∫}\mathrm{B\; ds}---\left(2\right)$

其中：B₀-空载时工作线圈(A1)内的磁感应强度；

      H₀-插入圆柱导体时圆柱导体体外的磁场强度；

      α_π-装置工作线圈(A1)的半径；

μ₀-真空磁导率，4π×10^-7H/m；

B-插入圆柱导体时圆柱导体横截面上的磁感应强度；

S-导体横截面积；

利用贝塞尔公式推导公式(2)，可得：

${\mathrm{\Φ}}_2=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}{H}_{0}2\mathrm{\π\α}}{K}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(3\right)$

用Φ₂除以Φ₀，得到：

$\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_0}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}{H}_{0}2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{K\α}{\mathrm{\μ}}_0{H}_0\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}\frac{2}{\mathrm{K\α}}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(4\right)$

其中：η-填充系数，其表达式为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\π}}^2}---\left(5\right)$

令 $m=\frac{{\mathrm{\Φ}}_2}{{\mathrm{\Φ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}}=\frac{2}{\mathrm{K\α}}\·\frac{I_1\left(\mathrm{K\α}\right)}{I_0\left(\mathrm{K\α}\right)}---\left(6\right)$

则m的振幅M和相角有下面的关系表达式：

$M=\frac{2}{X}\sqrt{\frac{{\left({\mathrm{bei}}_{1}X\right)}^2+{\left({\mathrm{ber}}_{1}X\right)}^2}{{\left({\mathrm{Bei}}_{0}X\right)}^2+{\left({\mathrm{ber}}_{0}X\right)}^2}}---\left(7\right)$

公式(7)，(8)中含有参数X的零阶和一阶开尔文函数ber₀x，bei₀x，ber₁x，bei₁x，

其中： $X=\mathrm{\α}\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\σf}}---\left(9\right)$

和f-磁场频率；

为了计算的准确、方便，建立M、

与X的关系；

进而根据公式(7)(8)设定范围为0≤x≤6，间距为0.2，把M和

的依属关系绘制成如下表：

由公式(6)可知M的表达式为：

$M=\frac{E_2}{E_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\η}}---\left(10\right)$

其中：E₂-工作线圈(A1)的电动势；

      E₀-在空载情况下补偿线圈(A3)电动势；

所述的检测方法还包括：

基于工作线圈(A1)，调零线圈(A2)和补偿线圈(A3)三个是完全相同的线圈，即它们线圈的匝数和绕制方式完全相同；

因此，在测量的时候，从补偿线圈(A3)的次级线圈上获得的电动势E₀等于在其空载时候的工作线圈(A1)次级线圈末端的电动势；电压表(V2)测电动势E₂，调零线圈(A2)次级线圈中的E_K＝E₁；

相位计

是用来测量电动势E₀和E₂之间的相角；

并作如下操作：

A.在工作开始前，调整电路：

首先在工作线圈(A1)空载的时候调节调零线圈(A2)次级线圈的圈数，直到电压表V₂显示的值E₂₀为：

E₂₀＝4.44f·W_H∏α²μ₀H₀(11)

式中：W_H-调节调零线圈(A2)次级线圈的圈数；

      H₀-在空载情况下的磁场强度。

B.电路调整以后，把被测件放入工作线圈(A1)中，在调零之后，电压表V₂很快测定电动势E₂，而相位计

则用来测量参数M，即电动势E₂的相角

C.为测定导磁率μ_γ，则需测量相位

电动势E₂和E₀值；

根据

与X的关系可求出总参数X，又根据M与X的关系，可确定参数M；

D.接着，根据公式(10)推导出μ_γ，即：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{E_2}{E_0\mathrm{\ηM}}---\left(12\right)$

进而由公式(9)确定样品相对电导率σ的值，即

$\mathrm{\σ}=\frac{X^2}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}f}---\left(13\right)$

通过编程，由程序运算得到导磁率μ_γ和电导率σ的结果通过计算机显示。

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