CN101949683A - 一种涡流位移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡流位移检测方法，包括步骤1.产生正弦激励信号：通过信号发生模块产生正弦激励信号U₀并将其输入涡流探头线圈模块；步骤2.产生响应信号：正弦激励信号输入涡流探头线圈模块后，根据电磁感应原理探测涡流探头线圈模块与被测对象位移变化时所引起的涡流探头模块阻抗的变化，得到响应信号并将其输入到响应信号分离模块；步骤3.响应信号分离：响应信号分离模块将响应信号分为第一路响应子信号和第二路响应子信号等步骤。本发明的有益效果是：可以通过一组涡流位移检测装置完成对多种材料的被测对象的位移检测，减少了标定次数，提高了涡流位移检测装置的互换性，降低了成本。

Description

一种涡流位移检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及涡流无损位移检测技术。

背景技术

涡流无损检测技术利用电磁感应原理实现检测、测量和评估。当一随时间谐变的电流输入位于一被测对象上方的探头线圈时，首先在线圈周围产生磁场，该磁场称为一级磁场。根据电磁感应原理，当被测对象与探头线圈之间的距离足够小时，在被测对象中产生涡流，该涡流也会产生一个磁场(二级磁场)，阻碍一级磁场的变化，从而引起线圈阻抗的变化。因为一级磁场和二级磁场的耦合作用与诸多因素有关：被测对象和线圈的距离、被测对象参数、检测频率等，因此该技术被开发成检测位移变化的涡流位移检测装置和评估被测对象内不连续性特征的无损检测系统。涡流位移检测装置因具有结构简单、测量范围宽、抗干扰能力强、不受油污污染等优势，在航空航天、输油管道、能源等部门的关键部件(水轮机、风力发电机或其它旋转机械)的振动性能监测或涂层厚度检测(飞机发动机叶片热障涂层、输油管道绝缘层等)中得到广泛应用。

但是根据前述涡流检测理论，现有的涡流位移检测方法的检测结果除了与被测对象表面和探头线圈模块的距离有关外，还与被测对象的电磁特性有关。因此对一种被测对象对应一次标定过程。因此当被测对象的电磁特性发生变化时，同一检测距离下位移检测方法的位移输出会因材料电磁特性的不同而不同。这种现象严重降低了涡流位移检测装置的互换性，限定了其使用范围。同时也大大增加了标定工作量，即每一个涡流位移检测装置都需要根据被测对象的电磁特性逐个标定。例如被测对象的材料为铝(Al)、铜(Cu)、1Cr18Ni9Ti、45#钢、2169#钢和A3#钢六种材料，那么现有的涡流位移检测方法则需要分别对每种材料对应的被测对象进行标定，因此需要分别设置六组涡流位移检测装置。

发明内容

为了克服现有的涡流位移检测装置的标定工作量大的缺点，提出了一种涡流位移检测方法，采用该方法的涡流位移检测装置可以匹配多种具有不同电磁特性的被测对象。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种涡流位移检测方法，包括步骤：步骤1.产生正弦激励信号：通过信号发生模块产生正弦激励信号U₀并将其输入涡流探头线圈模块；

步骤2.产生响应信号：正弦激励信号输入涡流探头线圈模块后，根据电磁感应原理探测涡流探头线圈模块与被测对象位移变化时所引起的涡流探头模块阻抗的变化，得到响应信号并将其输入到响应信号分离模块；

步骤3.响应信号分离：响应信号分离模块将响应信号分为第一路响应子信号和第二路响应子信号；

步骤4.响应信号的幅值差信号和相位差信号的提取；

步骤6.模数转换：对响应信号的幅值差信号和相位差信号进行模数转换得到幅值差信号和相位差信号的模拟量对应的数字量。

步骤7.计算得到涡流探头线圈的阻抗向量的实部和虚部；

步骤8.根据涡流探头线圈模块的阻抗向量Z₀计算得到被测对象的位移。

上述步骤(3)中第一路响应子信号V_inA和第二路响应子信号V_inB通过如下公式获得：

$V_{\mathrm{inA}}=\frac{-(R_b+j{X}_b)}{R_0+R_b+j{X}_b}{U}_0=A_{\mathrm{inA}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}})$

$V_{\mathrm{inB}}=-{\mathrm{IR}}_1=-\frac{R_1}{R_0+R_b+j{X}_b}{U}_0=A_{\mathrm{inB}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}});$

上述步骤4中响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的提取，通过如下公式得到：

$V_{\mathrm{MAG}}=\frac{\left|V_{\mathrm{inA}}\right|}{\left|V_{\mathrm{inB}}\right|}=\frac{|R_b+j{X}_b|}{R_1}=\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}$

V_PHS＝φ(V_inA)-φ(V_inB)；

上述步骤4中响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的提取，通过如下公式得到：

$V_{\mathrm{MAG}}=\frac{\left|V_{\mathrm{inA}}\right|}{\left|V_{\mathrm{inB}}\right|}=\frac{|R_b+j{X}_b|}{R_1}=\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}$

V_PHS＝φ(V_inA)-φ(V_inB)；

上述步骤7中涡流探头线圈的阻抗向量Z₀的实部R_b和虚部X_b通过如下公式得到：

$Z_0=R_b+j{X}_b=R_1\frac{V_{\mathrm{inA}}}{V_{\mathrm{inB}}}=R_1\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}})+j{R}_1\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}\sin ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}});$

上述步骤8具体实现过程包括：步骤81：通过实验方法得到涡流探头线圈模块的等效阻抗Z_pj与位移l_j之间的函数关系F()；步骤82：通过涡流探头线圈模块阻抗模块在任一被测对象下得到的阻抗向量Z_ij的实部R_b和虚部X_b计算得到其等效阻抗向量Z_pj，然后将等效阻抗向量Z_pj带入位移l_j和等效阻抗向量Z_pj的函数关系F()进行逆运算得到所位移l_j。

本发明的有益效果：本发明将通过涡流探头线圈模块阻抗计算模块提取的实部R_b和虚部X_b数据进行矢量投影法处理，消除涡流位移检测装置测量中被测对象电磁特性影响，得到与被测对象电磁特性无关的涡流位移检测装置。因此可以通过一组涡流位移检测装置完成对多种材料的被测对象的位移检测，减少了标定次数，提高了涡流位移检测装置的互换性，降低了成本。

附图说明

图1是本发明的主流程图。

图2是本发明的主结构原理图。

图3是本发明响应信号分离模块的结构原理图。

图4是本发明阻抗向量和位移关系模型坐标图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如图1和图2所示，公开了本发明的一种涡流位移检测方法的具体实施例，包括：

步骤1.产生正弦激励信号U₀：通过信号发生模块产生正弦激励信号U₀并将其输入涡流探头线圈模块，U₀由公式(1)表达，

U₀＝A₀cos(ωt+φ₀)             公式(1)

公式(1)中，U₀是正弦激励信号、A₀是正弦激励信号的幅值、ω是角频率、t是时间变量、φ₀是正弦激励信号的初始相位，其中A₀和ω为预先设定的已知量；φ₀为测定得到的已知量。

本实施例中信号发生模块包括了控制芯片、带通滤波器和信号传输电缆，控制芯片产生方波信号，通过带通滤波器，滤掉方波信号中高频奇次谐波信号，得到需要的正弦激励信号，通过信号传输电缆传输到涡流探头线圈模块中。在本实施例中控制芯片、带通滤波器和信号传输电缆具体可以分别采用MSP430F169型号的控制芯片、π型巴特沃斯的带通滤波器和高频传输电缆。

步骤2.产生响应信号：正弦激励信号输入涡流探头线圈模块后，根据电磁感应原理探测涡流探头线圈模块与被测对象位移变化时所引起的涡流探头模块阻抗的变化，得到响应信号并将其输入到响应信号分离模块；

步骤3.响应信号分离：响应信号分离模块通过如下公式(2)和公式(3)将响应信号分为第一路响应子信号和第二路响应子信号，

$V_{\mathrm{inA}}=\frac{-(R_b+j{X}_b)}{R_0+R_b+j{X}_b}{U}_0=A_{\mathrm{inA}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}})$ 公式(2)

$V_{\mathrm{inB}}=-{\mathrm{IR}}_1=-\frac{R_1}{R_0+R_b+j{X}_b}{U}_0=A_{\mathrm{inB}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}})$ 公式(3)

公式(2)中，V_inA是第一路响应子信号、R_b是涡流探头线圈模块的阻抗的实部、jX_b是涡流探头线圈模块的阻抗的虚部、R₀是信号发生模块的内阻、A_inA是第一路响应子信号的幅值、φ_inA是第一路响应子信号的初始相位；公式(3)中，V_inB是第二路响应子信号、I是第二路响应子信号对应的电流值，R₁是第二路响应子信号对应的等效电阻、A_inB是第二路响应子信号的幅值、φ_inB是第二路响应子信号的初始相位。式中U₀、ω和R₀为已知量；A_inB、A_inA、φ_inA和φ_inB为可测定量；R₁为预设量；R_b和jX_b未知量。

如图3所示，响应信号分离模块将响应信号分为两路，一路经过电压跟随器和反相器后得到第一路响应子信号V_inA，另一路经过并联的电阻R₁和电流/电压转换器后再经过电压跟随器后得到第二路响应子信号V_inB。

步骤4.响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的提取：通过如下公式(4)和公式(5)提取幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS，

$V_{\mathrm{MAG}}=\frac{\left|V_{\mathrm{inA}}\right|}{\left|V_{\mathrm{inB}}\right|}=\frac{|R_b+j{X}_b|}{R_1}=\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}$ 公式(4)

V_PHS＝φ(V_inA)-φ(V_inB)            公式(5)；

步骤5.滤波：对响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS进行滤波处理，从响应信号的幅值差信号和相位差信号提取模块获得的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS是直流电压信号，通过直流滤波电路滤除直流电压信号中的畸变信号，减小干扰信号，使电路输出的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS更为平滑；本步骤为可选步骤。

步骤6.模数转换：对响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS进行模数转换得到幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的模拟量对应的数字量。

利用两路模/数转换器，分别将滤波模块中的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的模拟量转化为数字量，供微处理器进行后续的数据处理。

步骤7.计算得到涡流探头线圈的阻抗向量Z₀的实部R_b和虚部X_b：得到幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的数字量后，通过如下公式得到实部R_b和虚部X_b，

通过步骤3的公式(2)除以公式(3)推导出如下公式(6)和公式(7)，

$\frac{V_{\mathrm{inA}}}{V_{\mathrm{inB}}}=\frac{R_b+j{X}_b}{R_1}=\frac{A_{\mathrm{inA}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}})}{A_{\mathrm{inB}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}})}$ 公式(6)

$Z_0=R_b+j{X}_b=R_1\frac{V_{\mathrm{inA}}}{V_{\mathrm{inB}}}=R_1\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}})+j{R}_1\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}\sin ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}})$ 公式(7)

步骤8.根据涡流探头线圈模块的阻抗向量Z₀计算得到被测对象的位移。其具体实现过程包括：

步骤81：通过实验方法得到涡流探头线圈模块的等效阻抗Z_pj与位移l_j之间的函数关系。

本发明将通过涡流探头线圈模块阻抗计算模块提取的实部R_b和虚部X_b数据进行矢量投影法处理，消除涡流位移检测装置测量中被测对象电磁特性影响，得到与被测对象电磁特性无关的涡流位移检测装置。矢量投影法消除涡流位移检测装置测量中被测对象电磁特性影响的方法原理如图4所示，i和j均为自然数，其中i的取值范围为1，2，3……n，本实施例中n取值6，j为1，2，3……m，本实施例中m取值15，i代表实验过程中具有不同电磁特性的被测对象的组数，j代表实验过程中所取不同位移的组数；l_j代表第j组位移，Z_ij代表在第j组位移下第i种被测对象下涡流探头线圈模块的阻抗向量，此处Z_ij＝Z₀。

图中坐标系中，阻抗向量Z_ij的实部R_b表示坐标系的横坐标，阻抗向量Z_ij的虚部X_b表示坐标系的纵坐标。经过实验，我们发现在同一组位移l_j下具有不同电磁特性的被测对象的阻抗向量Z_ij在矢量坐标图种满足线性关系(实际测试过程中只是近似满足这种线性关系，但在建立该模型和模型计算过程中则认为完全满足这种线性关系)，即可以通过一条斜率直线将阻抗向量Z_ij连接起来。通过原点并且与位移l_j对应的斜率直线垂直的直线在本坐标中被定义为投影平面P，位移l_j对应的斜率直线在投影平面P上的投影被定义为投影阻抗向量Z_p(l_j)，位移l_j对应的斜率直线与纵坐标X_b的交点被定义为等效阻抗向量Z_pj，阻抗向量Z_ij与横坐标R_b的夹角被定义为阻抗向量Z_ij的相位角φ_ij，投影平面P与横坐标轴R_b的夹角被定义为夹角θ。

由图可知，阻抗向量Z_ij与投影阻抗向量Z_p(l_j)的关系如公式(8)，

公式(8)

同理，投影阻抗向量Z_p(l_j)与等效阻抗向量Z_pj的关系如公式(9)，

Z_p(l_j)＝Z_pjcos(θ-90°)          公式(9)

联合公式(8)和公式(9)，可得到如下公式(10)，

上述公式中θ值的具体计算过程是采用最小二乘法加黄金分割法对同一位移、不同电磁特性的被测对象的阻抗向量Z_ij进行拟和得到斜率直线从而计算得到θ值，由于最小二乘法加黄金分割法是现有的数学拟合计算的常用方法，因此不再详细描述。

从图中可知，位移l_j和等效阻抗向量Z_pj存在一一对应的关系，即在同一位移l_j下，不同电磁特性的被测对象的阻抗向量Z_ij所对应的等效阻抗向量Z_pj是相同的，因此可以建立位移l_j和等效阻抗向量Z_pj的函数关系，本实施例中，位移l_j可以取值15组，通过上述公式(10)可以推导得出15组等效阻抗向量Z_pj，将这15组位移l_j和等效阻抗向量Z_pj的数据进行拟合，得到位移l_j和等效阻抗向量Z_pj的函数关系F()，这种函数关系和拟合算法相关，如公式(11)。

Z_pj＝F(l_j)           公式(11)

通过这种方法，同一位移、不同电磁特性的被测对象的阻抗向量Z_ij可以被等效到同一个等效阻抗向量Z_pj，从而消除了因被测对象不同电磁特性对测量结果造成的影响，实现了一次标定条件下检测多种材料。建立如公式(11)的函数关系后，如果已知等效阻抗向量Z_pj就可以准确的得到被测对象的位移l_j，这就是本发明实现位移检测的基本原理。

步骤82：通过涡流探头线圈模块阻抗模块在任一被测对象下得到的阻抗向量Z_ij的实部R_b和虚部X_b经过公式(10)计算得到其等效阻抗向量Z_pj，然后将等效阻抗向量Z_pj带入公式(11)的位移l_j和等效阻抗向量Z_pj的函数关系F()进行逆运算得到所位移l_j。

步骤9.位移l_j非线性校正：根据等效阻抗向量Z_pj与位移l_j的非线性关系，对被测对象位移进行非线性校正得到精确的位移值。本步骤为可选步骤，并且可以通过现有的方法进行实施，因此不再详细描述。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种涡流位移检测方法，其特征在于，包括：

步骤1.产生正弦激励信号：通过信号发生模块产生正弦激励信号U₀并将其输入涡流探头线圈模块；

步骤2.产生响应信号：正弦激励信号输入涡流探头线圈模块后，根据电磁感应原理探测涡流探头线圈模块与被测对象位移变化时所引起的涡流探头模块阻抗的变化，得到响应信号并将其输入到响应信号分离模块；

步骤3.响应信号分离：响应信号分离模块将响应信号分为第一路响应子信号和第二路响应子信号；

步骤4.响应信号的幅值差信号和相位差信号的提取；

步骤6.模数转换：对响应信号的幅值差信号和相位差信号进行模数转换得到幅值差信号和相位差信号的模拟量对应的数字量。

步骤7.计算得到涡流探头线圈的阻抗向量的实部和虚部；

步骤8.根据涡流探头线圈模块的阻抗向量Z₀计算得到被测对象的位移。

2.根据权利要求1所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，在步骤(4)和步骤(6)之间还包括：

步骤5.滤波：对响应信号的幅值差信号和相位差信号进行滤波处理，从响应信号的幅值差信号和相位差信号提取模块获得的幅值差信号和相位差信号是直流电压信号，通过直流滤波电路滤除直流电压信号中的畸变信号，减小干扰信号，使电路输出的幅值差信号和相位差信号更为平滑。

3.根据权利要求1或2所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，在步骤(8)之后还包括：

步骤9.位移非线性校正：根据等效阻抗向量与位移的非线性关系，对被测对象位移进行非线性校正得到精确的位移值。

4.根据权利要求1所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，在步骤(3)中第一路响应子信号V_inA和第二路响应子信号V_inB通过如下公式获得：

$V_{\mathrm{inA}}=\frac{-(R_b+j{X}_b)}{R_0+R_b+j{X}_b}{U}_0=A_{\mathrm{inA}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}})$

$V_{\mathrm{inB}}=-{\mathrm{IR}}_1=-\frac{R_1}{R_0+R_b+j{X}_b}{U}_0=A_{\mathrm{inB}}\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}});$

5.根据权利要求1所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，步骤4中响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的提取，通过如下公式得到：

$V_{\mathrm{MAG}}=\frac{\left|V_{\mathrm{inA}}\right|}{\left|V_{\mathrm{inB}}\right|}=\frac{|R_b+j{X}_b|}{R_1}=\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}$

V_PHS＝φ(V_inA)-φ(V_inB)；

6.根据权利要求1所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，步骤4中响应信号的幅值差信号V_MAG和相位差信号V_PHS的提取，通过如下公式得到：

$V_{\mathrm{MAG}}=\frac{\left|V_{\mathrm{inA}}\right|}{\left|V_{\mathrm{inB}}\right|}=\frac{|R_b+j{X}_b|}{R_1}=\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}$

V_PHS＝φ(V_inA)-φ(V_inB)；

7.根据权利要求1所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，步骤7中涡流探头线圈的阻抗向量Z₀的实部R_b和虚部X_b通过如下公式得到：

$Z_0=R_b+j{X}_b=R_1\frac{V_{\mathrm{inA}}}{V_{\mathrm{inB}}}=R_1\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}})+j{R}_1\frac{A_{\mathrm{inA}}}{A_{\mathrm{inB}}}\sin ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inA}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{inB}});$

8.根据权利要求1所述的一种涡流位移检测方法，其特征在于，步骤8具体实现过程包括：步骤81：通过实验方法得到涡流探头线圈模块的等效阻抗Z_pj与位移l_j之间的函数关系F()；步骤82：通过涡流探头线圈模块阻抗模块在任一被测对象下得到的阻抗向量Z_ij的实部R_b和虚部X_b计算得到其等效阻抗向量Z_pj，然后将等效阻抗向量Z_pj带入位移l_j和等效阻抗向量Z_pj的函数关系F()进行逆运算得到所位移l_j。

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