CN102207487B - 金属材质特性快速鉴别仪系统 - Google Patents

Abstract

一种金属材质特性快速鉴别仪系统，是一套具有学习功能的金属材质特性快速鉴别仪系统，通过对各材料的幅值谱与相位谱数值曲线进行比较，以用于金属材质的特性或产品质量的检测。包括键盘、系统控制环节、信号发生环节、传感环节、信号检测环节以及显示环节六部分；本发明具有学习、存储、产生可控的数字调频激励信号、输出-输入相对幅值谱检测、输出-输入相位差谱检测以及整体控制分析功能，对所测金属材料的材质特性或其是否符合应用要求进行判断。本发明系统以单片机作为检测控制器，具有智能化特点。设备操作简便、处理速度快、安全可靠。可以无损检测金属材料的材质特性或判断产品是否合格。

Description

金属材质特性快速鉴别仪系统

技术领域

本发明涉及一种对金属材质的特性进行鉴别的系统，尤其涉及一种能检测金属材料或成品是否与标准样品材质特性相符合的系统。

背景技术

金属材料的性能主要分为：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能这四个性能。

现有的各种检测设备都是对金属材料的这四个性能进行单独的检测，而且大部分是属于破坏性的检测方式，得出了测试结果却破坏了材料的结构、特性等一些其他方面功能，使该材料不能够再继续使用，造成了材料的浪费；另一方面有些产品是复合结构(如电镀件)，各层不同的材质、厚度无法检测评价。

在金属材料特性检测方面，每次检测得到的结果都只是单一的产品，质检人员要知道产品是否合格，需要将检测结果与标准结果进行比对，这无疑降低了产品检测的效率以及检测结果的准确度。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明研制一套既能检测金属材料特性又能准确的反映产品质量的系统。

本发明内容是一套具有学习功能的金属材质特性快速鉴别仪系统，通过对各材料的幅值谱与相位谱数值曲线进行比较，以用于金属材质的特性或产品质量的检测。本发明金属材质特性快速鉴别仪系统具有学习、存储、产生可控的数字调频激励信号、输出-输入相对幅值谱检测、输出-输入相位差谱检测以及整体控制分析功能，对所测金属材料的材质特性或其是否符合应用要求进行判断。

本发明组成的原理为：根据每种具体材料拥有不同的胞粒结构，它们在不同的频率点展现的导电性与导磁性也不同。本发明系统本身在计算机的控制下可以产生连续等幅度的交变信号，信号通过输出激励线圈，在与激励线圈平面接触的金属材料上产生交变的电磁感应，由于金属材料的不同，其产生的磁场和反射的电流也各不相同，从而在与该金属材料紧密结合的检测线圈部分产生感应的交变磁场(幅度值与相位)也不同。激励信号源输出频率范围从0.01Hz-40MHz，提供宽带的测量频率覆盖面，根据金属材料性质的不同，在指定的特定的频带内，得出该金属材料的幅值谱与相位谱曲线也不尽相同。最后通过做出该设备测量的标准材料的特性曲线(经学习得到的)与被测对象的特性曲线的差值曲线，并通过相关分析得出相关系数，确定被测金属材料的性质是否与标准材料一致，以判断该产品的合格与否。

本发明的具体技术方案为：系统包括键盘、系统控制环节、信号发生环节、传感环节、信号检测环节以及显示环节六部分；所述的系统控制环节是整个系统的核心，包括两片C8051F020单片机，第一片单片机主要负责接收并分析键盘键入的键值，控制信号发生环节的工作，并向第二片单片机传送数据；第二片单片机通过串行通信的方式与第一片单片机连接并进行数据通讯，根据第一片单片机的数据选择是否进入学习功能，接收信号检测环节的数据并计算，最后将数据传送至显示环节，控制显示环节工作；

所述的信号发生环节提供标准测量频率；

所述的传感环节利用电涡流效应，制作了一个四端双线圈的电涡流传感器，输出线圈接入激励信号，在线圈中产生交变的磁场，当被测金属体与线圈平面接触时，在金属体内产生感应电涡流，与此同时该电涡流产生的磁场与原来的相叠加，在检测线圈上得到体现，产生感应电压；

所述的信号检测环节包括幅值谱检测环节和相位谱检测环节两个部分，分别对信号进行鉴相检测与鉴幅检测；

所述的显示环节为使用者提供有效地数据显示，方便使用者查看数据，通过与第二片单片机进行通信，将信号发生环节所产生的信号频率、是否是标准件以及经检测环节测量后的数据结果全部显示出来。

本发明系统的具体要求为：

激励信号源发生器的输出波形是连续可调的正弦波，通过单片机控制可以实现输出频率的粗调和细调，达到精确控制，保证输出的准确高精度。

激励信号源经由电压跟随器输出稳定的幅值电压，经过峰值检测电路检测出激励信号源的各频率点处的幅值。

通过由检测线圈与被测金属材料组成的电涡流传感器部分，得到一个反射交变磁场，检测该磁场产生的感应电压幅值与激励信号源电压幅值谱、激励源信号与该感应电压信号的各频率点相位差。

系统对激励(输出)信号与输入信号做输出输入有关计算，计算激励电压幅值与感应电压幅值的比值，并根据幅值比与相位差，做出各频率点的幅值谱特性曲线和相位谱特性曲线。

分别测出标准材料与被测材料的幅值谱差值特性曲线、相位谱差值特性曲线，并将两曲线的峰值和其对应的频率列出，并做出均方值，根据这些特征值对被测金属材料是否符合要求进行判断。

激励信号发生的实现方式为：

系统集合信号发生与采集功能于一体，原始的输出激励信号由系统内信号发生环节产生。具体方案如下：

1)由键盘输入，既可以输出一固定频率，又可以输出一个步进或步退的激励正弦信号。

2)将输出信号通过电压跟随器放大其输出功率，使其输出可以驱动检测元件的工作。

在所述的信号检测环节中，

1)相位谱检测环节

由于信号检测环节主要是由检测线圈与被测金属材料组成电涡流传感器构成，金属材料感应产生的感应交变磁场与激励线圈产生的磁场跌加，在检测线圈上产生感应电势。检测该电势时，会因为电涡流传感器的转换电路输入阻抗引起依频率变化产生附加相位移。因此，将检测线圈的输出接入电压跟随器，提高其输出阻抗，以消除负载干扰。将此信号和激励源信号分别经过一个由电阻电桥组成的分压结构，得出各自的相对零点电压以及相对于该零点电压的正弦信号，再经由比较器将该正弦的相位整理成方波，之后两方波通过一个异或门，将相位差异部分与相位相同部分统合成一个方波，这个方波的占空比，就是两个信号的相位差的数量化表现，经过积分电路，将该方波转换为电压输出，通过A/D转换送入第二片单片机中。

2)幅值谱检测环节

使用峰值保持电路检测信号的峰值电压，分别将激励源信号和感应信号的峰值检出，通过A/D转换将幅值送入第二片单片机中并由该片单片机计算出两幅值比。

本发明的有益效果是：研制的金属材质特性鉴别仪系统以单片机作为检测控制器，具有智能化特点。设备操作简便、处理速度快、安全可靠。可以无损检测金属材料的材质特性或判断产品是否合格。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的描述。

图1是检测仪系统框图。

图2是变频激励信号发生环节电路图。

图3是相位谱检测环节电路图。

图4是幅值谱检测环节电路图。

图5是检测仪系统工作状态原理图。

具体实施方式

下面结合实施例具体说明本发明。

本发明系统框图如图1所示，包括键盘，系统控制环节，信号发生环节，传感环节，信号检测转换环节(包括相位谱检测环节和幅值谱检测环节)，以及显示环节等六部分。

系统控制环节是整个系统的核心，包括两片C8051F020单片机，第一片单片机主要负责接收并分析键盘键入的键值，控制信号发生环节的工作，并向第二片单片机传送数据(包括频率和材料是否为标准材料)。第二片单片机通过串行通信的方式与第一片单片机连接并进行数据通讯，其主要功能是根据第一片单片机的数据选择是否进入学习功能，接收信号检测环节的数据并计算，最后将数据传送至显示环节，控制显示环节工作。

信号发生环节主要功能是提供标准测量频率，由于测量是根据不同的频率点上金属材料所反映出的特性不同而实现的。该环节具有输出带宽广，幅值固定，频率连续可调的特点。

传感环节利用电涡流效应，制作了一个四端双线圈的电涡流传感器，输出线圈接入激励信号，在线圈中产生交变的磁场，当被测金属体与线圈平面接触时，在金属体内产生感应电流，与此同时该电涡流产生的磁场与原来的相叠加，在检测线圈上得到体现，产生感应电压。

信号检测环节包括幅值谱检测环节和相位谱检测环节两个部分，分别对信号进行鉴相检测与鉴幅检测。选择扫频形式，充分考虑了金属在各频率点的变化。当系统在正弦信号的激励下，稳态时，检测信号与输入激励信号频率相同，其幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。

显示环节为使用者提供有效地数据显示，方便使用者查看数据。通过与第二片单片机进行通信，将信号发生环节所产生的信号频率、是否是标准件以及经检测环节测量后的数据结果全部显示出来。使用彩色显示屏，提高人机友好界面，加强数据显示的清晰度。

具体操作过程为：

(1)计量人员首先选择频率输出方式(固定频率输出或者是扫频形式输出)，通过键盘输入。

(2)将标准材料接近传感器，读取测量结果(幅值谱数值，相位谱数值)。

(3)换被检测材料，重复以上两步。

(4)对标准材料和被测材料的测量结果做相关计算，列出表格，以判断材质特性或产品质量。

表1为对铝箔材料频率特性检测及金属材料判断的实验结果，频率数据由系统决定，标准材料与被测材料的幅值比数据和相位差数据由系统采集计算直接给出结果，根据该结果，做出各项目的均方值，结果表明，不同材料之间的均方值差距是显著的(由于篇幅有限，在此只给出部分数据)。

表1铝箔材料频率特性检测及金属材料判断

(标准材料为铝箔板片，被测材料为覆铜板片)

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种金属材质特性快速鉴别仪系统，包括键盘、系统控制环节、信号发生环节、传感环节、信号检测环节以及显示环节六部分；所述的系统控制环节是整个系统的核心，包括两片单片机，第一片单片机主要负责接收并分析键盘键入的键值，控制信号发生环节的工作，并向第二片单片机传送数据；第二片单片机通过串行通信的方式与第一片单片机连接并进行数据通讯，根据第一片单片机的数据选择是否进入学习功能，接收信号检测环节的数据并计算，最后将数据传送至显示环节，控制显示环节工作；

所述的信号发生环节提供标准测量频率；

所述的传感环节利用电涡流效应，制作了一个四端双线圈的电涡流传感器，输出线圈接入激励信号，在线圈中产生交变的磁场，当被测金属体与线圈平面接触时，在金属体内产生感应电涡流，与此同时该电涡流产生的磁场与原来的相叠加，在检测线圈上得到体现，产生感应电压；

所述的信号检测环节包括幅值谱检测环节和相位谱检测环节两个部分，分别对信号进行鉴幅检测与鉴相检测；

所述的显示环节为使用者提供有效地数据显示，方便使用者查看数据，通过与第二片单片机进行通信，将信号发生环节所产生的信号频率、是否是标准件以及经信号检测环节测量后的数据结果全部显示出来；

其特征在于：本系统分别测出标准材料与被测材料的幅值谱差值特性曲线、相位谱差值特性曲线，并将两曲线的峰值和其对应的频率列出，并做出均方值，根据这些特征值对被测金属材料是否符合要求进行判断；

在相位谱检测环节，金属材料感应产生的感应交变磁场与输出线圈产生的磁场叠加，在检测线圈上产生感应电势，将检测线圈的输出接入电压跟随器，将此电压跟随器的输出信号和激励信号分别经过一个由电阻电桥组成的分压结构，得出各自的相对零点电压以及相对于该零点电压的正弦信号，再经由比较器将该正弦的相位整理成方波，之后两方波通过一个异或门，将相位差异部分与相位相同部分统合成一个方波，这个方波的占空比，就是两个信号的相位差的数量化表现，经过积分电路，将该方波转换为电压输出，通过A/D转换送入第二片单片机中；

在幅值谱检测环节，使用峰值保持电路检测信号的峰值电压，分别将激励信号和感应信号的峰值检出，通过A/D转换将幅值送入第二片单片机中并由该片单片机计算出两幅值比。

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