CN104913716B - 一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法及装置，检测装置包括信号发生模块、探头、信号处理模块、信号采集模块、反演模块和输出模块，反演模块通过信号采集模块采集到的电压信号反演计算出被测件的涂层厚度和电导率。本发明可以实现涂层厚度与电导率的同时测量，检测装置结构简单，具有很好的便携性；检测方法在提高涡流检测精度的同时，降低了厚度反演方法的难度，简化了反演流程，反演算法程序简单明了，易于实现，检测精度较高，提高了检测效率。

Description

一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法及装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法及装置。

背景技术

涂层技术已广泛应用在航空航天、核工业、石油化工、船舶制造、医疗器械等各领域的各种设备和关键零部件上，它可以保证设备、关键零部件能够在恶劣的环境下有效地工作，为国民经济和国防部门的各种重要装备提供防护。随着科学技术的迅速发展，涂层材料的结构越来越复杂，使得涂层材料的电磁特性发生较大变化，尤其是复合材料的电导率发生明显变化。电导率的分布情况则会直接地反映出涂层材料的均匀性，涂层材料的不均匀性则会对其整体性能产生影响。同时，在涂层厚度测量过程中，电导率的差异将会直接影响其检测结果。因此，为确保涂层材料能够具有稳定的性能，需要在对其厚度测量的同时对其电导率进行定量测量。

涡流无损检测技术，作为五大无损检测技术之一，在航空航天、轨道交通、石油天然气管道、清洁能源等的关键零部件的检测与评估中得到日益广泛的应用。根据涡流检测理论，在涡流探头线圈结构固定和激励频率一定的情况下，被测对象表面的厚度及电导率将会影响被测对象中涡流引起的二级磁场的强度，从而影响耦合磁感应强度。涡流检测技术就是通过上述原理建立被测涂层厚度以及电导率与耦合磁场强度之间的拟合函数关系，通过反演求解，从而完成对涂层厚度以及电导率的检测。由于材料的复杂性以及导电涂层厚度太薄对涂层的厚度以及电导率的精确检测有较多问题尚待解决。

目前导电涂层厚度的涡流检测技术主要针对单层导电薄板、导电基体上的非导电涂层、单层导电涂层厚度检测，国内外已经有了相对成熟可行的方法，并成功的应用的实际工程中去。然而，已有的检测方法是在已知电导率的情况下对导电涂层的厚度进行定量检测。针对未知电导率下的导电涂层厚度检测技术的研究较少，对单涂层厚度和电导率同时检测的方法的相关报道也较少，国内外也没有相关成熟的工程应用。

针对该问题，Hung-Chi Yang，Cheng-Chi Tai和James H.Rose等人提出了基于脉冲涡流检测方法对导电基体上导电涂层的厚度与电导率进行测量。该方法通过提取不同材料、不同厚度下脉冲涡流检测线圈电流信号的峰值、峰值到达时间和电流过零时间，分别建立峰值、峰值到达时间和电流过零时间与涂层的厚度以及涂层与基体材料电导率相对大小的关系，从而建立反演估算模型和对应组合下的查找表，通过首先确立涂层与基体的电导率、磁导率组合，然后进行涂层厚度的反演求解，从而实现对涂层的厚度和电导率间接反演求解。但是该方法存在以下问题：

1、该方法需要测量的数据点较多，同时需要分别获取峰值、峰值到达时间和电流过零时间与涂层厚度以及涂层与基体材料电导率相对大小的函数关系，反演模型较为复杂；

2、该方法需要通过设立函数关系，达到首先求解电导率、磁导率相对组合的方式，形成一种查找表，然后根据该表实现电导率和厚度的间接反演求解。该方法适用性较差，对于未知材料该方法需要重新设置查找表数据集；

3、该方法反演的精度取决于待测金属材料与基体材料之间电导率的相对大小关系，工程实用性差；

4、该方法需借助计算机完成信号的处理以及最终模型的反演求解，不方便工程检测实际的实际操作。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法及装置，实现被测涂层的厚度和电导率的同时检测。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法，包括下列步骤:

步骤一、通过信号发生模块产生单个正弦激励信号，并将其输入探头的激励线圈；

步骤二、将探头固定在具有涂层的被测件上方，在被测件和探头之间的空间形成一个耦合的电磁场，探头的检测线圈将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号输入到信号处理模块；

步骤三、通过信号采集模块对得到的电压信号进行数据采集，提取出该电压信号的幅值，作为反演模块的一个输入信号U₁；

步骤四、改变步骤一中信号发生模块正弦激励信号的频率，重复步骤二和三，得到的电压信号的幅值作为反演模块的另一个输入信号U₂；

步骤五、将采集到的电压信号U₁、U₂输入反演模块计算出涂层厚度d和电导率σ。

优选地，在步骤五中，反演模块采用的公式为：

U₁＝(k₁σ+b₂)d+b₁，

U₂＝(k₂σ+b₄)d+b₃，

其中，k₁为U₁拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，b₁为U₁随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₂为U₁拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距，k₂为U₂拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，b₃为U₂随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₄为U₂拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距。

优选地，所述步骤三还包括通过信号处理模块将得的电压信号进行放大滤波处理，滤波放大后得到的电压信号输入到信号采集模块。

优选地，通过反演模块计算出的涂层厚度d和电导率σ最终通过输出模块输出。

一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测装置，包括信号发生模块、探头、信号采集模块和反演模块，所述信号发生模块用于产生正弦激励信号，并将其输入探头；探头将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号；信号采集模块用于采集探头输出的电压信号；反演模块与信号采集模块相连，通过信号采集模块采集到的电压信号反演计算出被测件的涂层厚度和电导率。

优选地，所述检测装置还包括信号处理模块，信号处理模块的输入端与探头的输出端相连，输出端与信号采集模块相连，用于对探头输出的电压信号进行放大滤波处理。

优选地，所述检测装置还包括与反演模块相连的输出模块，用于输出反演模块计算出的涂层厚度和电导率。

优选地，所述探头为差分探头，包括激励线圈和检测线圈，激励线圈与信号发生模块相连，检测线圈用于将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号。

本发明的有益效果是：本发明可以实现涂层厚度与电导率的同时测量，检测装置结构简单，具有很好的便携性；检测方法在提高涡流检测精度的同时，降低了厚度反演方法的难度，简化了反演流程，反演算法程序简单明了，易于实现，检测精度较高，提高了检测效率。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图；

图2是铝合金基体上不同涂层材料检测电压与涂层厚度的关系图；

图3是不同涂层材料下拟合直线的斜率与电导率的关系图；

图4是本发明探头的示意图。

附图标记说明：1、激励线圈；2、检测线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

对于基体上涂覆具有不同电导率的涂层材料结构，选择合适的激励频率，在确保涡流的趋肤深度大于涂层厚度的情况下，涡流检测系统得到检测电压的幅值随涂层厚度的变化呈现不同趋势的线性分布，其线性关系如图2所示，其中图2中沿纵坐标从上往下的直线L1、L2、L3、L4依次为铍铜、磷铜、黄铜和铝的检测电压随涂层厚度的变化的线性关系分布，其中涂层厚度的测点分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm和0.5mm，由图2可以看出检测电压在具有不同电导率的被测涂层材料下，随着涂层材料厚度的增加均能保持良好的线性关系，但具有不同电导率的涂层材料所呈现出检测拟合直线的斜率不同，将不同材料下拟合直线的斜率与其材料的电导率进行拟合，得到的拟合关系如图3中的直线L5所示，沿纵坐标从上往下的圆点分别代表了铍铜、磷铜、黄铜和铝拟合直线的斜率与电导率的关系，由图3可以看出具有不同电导率的涂层材料得到检测电压与涂层厚度关系拟合直线的斜率与材料电导率依然呈现良好的线性关系。据此，可以根据这种线性规律对不同材料的电导率进行标定，得出在某一激励频率下检测电压与电导率的拟合关系式，进而根据在该频率下得到的检测电压对拟合关系式进行反演求解，从而实现对涂层厚度与电导率的同时测量。

由图2和图3可以看出，对于基体上未知电导率的单涂层结构，若激励信号的频率与幅值不变，涡流检测系统的检测电压随涂层的厚度呈现线性分布的关系，如式(1)所示；同时，不同被测涂层材料下所得拟合直线的斜率与其电导率亦呈现线性分布的关系，如式(2)所示。将(2)式代入(1)式即可得出检测电压与电导率之间的关系，如式(3)所示。式(3)中包含了涂层厚度和涂层材料电导率这两个变量。

U₁＝k_xd+b₁ (1)

k_x＝k₁σ+b₂ (2)

U₁＝(k₁σ+b₂)d+b₁ (3)

其中U₁为单个正弦激励信号下的检测电压，b₁为检测电压随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₂为检测电压拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距，k_x为检测电压随厚度变化拟合直线的斜率，k₁为检测电压拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，σ为涂层材料的电导率，d为涂层材料的厚度。

式(3)是关于涂层材料电导率σ和涂层厚度d的一个二元一次方程，而根据多频多参数理论，在另一个检测频率下会得到另一个关于σ和d的一个二元一次方程，如式(4)所示。由式(3)和(4)组成一个二元一次方程组，对该方程组进行求解即可得到被测涂层材料的厚度和电导率，从而实现涂层厚度和电导率的同时检测。

U₂＝(k₂σ+b₄)d+b₃ (4)

需要说明的是，本领域的技术人员可以根据趋肤效应以及实际测试中提离效应的影响来合理的选择涡流检测系统激励信号的频率，以便在保证检测规律的同时提高检测系统的灵敏度。上述选择方法是本领域的常规技术手段。

本发明提供一种基于上述原理的单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法，包括以下步骤：

步骤一、通过信号发生模块产生单个正弦激励信号，并将其输入探头的激励线圈；

步骤二、将探头固定在具有涂层的被测件上方，正弦多频激励信号输入探头的激励线圈后，根据电磁感应原理会在被测件和探头之间的空间形成一个耦合的电磁场，探头的检测线圈将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号输入到信号处理模块；

步骤三、通过信号处理模块将得的电压信号进行放大滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号并对信号进行放大，放大滤波处理有利于信号的读取和处理；滤波放大后得到的电压信号输入到信号采集模块。通过信号采集模块对得到的电压信号进行数据采集，提取出该电压信号的幅值，作为反演模块的一个输入信号U₁；

步骤四、改变步骤一中信号发生模块正弦激励信号的频率，重复步骤二和三，得到的电压信号的幅值作为反演模块的另一个输入信号U₂；

步骤五、将采集到的电压信号U₁、U₂输入反演模块计算出涂层厚度d和电导率σ，并通过输出模块输出显示。

在步骤五中，将采集后的电压信号U₁、U₂和通过实验确定的(3)和(4)式的方程系数k₁、k₂、b₁、b₂、b₃、b₄构成关于涂层厚度d和电导率σ的二元二次方程组，即为反演模块采用的公式：

U₁＝(k₁σ+b₂)d+b₁，

U₂＝(k₂σ+b₄)d+b₃，

其中，k₁为U₁拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，b₁为U₁随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₂为U₁拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距，k₂为U₂拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，b₃为U₂随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₄为U₂拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距；求解上述二元二次方程组，即可得到出涂层厚度d和电导率σ。

如图1所示，本发明还提出了一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测装置，包括信号发生模块、探头、信号处理模块、信号采集模块、反演模块和输出模块，探头固定在具有单层导电涂层的被测件上方，用于检测被测件；探头为差分探头，包括激励线圈1和检测线圈2，激励线圈1与信号发生模块相连，检测线圈2、信号处理模块、信号采集模块、反演模块和输出模块依次连接，在本实施例中，信号发生模块由至少一片ICL8038震荡集成电路和一片AD817运算放大器组成，用于产生正弦激励信号，并将其输入差分探头的激励线圈1，正弦激励信号输入激励线圈1后，根据电磁感应原理会在被测件和差分探头的激励线圈1之间的空间形成一个耦合的电磁场，检测线圈2用于将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号输入到信号处理模块，差分探头能够消除检测过程中其他因素的检测结果的影响；信号处理模块为以OP07运算放大器为核心的放大滤波电路，信号处理模块的输入端与检测线圈2相连，输出端与信号采集模块相连，用于对检测线圈2输出的电压信号进行放大滤波处理，有利于电压信号的后序读取和处理；信号采集模块为数据采集卡，用于采集差分探头输出的电压信号；反演模块包括单片机，与信号采集模块相连，通过信号采集模块采集到的电压信号反演计算出被测件的涂层厚度和电导率；输出模块为LED显示模块，与反演模块相连的，用于输出显示反演模块计算出的涂层厚度和电导率。

本发明提出了一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法及检测装置，差分探头在正弦激励信号激励下，输出电压信号，该信号经过放大和滤波，通过信号采集模块对信号进行采集与处理，最后根据检测电压的幅值与被测材料的厚度以及电导率的对应关系实现电信号到待测物理量的变换，通过方程的解耦最终实现了涂层厚度和电导率的定量测量。一方面实现了涂层厚度和涂层材料电导率的同时测量，满足了当前实际工业中对材料复杂电导率不确定的涂层厚度检测的需求，提升了涡流检测系统在航空航天、能源领域核心部件涂层厚度检测中的市场竞争力；另一方面，本发明简化了现有的涡流厚度检测系统的厚度反演流程，使其便于进行硬件实现，降低检测装置的硬件成本，更具有实际工业使用价值。

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原理，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 (2)

1.一种单层导电涂层厚度和电导率涡流检测方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤一、通过信号发生模块产生单个正弦激励信号，并将其输入探头的激励线圈；

步骤二、将探头固定在具有涂层的被测件上方，在被测件和探头之间的空间形成一个耦合的电磁场，探头的检测线圈将探测到的磁感应强度信号转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号输入到信号处理模块；

步骤三、通过信号处理模块将得的电压信号进行放大滤波处理，滤波放大后得到的电压信号输入到信号采集模块；通过信号采集模块对得到的电压信号进行数据采集，提取出该电压信号的幅值，作为反演模块的一个输入信号U₁；

步骤四、改变步骤一中信号发生模块正弦激励信号的频率，重复步骤二和三，得到的电压信号的幅值作为反演模块的另一个输入信号U₂；

步骤五、将采集到的电压信号U₁、U₂输入反演模块计算出涂层厚度d和电导率σ；反演模块采用的公式为：

U₁＝(k₁σ+b₂)d+b₁，

U₂＝(k₂σ+b₄)d+b₃，

其中，k₁为U₁拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，b₁为U₁随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₂为U₁拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距，k₂为U₂拟合直线的斜率与电导率变化关系拟合直线的斜率，b₃为U₂随涂层厚度变化拟合直线的截距，b₄为U₂拟合直线斜率与电导率变化拟合直线的截距。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：通过反演模块计算出的涂层厚度d和电导率σ最终通过输出模块输出。