CN107270808B - 一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法 - Google Patents

一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于信息测量相关技术领域，其公开了一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，包括主控组件、闭环电流放大器及探头，所述闭环电流放大器电性连接所述主控组件及所述探头，所述主控组件用于产生激励信号，所述激励信号包括高频信号及低频信号，或者低频信号及高频信号中的任一种；所述探头包括探头壳体、收容于所述探头壳体内的激励线圈、及设置于所述激励线圈下方的磁传感器，所述激励线圈电性连接于所述闭环电流放大器；所述磁传感器用于同时感测所述激励线圈产生的磁场及电涡流产生的磁场。本发明还涉及同时测量金属工件位移及厚度的方法。本发明通过特定的激励信号来同时测量位移及厚度，简单易实施，灵活性较高，应用范围较广。

Description

一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法
技术领域
本发明属于信息测量相关技术领域，更具体地，涉及一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法。
背景技术
金属工件厚度的测量是工业生产制造过程中需要经常面对的问题，例如冶金行业的板带加工中对板材的厚度测量或者检验，化工生产设备中的受腐蚀的管道厚度监测，机械加工零件的非拆卸在线厚度测量，汽车、手机等金属壳体的厚度测量等等。
目前，市场上的测厚方法可分为三类，其一是利用千分尺等双面夹持设备进行测量，这种方法需要与金属两侧同时接触；其二是通过激光传感器等位移测量设备，通过测量金属两侧距离来进行厚度测量；其三是通过超声波测厚仪来进行单面接触式厚度测量。这些方法要么需要测量元件安装于金属两侧，要么需要测量元件与金属接触，然而在很多场合中，被测工件处于运动、遮挡或者高温状态，导致测量元件与被测元件不能够进行接触，测量无法正常进行，灵活性较低，限制了使用范围。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法，其基于现有测厚方法的工作特点，针对可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法进行了研究及设计。所述涡流传感器的主控组件可以产生同时包含高频信号及低频信号的激励信号、以及包含高频信号或者低频信号的激励信号，特定的激励信号可以产生仅对位移敏感的及同时对位移及厚度均敏感的电涡流，通过测量电涡流产生的磁场信息进行位移及厚度的解耦测量，简单易实施，且可实现目标测量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，所述涡流传感器包括主控组件、闭环电流放大器及探头，所述闭环电流放大器电性连接所述主控组件及所述探头，其特征在于：
所述主控组件用于产生激励信号，并将所述激励信号传输给所述闭环电流放大器，所述激励信号包括高频信号及低频信号，或者低频信号及高频信号中的任一种；所述闭环电流放大器用于将接收到的激励信号线性转换为驱动电流，并将所述驱动电流传输给所述探头；
所述探头包括探头壳体、依次叠加于所述探头壳体内的信号放大模块及激励线圈、以及设置于所述激励线圈下方的磁传感器，所述激励线圈电性连接于所述闭环电流放大器，其用于在所述驱动电流的作用下产生变化磁场，所述变化磁场在待测量的金属工件表面及内部感应产生电涡流，所述电涡流在空间感应出磁场；所述磁传感器用于同时感测所述激励线圈产生的磁场及所述电涡流产生的磁场，并将感测到的磁场信号传输给所述信号放大模块，所述信号放大模块将接收到的磁场信号进行放大后传输到所述主控组件。
进一步地，所述磁传感器与所述探头壳体的中心轴间隔预定距离。
进一步地，所述磁传感器的数量为两个，两个所述磁传感器相对于所述探头壳体的中心轴对称设置。
进一步地，所述磁传感器为Z向敏感磁传感器。
进一步地，所述涡流传感器为叠加结构。
按照本发明的另一方面，提供了一种可同时测量金属工件位移及厚度的方法，该方法包括以下步骤：
(11)将如上所述的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器设置于金属工件的一侧，且所述涡流传感器产生同时包含有低频信号及高频信号的激励信号；
(12)所述涡流传感器未邻近金属工件时，采集预定长度的所述涡流传感器的输出信号及电流信号，并截取预定时间内的输出信号；所述涡流传感器邻近所述金属工件时，再次采集所述涡流传感器的输出信号及电流信号，并对应地截取所述预定时间内的输出信号，将两次截取得到的输出信号进行求差以得到电涡流产生的空间磁场信号；
(13)分别对所述空间磁场信号进行低通及高通滤波，以得到滤波后低频信号及滤波后高频信号，并分别将所述滤波后低频信号及所述滤波后高频信号的绝对值进行积分，以得到低频积分及高频积分；
(14)对由步骤(12)-(13)得到的多组已知厚度与位移的金属工件的测量数据对进行多项式拟合，以得到所述涡流传感器的数学表达式，其中，所述测量数据对为位移及厚度与低频积分及高频积分之间的数据对；
(15)对任意待测量的金属工件执行步骤(11)-(13)，以得到对应的低频积分及高频积分，并将对应的所述低频积分及所述高频积分带入所述数学表达式中进行反解，以同时测得金属工件的位移及厚度。
进一步地，所述激励信号为高低频正弦叠加信号、方波信号、脉冲信号及三角波信号中的任一种。
进一步地，所述输出信号的截取是以时域电流信号为基准，并取电流信号的过零点、上升沿及下降沿中的一个作为时间零点。
本发明还提供另一种可同时测量金属工件位移及厚度的方法，该方法包括以下步骤：
(21)将如上所述的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器设置于金属工件的一侧，且所述涡流传感器产生低频正弦激励信号；
(22)所述涡流传感器未邻近金属工件时，采集所述涡流传感器的输出信号及电流信号，以对所述输出信号及所述电流信号进行FFT分析来得到测量幅值及磁场对应激励电流的相位；所述涡流传感器邻近金属工件时，以同样方法再次获得对应的幅值及相位，并分别求取两次获得的幅值及相位在复数域上的差值，以得到电涡流产生的空间磁场幅值及相位；
(23)对由步骤(22)得到的多组已知厚度与位移的金属工件的测量数据对进行曲线拟合以求得所述涡流传感器的数学表达式，所述测量数据对为位移及厚度与空间磁场幅值及相配之间的数据对；
(24)对任意待测量的金属工件执行步骤(21)-(22)，并将得到的空间磁场幅值和相位带入所述数学表达式，以测得金属工件的位移及厚度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法具有以下有益效果：
1.所述磁传感器用于同时感测所述激励线圈产生的磁场及所述电涡流产生的磁场，并将感测到的磁场信号传输给所述信号放大模块，所述信号放大模块将接收到的磁场信号进行放大后传输到所述主控组件，进而依据所述磁传感器的输出信号及电流信号即可实现同时测量金属工件的位移及厚度；测量时所述磁传感器无需与金属工件接触，提高了应用范围，且灵活性较高；
2.所述激励信号包括高频信号及低频信号，或者低频信号及高频信号中的任一种，特定的激励信号可以产生仅对位移敏感的及对位移及厚度均敏感的电涡流，通过测量电涡流产生的磁场信息进行位移及厚度的解耦测量，简单易实施，且可实现多目标测量；
3.所述涡流传感器为叠加结构，结构紧凑，且减小了体积；
4.所述磁传感器的数量为两个，两个所述磁传感器相对所述探头壳体的中心轴对称设置且均与所述探头壳体的中心轴间隔设置，以增大电涡流产生的磁场信号，进而增加了磁传感器信号的输出灵敏度。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器的探头的结构示意图；
图2是采用图1中的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器来测量金属工件位移及厚度的方法的流程图；
图3是另一种采用图1中的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器来测量金属工件位移及厚度的方法的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-磁传感器，2-激励线圈，3-信号放大模块，4-探头壳体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1至图3，本发明较佳实施方式提供的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，所述涡流传感器通过特定信号激励产生仅对位移信息敏感及同时对位移信息及厚度信息敏感的电涡流分布，通过测量电涡流产生的磁场信息进行位移及厚度的解耦测量。所述涡流传感器放置于金属工件一侧，且无需与工件相接触即可获得被测金属工件的厚度及被测金属工件的位移或者被测金属工件与所述涡流传感器之间的实时相对距离。
所述涡流传感器包括主控组件、闭环电流放大器及探头，所述闭环电流放大器电性连接所述主控组件及所述探头。所述主控组件用于产生激励信号，其包括DA模块及AD模块，所述DA模块电性连接于所述闭环电流放大器，所述AD模块电性连接于所述探头。所述闭环电流放大器用于将来自所述DA模块的电压形式的激励信号线性转换为驱动电流，并将所述驱动电流传输给所述探头。所述AD模块用于测量来自所述探头的信号。
所述探头包括磁传感器1、激励线圈2、信号放大模块3及探头壳体4，所述信号放大模块3及所述激励线圈2依次设置在所述探头壳体4内，所述磁传感器1设置在所述激励线圈2的下方，其位于所述探头壳体4外部且与所述探头壳体4的中心轴间隔一定距离。所述激励线圈2电性连接于所述闭环电流放大器，其在所述驱动电流的作用下产生变化磁场，所述变化磁场能够在金属工件表面及内部感应产生电涡流，所述电涡流又会在空间感应出磁场。所述磁传感器1用于同时感测所述激励线圈2产生的磁场及所述电涡流产生的磁场，并将感测到的磁场信号传输给所述信号放大模块3，所述信号放大模块3将接收到的磁场信号进行放大后传输到所述AD模块。本实施方式中，所述激励信号包括高频信号及低频信号；当然在其他实施方式中，通过调节所述主控组件，可以使得所述激励信号包括高频信号及低频信号中的任一种；所述激励线圈2中的电流信号作为基准信号，其通过采样电阻也被所述主控组件获得。
所述磁传感器1为Z向敏感磁传感器，其数量为两个，两个所述磁传感器1相对所述探头壳体4的中心轴对称设置且与所述中心轴存在一定距离，以增大电涡流产生的磁场信号，进而增加磁传感器信号输出灵敏度。本实施方式的两个磁传感器1可以互为备份，以增加所述涡流传感器的运行可靠性，或者两个所述磁传感器1同时测量以减小测量波动。本实施方式中，所述涡流传感器为堆叠式结构，有效地的减小了体积，同时使得结构紧凑。
本发明提供了两种可同时测量金属工件位移及厚度的方法，具体如下：
第一种方法，基于高低频的可同时测量金属工件位移及厚度的方法。
该方法利用了电涡流在金属中穿透深度的频率相关性，高频成分的电涡流完全分布于金属表面，只与金属位移相关；低频成分的电涡流可分布于金属的所有厚度处，同时受金属位移与厚度信息影响。采用如上所述的涡流传感器，可以使激励信号中同时包含高频信号及低频信号，从而使得所述涡流传感器在一次测量中同时得到位移与厚度信息。
第一种方法分为涡流传感器标定与测量两步，一旦标定完成即可进行连续多次测量。第一种可同时测量金属工件位移及厚度的方法主要包括以下步骤：
(11)所述涡流传感器产生同时包含低频信号及高频信号的激励信号。低频信号与高频信号的定义为：
式中，σ为电导率，μ为磁导率，hmax和hmin分别为最大和最小测量厚度。其中，所述激励信号的种类可以为高低频正弦叠加信号、方波信号、脉冲信号及三角波信号中的任一种，凡是通过对信号进行傅里叶变换后，信号频率成分明显包含高频成分及低频成分的信号均可作为激励信号。
(12)在涡流传感器未靠近金属工件时，采集预定长度的涡流传感器的输出信号Be(t)与电流信号I(t)，以时域电流信号作为基准，取电流信号的过零点或上升、下降沿等作为时间零点，截取预定时间内的传感器输出信号。其中，电流信号通过测量采样电阻两端电压得到，为保证采样精度，信号的采样率不低于信号中所包含的最大频率的10倍频率。
(13)所述涡流传感器接近所述金属工件且不与所述金属工件接触以进行测量，采集得到所述涡流传感器的输出信号Bs(t)与电流信号I(t)，同样的，以时域电流信号为基准，截取同步骤(12)中相同长度的所述涡流传感器的输出信号。由于采用闭环电流放大器进行激励信号的处理，电流大小可以被精确控制，通过所述闭环电流放大器使该电流信号与步骤(12)中的电流信号保持一致。
(14)将步骤(13)和步骤(12)中截取得到的两组输出信号求取差值Bc(t)＝Bs(t)-Be(t)，即可得到涡流产生的空间磁场信号Bc(t)＝Bs(t)-Be(t)。
(15)分别将步骤(14)得到的空间磁场信号进行低通和高通滤波，得到滤波后低频信号BcL(t)和滤波后高频信号BcH(t)。滤波可通过软件，如MATLAB程序完成，也可以通过硬件滤波电路完成。滤波截止频率分别为步骤(11)中给出的ωl和ωh。
(16)分别对得到的滤波后低频信号及滤波后高频信号的绝对值进行预定长时域积分，以得到其中，CcL为滤波后低频信号的积分，简称低频积分；CcH为滤波后高频信号的积分，简称高频积分。
(17)采用由步骤(12)-(16)得到的多组已知厚度与位移的金属测量数据对(d，h)→(CcL，CcH)，进行三次多项式拟合，以建立所述涡流传感器的数学表达式：
式中，d表示金属工件位移(或与传感器的距离)，h表示金属工件的厚度。
(18)对于待检测的任意未知位移与厚度的金属工件，执行步骤(11)-(16)进行测量，以得到低频积分CtL和高频积分CtH，并代入步骤(17)中得到的数学表达式中进行反解，以实现同时测量获得金属工件的位移及厚度。首先，由高频测量数据可以求得金属工件的位移信息，进一步地，可以由已经测得的位移信息和低频测量数据得到金属工件的厚度信息。
式中，dest和hest分别表示由涡流传感器测量得到的待测量的金属工件的位移及厚度。
第二种方法，基于相位的可同时测量金属工件位移及厚度的方法。
第二种方法采用低频正弦激励，使电涡流穿透整个金属工件，此时可对由磁传感器测量得到的涡流磁场同时进行幅值和相位信息提取，其中涡流磁场幅值主要受金属位移影响，而涡流磁场相位则主要与金属厚度相关。通过建立幅值相位与位移厚度之间的映射关系，即可通过单频涡流激励同时得到位移与厚度信息。
第二种方法分为传感器标定与测量两步，一旦标定完成即可进行连续多次测量。第二种可同时测量金属工件位移及厚度的方法主要包括以下步骤：
(21)所述涡流传感器产生低频正弦激励信号，信号频率选择为：
式中，σ为电导率，μ为磁导率，hmax为最大测量厚度。信号的幅值应使得激励出的线圈磁场不超过磁传感器量程。
(22)在所述涡流传感器未靠近金属工件时，采集有限长度的涡流传感器的输出信号Be(t)与电流信号I(t)。其中，电流信号通过采集采样电阻两端电压得到。为保证采样精度，信号的采样率不低于信号中所包含的最大频率的10倍频率。对输出信号及电流信号分别进行FFT分析，得到其在激励频率上的幅值和相位信息。以电流信息作为基准信号，得到电流归一化后的测量幅值Me与磁场相对激励电流的相位Pe。
式中，为FFT幅值相位提取函数。
(23)所述涡流传感器接近所述金属工件表面时，采用与步骤(22)相同的方法进行测量并采用同样的方法对测量得到的信号进行处理，此时得到的幅值为Ms，相位为Ps。
(24)将步骤(23)和步骤(22)得到的两组幅值及相位求取复数域上的差值，可得到涡流产生的空间磁场幅值Mc和相位Pc。计算公式为：
Bc＝Ms∠Ps-Me∠Pe,Mc＝abs(Bc),Pc＝angle(Bc)
(25)对由步骤(22)-(24)得到的多组已知厚度与位移的金属测量数据对(d，h)→(Mc，Pc)进行曲面拟合，以得到所述涡流传感器的数学表达式：
式中，d代表金属工件位移(或与涡流传感器之间的距离)，h代表金属工件厚度。
(26)对于任意未知位移与厚度的金属工件，执行步骤(21)-(24)，并将得到的空间磁场幅值Mct和相位Pct代入步骤(25)得到的数学表达式进行求解，即可实现金属工件位移与厚度的同时测量。
本发明提供的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器及方法，所述涡流传感器的主控组件可以产生同时包含高频信号及低频信号的激励信号、以及包含高频信号或者低频信号的激励信号，特定的激励信号可以产生仅对位移敏感的及对位移及厚度均敏感的电涡流，通过测量电涡流产生的磁场信息进行位移及厚度的解耦测量，简单易实施，且可实现目标测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，所述涡流传感器包括主控组件、闭环电流放大器及探头，所述闭环电流放大器电性连接所述主控组件及所述探头，其特征在于：
所述主控组件用于产生激励信号，并将所述激励信号传输给所述闭环电流放大器，所述激励信号包括高频信号及低频信号；所述闭环电流放大器用于将接收到的激励信号线性转换为驱动电流，并将所述驱动电流传输给所述探头；其中，低频信号的频率ωl及高频信号的频率ωh分别为：
式中，σ为电导率，μ为磁导率，hmax和hmin分别为最大和最小测量厚度；
所述探头包括探头壳体、依次叠加于所述探头壳体内的信号放大模块及激励线圈、以及设置于所述激励线圈下方的磁传感器，所述激励线圈电性连接于所述闭环电流放大器，其用于在所述驱动电流的作用下产生变化磁场，所述变化磁场在待测量的金属工件表面及内部感应产生电涡流，所述电涡流在空间感应出磁场；所述磁传感器用于同时感测所述激励线圈产生的磁场及所述电涡流产生的磁场，并将感测到的磁场信号传输给所述信号放大模块，所述信号放大模块将接收到的磁场信号进行放大后传输到所述主控组件；所述磁传感器与所述探头壳体的中心轴间隔预定距离；
所述涡流传感器通过信号激励产生同时对位移信息及厚度信息敏感的电涡流分布，通过测量电涡流产生的磁场信息进行位移及厚度的解耦测量；其中，高频成分的电涡流完全分布于金属表面，只与金属位移相关；低频成分的电涡流分布于金属的所有厚度处，同时受金属位移与厚度信息影响；所述激励信号同时包含低频信号及高频信号，从而使得所述涡流传感器在一次测量中同时得到位移与厚度信息。
2.如权利要求1所述的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，其特征在于：所述磁传感器的数量为两个，两个所述磁传感器相对于所述探头壳体的中心轴对称设置。
3.如权利要求1-2任一项所述的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，其特征在于：所述磁传感器为Z向敏感磁传感器。
4.如权利要求1-2任一项所述的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器，其特征在于：所述涡流传感器为叠加结构。
5.一种可同时测量金属工件位移及厚度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(11)将权利要求1-4任一项所述的可同时测量金属工件位移及厚度的涡流传感器设置于金属工件的一侧，且所述涡流传感器产生同时包含有低频信号及高频信号的激励信号；
(12)所述涡流传感器未邻近金属工件时，采集预定长度的所述涡流传感器的输出信号及电流信号，并截取预定时间内的输出信号；所述输出信号的截取是以时域电流信号为基准；所述涡流传感器邻近所述金属工件时，再次采集所述涡流传感器的输出信号及电流信号，并对应地截取所述预定时间内的输出信号，将两次截取得到的输出信号进行求差以得到电涡流产生的空间磁场信号；
(13)分别对所述空间磁场信号进行低通及高通滤波，以得到滤波后低频信号及滤波后高频信号，并分别将所述滤波后低频信号及所述滤波后高频信号的绝对值进行预定长时域积分，以得到低频积分及高频积分；
(14)对由步骤(12)-(13)得到的多组已知厚度与位移的金属工件的测量数据对(d，h)→(CcL，CcH)进行多项式拟合，以得到所述涡流传感器的数学表达式其中，所述测量数据对(d，h)→(CcL，CcH)为位移及厚度与低频积分及高频积分之间的数据对；其中，CcL为滤波后低频信号的积分，简称低频积分；CcH为滤波后高频信号的积分，简称高频积分；d表示金属工件位移；h表示金属工件的厚度；所述涡流传感器的数学表达式为高频积分及低频积分与位移及厚度之间的关系式；
(15)对任意待测量的金属工件执行步骤(11)-(13)，以得到对应的低频积分及高频积分，并将对应的所述低频积分及所述高频积分带入所述数学表达式中进行反解，以同时测得金属工件的位移及厚度。
6.如权利要求5所述的可同时测量金属工件位移及厚度的方法，其特征在于：所述激励信号为高低频正弦叠加信号、方波信号、脉冲信号及三角波信号中的任一种。
7.如权利要求5所述的可同时测量金属工件位移及厚度的方法，其特征在于：所述输出信号的截取是取电流信号的过零点、上升沿及下降沿中的一个作为时间零点。
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