CN107677888A - 一种金属电导率涡流检测方法 - Google Patents

一种金属电导率涡流检测方法 Download PDF

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王翠苹
曹丙花
李威
王禹桥
杨雪锋
闻东东
李超
吴根龙
雷颖
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Abstract

本发明公开了一种金属电导率涡流检测方法，包括以下步骤：1)选择电导率分别为σ1、σ2的两个试件作为标准试件；2)综合考虑以确定合适的激励频率f；3)将连接阻抗分析仪的探头分别置于两个标准试件的上方，测得阻抗：Z1＝R1+X1，Z2＝R2+X2；4)通过厚度为1mm的标准垫片分别测得探头置于两个标准试件上方提离为1mm时的阻抗：ZT1＝RT1+XT1，ZT2＝RT2+XT2，将其作为基准，与3)中的阻抗值差分处理，构造关键点A、B；5)由A、B两点得出目标函数。6)对待检金属按以上步骤操作得到|ΔX/ΔR|并带入5)中得出的目标函数以求电导率σ。本发明采用涡流技术检测金属电导率，对试件无损，检测环境要求低，检测精度高，检测小电导率金属材料分辨率高，并且检测时所需参数少，同时克服了现有金属电导率检测仪需要校准的局限性。

Description

一种金属电导率涡流检测方法
技术领域
本发明涉及一种金属电导率涡流检测方法，属于常规涡流检测技术领域。
背景技术
电导率是金属材料的一个重要物理量，它与金属的纯度、合金成分、热处理状态、内应力状态、硬度以及温度等密切相关，因此，如何测量金属材料的电导率显得至关重要。
目前金属电导率的测量方法有四探针测量方法，但四探针测量方法必须要与试件接触，因此会损伤试件表面；另外根据物理公式γ＝4l/πd2R先求出电阻率γ，然后取倒数之后就可以得出金属的电导率，而该方法仅仅适合金属导线电导率的测量。
涡流技术属于无损检测技术，其广泛应用于现代工业生产和航空航天等领域，该技术基于电磁感应原理，即载有交流电的激励线圈靠近金属表面时，引起金属表面产生涡流，涡流形成的二次磁场与原磁场相互作用，使得线圈的阻抗发生变化，将变化的阻抗信号处理就可以得到我们想要的参数，如电导率、磁导率等。利用涡流来检测金属的电导率具有无需接触、对检测环境要求低、检测精度高等优点，但涡流的无接触测量的提离效应也会影响金属电导率的检测。
目前国内外金属电导率检测仪必须由标准试块标定，理论或模型检测方法存在程序运行复杂、计算量大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属电导率涡流检测方法，能够克服现有金属电导率检测仪需要校准的局限性，并且能够实现较好的提离抑制效果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属电导率涡流检测方法，包括以下步骤：
第一步：选择电导率分别为σ1、σ2的两个试件作为标准试件；
第二步：根据(1)式以及综合考虑两个标准试件厚度要满足大于渗透深度的三倍或五倍的理论以确定合适的激励频率f，频率的选取是保证实验结果精确度的关键一步；
其中：δ为渗透深度(mm)；μr为导体的相对磁导率，μ0为导体在真空中的磁导率；f为激励频率(Hz)；σ为导体的电导率(s/m)；
第三步：将探头连接阻抗分析仪，然后分别置于两个标准试件的上方，测得探头的阻抗：Z1＝R1+X1，Z2＝R2+X2；
第四步：通过厚度为1mm的标准垫片分别测得探头置于两个标准试件上方提离为1mm时的阻抗：ZT1＝RT1+XT1，ZT2＝RT2+XT2作为基准，将第二步与第三步的结果差分处理：ΔZ1＝(R1-RT1)+(X1-XT1)，ΔZ2＝(R2-RT2)+(X2-XT2)，则ΔX1＝X1-XT1，ΔR1＝R1-RT1，ΔX2＝X2-XT2，ΔR2＝R2-RT2，据此构造两点A(ln(σ1)， ln(|ΔX1/ΔR1|))，B(ln(σ2)，ln(|ΔX2/ΔR2|))；
第五步：将第四步中的A、B两点以及相关数据做如下处理：
直线的斜率：
目标直线为：
第六步：按照上述第三步以及第四步对待检金属进行操作，分别得到待检金属的阻抗值：Z＝R+X，基准：ZT＝RT+XT，然后差分处理得到ΔZ＝(R-RT)+(X-XT)，则ΔX＝X-XT，ΔR＝R-RT，于是将|ΔX/ΔR|即探头置于待检材料上方的阻抗变化量虚实部比值的模带入(3)式即可得到待检金属的电导率σ。
本发明选定阻抗变化量虚部和实部比值的模作为信号特征，该信号特征与电导率取双对数后呈线性关系；本方法能有效的抑制提离，即将探头置于待检试件上方提离为1mm时的阻抗代替空气中的阻抗作为基准，与探头检测试件测得的阻抗值差分处理后即可以实现较好的提离抑制效果。
并且本发明采用涡流技术检测金属电导率，该技术对试件无损。由于涡流检测的基本原理是电磁感应，只适用于能产生涡流的导电材料，且不同温度下导体仍然具有导电性，因此涡流检测技术对检测环境要求低；由本发明提供的方法在检测时已经控制除金属电导率以外的其他影响阻抗变化的因素 (线圈几何参数，激励电流，激励频率，提离)保持统一，即保证了阻抗Z 为电导率σ的单值函数，因此检测精度高；图1显示，电导率较低区段，点的分布较分散，因此本发明检测小电导率金属材料分辨率高；并且本发明同时具有检测所需参数少，无需校准等优点。
附图说明
图1是本发明中电导率与电抗电阻变化量比值取双对数后线性关系图；
图2是本发明中不同提离条件下以探头在空气中的阻抗为基准电导率与电抗电阻变化量比值取双对数的关系图；
图3是本发明中不同提离条件下以探头置于标准试件上方提离为1mm时的阻抗为基准电导率与电抗电阻变化量比值取双对数的关系图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：本发明选定阻抗变化量虚部和实部比值的模作为信号特征，该信号特征与电导率取双对数后呈线性关系。
根据以上关系从而提出以下方法：一种金属电导率涡流检测方法，包括以下步骤：
第一步：选择电导率分别为σ1、σ2的两个试件作为标准试件；
第二步：根据(1)式以及综合考虑两个标准试件厚度要满足大于渗透深度的三倍或五倍的理论以确定合适的激励频率f，频率的选取是保证实验结果精确度的关键一步；
其中：δ为渗透深度(mm)；μr为导体的相对磁导率，μ0为导体在真空中的磁导率；f为激励频率(Hz)；σ为导体的电导率(s/m)；
第三步：将探头连接阻抗分析仪，然后分别置于两个标准试件的上方，测得探头的阻抗：Z1＝R1+X1，Z2＝R2+X2；
第四步：通过厚度为1mm的标准垫片分别测得探头置于两个标准试件上方提离为1mm时的阻抗：ZT1＝RT1+XT1，ZT2＝RT2+XT2作为基准，将第二步与第三步的结果差分处理：ΔZ1＝(R1-RT1)+(X1-XT1)，ΔZ2＝(R2-RT2)+(X2-XT2)，则ΔX1＝X1-XT1，ΔR1＝R1-RT1，ΔX2＝X2-XT2，ΔR2＝R2-RT2，据此构造两点A(ln(σ1)，ln(|ΔX1/ΔR1|))，B(ln(σ2)，ln(|ΔX2/ΔR2|))；
第五步：将第四步中的A、B两点以及相关数据做如下处理：
直线的斜率：
目标直线为：
第六步：按照上述第三步以及第四步对待检金属进行操作，分别得到待检金属的阻抗值：Z＝R+X，基准：ZT＝RT+XT，然后差分处理得到ΔZ＝(R-RT)+(X-XT)，则ΔX＝X-XT，ΔR＝R-RT，于是将|ΔX/ΔR|即探头置于待检材料上方的阻抗变化量虚实部比值的模带入(3)式即可得到待检金属的电导率σ。
实验证明该方法抑制提离效果显著且在正常的检测过程中方便易行，抑制效果对比图2和图3，其中图2是以空气中探头的阻抗作为基准的结果，图3是以探头置于标准试件上方提离为1mm时的阻抗作为基准的结果。
我们将不同提离情况下直线与直线之间的间隔大小作为衡量受提离影响程度的指标，图2中不同提离情况下的五直线之间的间隔较大，说明以空气中探头的阻抗作为基准检测金属电导率时受提离影响的程度较大。
图3改换基准，即将探头置于试件上方提离为1mm时的阻抗值代替空气中的阻抗值作为新的基准，三条直线的间隔显著减小，甚至在某区段三条直线近乎于重合，因此可见改用本发明所述的基准后提离抑制效果显著。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种金属电导率涡流检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：选择电导率分别为σ1、σ2的两个试件作为标准试件；
第二步：根据(1)式以及综合考虑两个标准试件厚度要满足大于渗透深度的三倍或五倍的理论以确定合适的激励频率f，频率的选取是保证实验结果精确度的关键一步；
<mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mn>1000</mn> <msqrt> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>f</mi> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中：δ为渗透深度(mm)；μr为导体的相对磁导率，μ0为导体在真空中的磁导率；f为激励频率(Hz)；σ为导体的电导率(s/m)；
第三步：将探头连接阻抗分析仪，然后分别置于两个标准试件的上方，测得探头的阻抗：Z1＝R1+X1，Z2＝R2+X2；
第四步：通过厚度为1mm的标准垫片分别测得探头置于两个标准试件上方提离为1mm时的阻抗：ZT1＝RT1+XT1，ZT2＝RT2+XT2作为基准，将第二步与第三步的结果差分处理：ΔZ1＝(R1-RT1)+(X1-XT1)，ΔZ2＝(R2-RT2)+(X2-XT2)，则ΔX1＝X1-XT1，ΔR1＝R1-RT1，ΔX2＝X2-XT2，ΔR2＝R2-RT2，据此构造两点A(ln(σ1)，ln(|ΔX1/ΔR1|))，B(ln(σ2)，ln(|ΔX2/ΔR2|))；
第五步：将第四步中的A、B两点以及相关数据做如下处理：
直线的斜率：
<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mo>|</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;X</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;R</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mo>|</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;X</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
目标直线为：
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第六步：按照上述第三步以及第四步对待检金属进行操作，分别得到待检金属的阻抗值：Z＝R+X，基准：ZT＝RT+XT，然后差分处理得到ΔZ＝(R-RT)+(X-XT)，则ΔX＝X-XT，ΔR＝R-RT，于是将|ΔX/ΔR|即探头置于待检材料上方的阻抗变化量虚实部比值的模带入(3)式即可得到待检金属的电导率σ。
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