CN107917733A - 一种基于模型的导电结构厚度与电导率涡流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型的导电结构厚度与电导率涡流检测方法，包括以下步骤：（1）设计开始；（2）建立测量模型；（3）频率优化；（4）模型修正；（5）初始化参数及优化算法；（6）计算仿真值与实验值偏差；（7）判断是否满足终止条件；（8）输出电导率和厚度；（9）设计结束。本发明的方法不仅可以实现厚度和电导率的同时检测，同时通过引入修正参数减弱了线圈杂散电容对结果的影响，提升了检测精度。

Description

一种基于模型的导电结构厚度与电导率涡流检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型的导电结构厚度与电导率涡流检测方法，属于 无损检测领域。

背景技术

金属薄板、薄膜和导电涂、镀层在汽车、飞机、机械装备等领域应用广 泛。热障涂层已经被广泛应用到发动机的涡轮叶片等热端部件上生产中，制 造工艺会改变热障涂层性能，老化会影响涂层质量与寿命。为了保障产品质 量，维护在役性能，必须对热障涂层做必要的检测，而厚度和电导率是检测 过程中关注的两个关键参数。

迄今，可用于厚度与电导率的检测方法有超声、微波、四探针法、涡流 法。超声法可以用于厚度检测，但是需要耦合剂；四探针法可用于电导率检 测，但需要对表面进行预处理，且操作相对复杂，难以实现在线检测；微波 法检测成本高。

非模型法涡流检测需要重复多次校准且通常只能测量单一参数，而基于 模型的涡流检测技术通过比较模型仿真与实验测量结果之间的偏差，反复调 整待测参数的估计值直至使模型仿真与实验测量结果之间的偏差最小，可同 时测量多参数，且无需多次重复校准，但在实际应用中，模型没有考虑线圈 杂散电容的影响，阻抗变化量的有效值难以获得，造成检测结果精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模型的导电结构厚度与电导率涡流检测 方法，在消除提离影响的同时，实现了多参数测量，通过模型实验对比分析 实现了模型的修正，提高了其测量精度和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种导电结构厚度及电导率 的涡流检测方法，包括以下步骤：

步骤1：设计开始

步骤2：建立测量模型

模型输入量为线圈阻抗变化量Δz，输出量为测量对象厚度h、电导率σ、 提离z₁，模型求解采用最优化算法；

步骤3：频率优化

不同的频率组合下，模型反演的精度不同，以输出量误差为标准，对频 率进行优化选择；

步骤4：模型修正

对标准试件进行实验测量和模型仿真，从而获取修正系数，利用修正系 数对模型进行修正；

步骤5：初始化参数及优化算法

参数主要包括厚度、电导率、提离，优化算法的初始化内容主要包括迭 代方式、迭代次数、计算精度；

步骤6：计算仿真值与实验值偏差

模型所采用的的优化算法的精度主要依靠于仿真值与实验值的偏差，偏 差越小，精度越高；

步骤7：判断是否满足终止条件

若满足终止条件，则停止迭代，输出迭代结果；否则更新参数值返回步 骤6继续迭代；

步骤8：输出电导率和厚度；

步骤9：设计结束。

其中步骤3中的频率优化内容为：

按照理论，实验至少需要两个频率，根据渗透深度的定义：

得到频率计算依据：

式中：f为激励源的振荡频率；μ_r为导体的相对磁导率；μ₀为导体在真空 中的磁导率；σ为导体的电导率；

不同的频率组合下，模型输出量厚度和电导率的误差不同，为了提高模 型的精度，根据渗透深度的不同倍数(0.2、0.4、0.6、…1、2、3、4)计算 频率，选取不同的频率为一组，分别对比不同组合下应用蒙特卡洛法得到模 型输出量的误差，选取误差最小的频率组合作为检测频率。

步骤4中的模型修正；

4.1通过实验测量，获得标准试件在检测频率下的阻抗变化量的实验值；

4.2通过模型仿真，获得标准试件在同样频率下的阻抗变化量的计算值；

4.3分别求取实验值和计算值的幅值和相位，并分别做比，获得修正系数 a、b(a＝实验值幅值/计算值幅值，b＝实验值相位/计算值相位)，每个频率对应 两个修正系数；

4.4通过实验测得相同频率下普通试件的阻抗变化量，求取其幅值和相位， 然后分别除以修正系数a、b，得到阻抗变化量的修正值，代入模型。

相比于现有的检测方法而言，本发明不仅检测成本低，而且操作过程简 单，易于实现，利用模型法将提离作为待测量进行输出，消除了提离影响， 而且可以实现电导率和厚度的同时测量；同时本发明通过实验对比分析揭示 了和误差密切相关的阻抗变化量的特点，并在此基础上进行了参数修正，具 有较高的检测精度。

附图说明

图1为本发明设计流程图；

图2为模型修正流程图；

图3为阻抗变化量实验值和计算值幅值关系图；

图4为阻抗变化量实验值和计算值相位关系图；

图5为频率与幅值、相位比值关系图；

图6为模型修正前后的误差对比表。

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，本发明为实施例的具体技术方案的步骤流程如下：

步骤1：设计开始

步骤2：建立测量模型

模型输入量为线圈阻抗变化量ΔZ，输出量为测量对象厚度h、电导率σ、 提离Z₁，模型求解采用最优化算法

阻抗变化量函数为：

式中

J_c＝N_cI_c/[(r₂-r₁)(z₂-z₁)]

Ji是第一类i阶Bessel函数，特征值λ_0i是Bessel函数J(λ_0iρ)的第i个正根。

步骤3：频率优化

按照理论，实验至少需要两个频率，根据渗透深度的定义：

得到频率计算依据：

式中：f为激励源的振荡频率；μ_r为导体的相对磁导率；μ₀为导体在真空 中的磁导率；σ为导体的电导率；

不同的频率组合下，模型输出量厚度和电导率的误差不同，为了提高模 型的精度，根据渗透深度的不同倍数(0.2、0.4、0.6、…1、2、3、4)计算 频率，选取不同的频率为一组，分别对比不同组合下应用蒙特卡洛法得到模 型输出量的误差，选取误差最小的频率组合作为检测频率；

步骤4：模型修正

4.1通过实验测量，获得标准试件在检测频率下的阻抗变化量的实验值；

4.2通过模型仿真，获得标准试件在同样频率下的阻抗变化量的计算值；

4.3分别求取实验值和计算值的幅值和相位，并分别做比，获得修正系数 a、b(a＝实验值幅值/计算值幅值，b＝实验值相位/计算值相位)，每个频率对应 两个修正系数；

4.4通过实验测得相同频率下普通试件的阻抗变化量，求取其幅值和相位， 然后分别除以修正系数a、b，得到阻抗变化量的修正值，代入模型；

步骤5：初始化参数及优化算法

参数主要包括厚度、电导率、提离，优化算法的初始化内容主要包括迭 代方式、迭代次数、计算精度；

步骤6：计算仿真值与实验值偏差

模型所采用的的优化算法的精度主要依靠于仿真值与实验值的偏差，偏 差越小，精度越高。

模型通过MATLAB进行编程，程序所采用的优化算法函数为fminsearch， 其偏差条件的设置通过函数optimset来实现；

步骤7：判断是否满足终止条件

若满足终止条件，则停止迭代，输出迭代结果；否则通过下山单纯形法 更新参数值返回步骤6继续迭代；

步骤8：输出电导率和厚度

步骤9：设计结束。

整个设计过程分为9个步骤：(1)设计开始；(2)建立测量模型；(3) 频率优化；(4)模型输入量参数修正；(5)初始化参数及优化算法；(6) 计算仿真值与实验值偏差；(7)判断是否满足终止条件；(8)输出电导率 和厚度；(9)设计结束。

如图2所示为模型修正流程图。分别通过模型仿真和实验操作得到相应 频率下的阻抗变化量，接着求取阻抗的幅值和相位，然后分别对幅值和相位 做比，进而得到修正系数，从而对模型进行修正。

如图3所示为阻抗变化量实验值和计算值幅值关系图，可以发现两阻抗 幅值的差距随频率的增大而增大，这表明干扰因素主要对阻抗的幅值产生影 响。

如图4所示为阻抗变化量实验值和计算值相位关系图，可以发现两阻抗 相位的差距随频率的变化不明显，这表明干扰因素虽然对阻抗的相位有影响， 但影响不大。

如图5所示为频率与幅值、相位比值关系图，可以发现修正系数随着频 率的变化而变化，据此可以针对相应频率选择修正系数对模型进行修正。

图6所示为模型修正前后的误差对比表，可以发现经过修正以后，模型 反演的厚度和电导率的精度都大大提高。

综上所述，相比于现有的检测方法而言，本发明不仅检测成本低，而且 操作过程简单，易于实现，将提离作为待测量进行输出，消除了提离影响， 而且可以实现电导率和厚度的同时测量；同时本发明揭示了和误差密切相关 的阻抗变化量的特点，并依据此对模型进行参数修正，具有较高的检测精度。

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 (3)

1.一种基于模型的导电结构厚度与电导率涡流检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设计开始

步骤2：建立测量模型

模型输入量为线圈阻抗变化量ΔZ，输出量为测量对象厚度h、电导率σ、提离z₁，模型求解采用最优化算法；

步骤3：频率优化

不同的频率组合下，模型反演的精度不同，以输出量误差为标准，对频率进行优化选择；

步骤4：模型修正

对标准试件进行实验测量和模型仿真，从而获取修正系数，利用修正系数对模型进行修正；

步骤5：初始化参数及优化算法

参数主要包括厚度、电导率、提离，优化算法的初始化内容主要包括迭代方式、迭代次数、计算精度；

步骤6：计算仿真值与实验值偏差

模型所采用的的优化算法的精度主要依靠于仿真值与实验值的偏差，偏差越小，精度越高；

步骤7：判断是否满足终止条件

若满足终止条件，则停止迭代，输出迭代结果；否则更新参数值返回步骤6继续迭代；

步骤8：输出电导率和厚度

步骤9：设计结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型的厚度与电导率涡流检测方法，其特征在于，步骤3中的频率优化；

按照理论，实验至少需要两个频率，根据渗透深度的定义：

<mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>f</mi> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow> </msqrt> </mfrac> </mrow>

得到频率计算依据：

<mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>r</mi> </msub> <msup> <mi>&amp;pi;&amp;sigma;&amp;delta;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中：f为激励源的振荡频率；μ_r为导体的相对磁导率；μ₀为导体在真空中的磁导率；σ为导体的电导率；

不同的频率组合下，模型输出量厚度和电导率的误差不同，为了提高模型的精度，根据渗透深度的不同倍数(0.2、0.4、0.6、…1、2、3、4)计算频率，选取不同的频率为一组，分别对比不同组合下应用蒙特卡洛法得到模型输出量的误差，选取误差最小的频率组合作为检测频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型的厚度与电导率涡流检测方法，其特征在于步骤4中的模型修正；

4.1通过实验测量，获得标准试件在检测频率下的阻抗变化量的实验值；

4.2通过模型仿真，获得标准试件在同样频率下的阻抗变化量的计算值；

4.3分别求取实验值和计算值的幅值和相位，并分别做比，获得修正系数a、b(a＝实验值幅值/计算值幅值，b＝实验值相位/计算值相位)，每个频率对应两个修正系数；

4.4通过实验测得相同频率下普通试件的阻抗变化量，求取其幅值和相位，然后分别除以修正系数a、b，得到阻抗变化量的修正值，代入模型。