CN108692650A - 一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，包括探头、信号发生模块、信号调理电路和数据处理单元；其中，探头为变磁阻式探头，当信号发生模块对其施加激励信号后，探头内部会形成磁路，而探头的磁阻会受所接触材料的导磁性影响；信号调理电路对阻抗交流信号进行锁相放大处理，获得反映涂层厚度的直流信号，将直流信号输入数据处理单元，经过模数转化后获得表征涂层厚度的数字信号，将多组已知厚度和对应数字信号的数据作为训练数据输入数据处理单元中的线性回归模型得到厚度与数字信号间的拟合曲线，进而实现对厚度的测量。

Description

一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统。

背景技术

雷达吸波涂料具有屏蔽电磁信号的功能，对机体表面进行雷达吸波涂料喷涂是现代战机躲避雷达侦测的重要技术手段。随着战机研发水平的不断提升，新一代战机的机体结构发生了重大的改变，而雷达吸波涂料喷涂的基底也因此逐步由铝合金材料向复合材料演变。采用传统涡流测厚手段，需要通过探头与导电基材间的电涡流提离效应，确定探头与基底间的厚度，从而间接地确定涂层的厚度。但新一代战机雷达吸波涂层测厚技术面临的直接问题是，由于基底材料的改变，导致由探头与基底间提离效应形成条件失效，涂层特性成为影响探头阻抗的主要因素，从而使上述基于提离效应的测厚手段不再适用。此外，传统电磁感应测厚探头受激励所产生的磁场会轻易的穿透复合材料基底，与固定复合材料的钛合金等飞机骨架结构产生互感，对测量结果造成严重干扰。因此，无论是从测量原理上还是从现有设备性能上，都难以满足对以复合材料为基底的雷达吸波涂层进行测厚测量。由于新型战机基底材料及机体结构的重大改变，导致目前急需新的检测设备对复合材料基底表面雷达吸波涂料涂层厚度进行测量，为新型战机生产与维护过程中的质量控制提供适用的技术保障手段。

目前，基于电磁感应原理的涂层测厚方法主要有基于自感式的测厚方法和基于互感式的测厚方法。常用的自感式的测厚方法有变磁阻测厚，而常用互感式测厚方法有差动变压测厚和脉冲涡流测厚。采用涡流脉冲原理进行涂层测厚时，利用交流电信号激励探头线圈产生电磁场，当探头靠近被测材料时，会在被测材料中形成循环的电流。磁场变化越快，感应电动势就越大，涡流也就越强。当磁场变化速度恒定，涡流强度会随探头与涂层间距的缩小而增大。同时，涡流所产生的电场会反作用于探头使其线圈磁通量改变进而影响探头的等效阻抗。采用差动变压原理进行涂层测厚时，将探头和被测材料视为互感线圈。利用探头与被测材料间的互感现象，将被测材料与探头的间距转换为互感的变化量。但是，由于战机雷达吸博涂层较薄，能形成的感应电动势较小，且涂层基底为非导电复合材料不能提供感应电动势，因此基于电涡流或差动变压的测量方法并不适用。Dong-June CHOI等人于2001年发表的Flexible Inductive Transducer with Magnetic Resistance公开了一种变磁阻式传感器，该传感器由线圈铁芯和衔铁三部分组成。传感器的电感由磁芯与衔铁间的间隙大小决定，当衔铁移动时，间隙厚度发生变化，从而使磁路中的磁阻发生变化，导致电感线圈的电感值发生变化。将该电感值进行信号调理可转变为电压信号，通过测量该电压值便可确定间隙厚度的变化。采用这种变磁阻式传感器进行涂层厚度测量时，需要以基底位置作为参考位置，衔铁位置因涂层厚度不同而改变，导致间隙厚度改变，进而获得不同涂层厚度对应的电压值，实现对涂层厚度的测量。但是，以飞机表面涂层为测试对象时，获得涂层基底的位置是难以实现的，因此这种传感器不能用于对机体表面涂层厚度的测量。此外，要使衔铁产生机械位移，涂层表面势必受到应力影响。当涂层较薄时，应力会对涂层厚度测试结果产生影响。因此，以通过机械位移实现磁阻变化的原理作为战机涂层测厚的技术手段仍存在难以克服的困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，利用电磁感应测厚原理实现了对复合材料基底表面雷达吸波涂层的厚度测量，从测量原理上避免了与基底接触的金属结构对测试结果的干扰。

为实现上述发明目的，本发明一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，其特征在于，包括：

一探头，包括磁芯、线圈、外壳以及滑槽；所述磁芯采用开口C型，在磁芯的外围缠绕线圈，线圈经导线与信号调理电路中的平衡电桥相连；磁芯和线圈通过灌封处理方式用非导磁灌封材料固定在外壳内部，外壳底部为平整的，非导磁灌封材料在外壳底部完全露出，外壳外部装有导向结构，导向结构通过膨胀旋钮固定在滑槽轨道上的任意位置，使探头能够根据被测对象的几何结构调整外壳的位置，从而获取因涂层厚度引起的阻抗变化电压信号；

一信号发生模块，与信号调理电路中的平衡电桥相连；信号发生模块通过平衡电桥对线圈施加正弦激励信号，探头在正弦激励信号的作用下，其内部的磁芯形成由磁芯开口间隙部分和磁芯部分构成的闭合磁路；

一信号调理电路，包括平衡电桥和锁相放大器，其中，锁相放大器又包括差分放大模块、输入放大模块、相敏检波器以及低通滤波器；

探头阻抗变化电压信号导致平衡电桥中探头端与由信号发生模块直接提供激励信号的参考端之间形成电位差，从而使平衡电桥获取到探头的阻抗变化电压信号与平衡电桥参考端之间的差分信号；将差分信号输入到差分放大模块，获得表征探头阻抗变化的电压差分信号ΔU；信号发生模块再提供与电压差分信号ΔU频率相同的信号U，并输入到输入放大模块，然后通过相敏检波器对ΔU和U进行锁相放大处理后，通过低通滤波器滤波处理后，得到反映探头阻抗变化的直流信号U_out；

一数据处理单元，将直流信号U_out进行AD转换和涂层厚度反演运算，最终计算出涂层厚度值。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，包括探头、信号发生模块、信号调理电路和数据处理单元；其中，探头为变磁阻式探头，当信号发生模块对其施加激励信号后，探头内部会形成磁路，而探头的磁阻会受所接触材料的导磁性影响。材料的导磁性受本身特性和磁路横截面大小影响。当被测材料唯一时，导磁性由磁路横截面大小决定。当探头接触不同厚度的涂层时，会得到不同的电感响应，这些变化电感最终作为阻抗交流信号输入信号调理模块。信号调理电路对阻抗交流信号进行锁相放大处理，获得反映涂层厚度的直流信号。将直流信号输入数据处理单元，经过模数转化后获得表征涂层厚度的数字信号，将多组已知厚度和对应数字信号的数据作为训练数据输入数据处理单元中的线性回归模型得到厚度与数字信号间的拟合曲线，进而实现对厚度的测量。

同时，本发明一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统还具有以下有益效果：

(1)、从测量原理上将探头产生的磁场约束在了涂层范围内，避免了与基底接触的金属结构对测试结果的干扰。

(2)、采用接触式方法对涂层厚度进行测量，提高了测试的灵活性，能够实现对飞机各部位表面涂层的快速检测。

(3)、当涂层较薄(数百微米)时，对涂层施加应力会影响涂层厚度的测量结果，相较于通过机械位移改变磁阻的变磁阻传感器，本发明提出的探头最大限度的避免了应力对涂层厚度测试结果的干扰。

附图说明

图1是本发明用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统原理图；

图2是被测件的示意图；

图3是图1所示探头结构示意图；

图4是探头的工作原理示意图；

图5是本发明所述的电磁感应测厚系统的电路原理图；

图6是被测件的一种具体实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统原理图。

在本实施例中，选用的被测件14的表面涂层为雷达吸波涂层15结构如图2所示，被测件14包括涂层厚度为100微米、200微米、300微米、400微米、500微米、600微米厚度的一组标准件以及一个涂层厚度范围在200到300微米的样件。基底均为碳纤维复合材料；

如图3所示，探头包括磁芯5、线圈6、外壳7以及滑槽8；其中，磁芯5采用开口C型，由镍-锌铁氧体制作而成；在磁芯5的外围缠绕线圈6，线圈6经导线11与信号调理电路中的平衡电桥相连；磁芯5和线圈6通过灌封处理方式用非导磁灌封材料13固定在外壳内部，外壳底部为平整的，非导磁灌封材料13在外壳底部完全露出，外壳用于屏蔽除与涂层接触面以外方向上的磁场，外壳外部装有导向结构12，导向结构12通过膨胀旋钮固定在滑槽轨道上的任意位置，使探头能够根据被测对象的几何结构调整外壳7的位置，从而获取因涂层厚度引起的阻抗变化电压信号；

信号发生模块，与信号调理电路中的平衡电桥相连；信号发生模块通过平衡电桥对线圈施加正弦激励信号，探头在正弦激励信号的作用下，其内部的磁芯形成由磁芯开口间隙部分和磁芯部分构成的闭合磁路；如图4所示，探头与雷达吸波涂层接触后形成的闭合磁路被很好的约束在了被测件内部，且探头磁阻随涂层厚度变化而变化。

信号调理电路，包括平衡电桥和锁相放大器，其中，锁相放大器又包括差分放大模块、输入放大模块、相敏检波器以及低通滤波器；

如图5所示，探头阻抗变化电压信号导致平衡电桥中探头端与由信号发生模块直接提供激励信号的参考端之间形成电位差，从而使平衡电桥获取到探头的阻抗变化电压信号与平衡电桥参考端之间的差分信号；将差分信号输入到差分放大模块，获得表征探头阻抗变化的电压差分信号ΔU；信号发生模块再提供与电压差分信号ΔU频率相同的信号U，并输入到输入放大模块，然后通过相敏检波器对ΔU和U进行锁相放大处理后，通过低通滤波器滤波处理后，得到反映探头阻抗变化的直流信号U_out；

数据处理单元，将直流信号U_out进行AD转换和涂层厚度反演运算，最终计算出涂层厚度值。

本发明用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统的测厚步骤如下：

S0：选取雷达吸波涂层厚度为100微米、200微米、300微米、400微米、500微米、600微米的标准待测件；

S1：将探头放置于的待测件表面，如图4所示，通过磁路定理，可知探头的磁通量Φ相对于未接触时发生了变化，进而引起探头阻抗的变化，其具体的变化量为：

设磁芯开口间隙部分的长度为l₁，磁芯部分的长度为l₂；

信号发生模块通过平衡电桥对线圈施加正弦激励信号后线圈产生的磁动势E_m为：

E_m＝NI

其中，N为线圈匝数，I为通过线圈的电流；

由l₁和l₂构成的闭合磁路的磁通量Φ为：

其中，μ₁为开口间隙部分的导磁率，μ₂为磁芯部分的磁导率，S₁为开口间隙部分磁路的截面积，S₂为磁芯部分的截面积，由于磁芯开口间隙较小，当探头与涂层未接触时，可认为S₁≈S₂；

当探头与涂层接触时，由于涂层具有导磁性，磁芯与涂层构成了新的闭合磁路，如图4所示，l₁处的磁导率μ₁和开口间隙磁路横截面S₁发生变化，变化后的磁导率为μ'₁，横截面为S'₁。由于涂层导磁率大于灌封材料使得μ'₁大于μ₁，同时，由于探头接触涂层后磁路横截面扩大使得S'₁大于S₁。那么磁通变化量ΔΦ为：

由于磁通量的变化会引起线圈电感的变化，根据毕奥-萨伐定律可知线圈电感的变化量为：

电感变化导致线圈的阻抗发生变化，其变化量为：

ΔZ＝jωΔL

其中，ω为线圈激励信号的角频率。

探头的阻抗变化最终会影响其在平衡电桥上探头端的分压，通过实验验证，本发明的探头阻抗(变化范围接近1毫伏)与不同涂层厚度(厚度范围100至600微米)间存在近似线性的关系。

S2：平衡电桥和锁相放大器提取反映探头阻抗变化的直流信号U_out；

设ΔU与U的表达式为：

U＝V_ssin(ω_st+θ_s)

ΔU＝V_isin(ω_it+θ_i)

其中，V_s、ω_s和θ_s分别为U的幅值、角频率和相位，V_i、ω_i和θ_i分别为ΔU的幅值、角频率和相位；

相敏检波器对ΔU和U进行锁相放大处理后的信号为：

U_out＝UΔU＝V_ssin(ω_st+θ_s)V_isin(ω_it+θ_i)

U_out经低通滤波器处理后得到：

由于ΔU与U作为平衡电桥并联的两端，其角频率一致，因此最终得到反映探头阻抗变化的直流信号U_out：

S3：在待测件底部放置铝合金板17，如图6所示。重复步骤S1、S2，验证待测件底部存在金属结构的情况下是否会干扰探头，影响涂层厚度测试。经验证，不添加金属底板与添加金属底板后所得测试结果基本一致，探头不会受到待测件复合材料基底下方金属的干扰。

S4：将S2的测试结果与待测件实际厚度构成的数据组输入数据处理单元，完成直流信号-涂层厚度曲线的拟合步骤。

将U_out与对应的待测件实际厚度值作为训练数据，构建U_out-涂层厚度曲线模型。选取6组训练数据(U_outi,d_i),i＝1,2,…,6，其中，U_outi为第i组的反映探头阻抗的直流信号，d_i为第i组的涂层厚度。使用回归直线方程确定U_outi与d_i之间的关系模型。计算过程如下所示：

得到U_outi与d_i之间的关系模型为将探头放置在厚度未知的涂层上，可获得的电压信号U_unk，输入到U_out-涂层厚度曲线模型中，即可得到厚度

S5：选取雷达吸波涂层厚度为200到300微米的待测件，重复步骤S1、S2测得待测件涂层厚度，与采用千分尺测得的结果进行比较，验证本发明的可靠性。

从上述实例可知，本发明从测量原理上避免了与基底接触的金属结构对测试结果的干扰,实现了对复合材料基底表面雷达吸波涂层的厚度测量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，其特征在于，包括：

一探头，包括磁芯、线圈、外壳以及滑槽；所述磁芯采用开口C型，在磁芯的外围缠绕线圈，线圈经导线与信号调理电路中的平衡电桥相连；磁芯和线圈通过灌封处理方式用非导磁灌封材料固定在外壳内部，外壳底部为平整的，非导磁灌封材料在外壳底部完全露出，外壳外部装有导向结构，导向结构通过膨胀旋钮固定在滑槽轨道上的任意位置，使探头能够根据被测对象的几何结构调整外壳的位置，从而获取因涂层厚度引起的阻抗变化电压信号；

一信号发生模块，与信号调理电路中的平衡电桥相连；信号信号发生模块通过平衡电桥对线圈施加正弦激励信号，探头在正弦激励信号的作用下，其内部的磁芯形成由磁芯开口间隙部分和磁芯部分构成的闭合磁路；

一信号调理电路，包括平衡电桥和锁相放大器，其中，锁相放大器又包括差分放大模块、输入放大模块、相敏检波器以及低通滤波器；

探头阻抗变化电压信号导致平衡电桥中探头端与由信号发生模块直接提供激励信号的参考端之间形成电位差，从而使平衡电桥获取到探头的阻抗变化电压信号与平衡电桥参考端之间的差分信号；将差分信号输入到差分放大模块，获得表征探头阻抗变化的电压差分信号ΔU；信号发生模块再提供与电压差分信号ΔU频率相同的信号U，并输入到输入放大模块，然后通过相敏检波器对ΔU和U进行锁相放大处理后，通过低通滤波器滤波处理后，得到反映探头阻抗变化的直流信号U_out；

一数据处理单元，将直流信号U_out进行AD转换和涂层厚度反演运算，最终计算出涂层厚度值。

2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，所述的探头阻抗发生变化时的变化量为：

设磁芯开口间隙部分的长度为l₁，磁芯部分的长度为l₂；

信号发生模块通过平衡电桥对线圈施加正弦激励信号后线圈产生的磁动势E_m为：

E_m＝NI

其中，N为线圈匝数，I为通过线圈的电流；

由l₁和l₂构成的闭合磁路的磁通量Φ为：

其中，μ₁为开口间隙部分的导磁率，μ₂为磁芯部分的磁导率，S₁为开口间隙部分磁路的截面积，S₂为磁芯部分的截面积，由于磁芯开口间隙较小，当探头与涂层未接触时，可认为S₁≈S₂；

当探头与涂层接触时，由于涂层具有导磁性，磁芯与涂层构成了新的闭合磁路，其磁通变化量ΔΦ为：

其中，开口间隙部分发生变化后的磁导率为μ₁'，横截面为S₁'；

由于磁通量的变化会引起线圈电感的变化，根据毕奥-萨伐定律可知线圈电感的变化量为：

电感变化导致线圈的阻抗发生变化，其变化量为：

ΔZ＝jωΔL

其中，ω为线圈的角频率。

3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料表面涂层厚度的电磁感应测厚系统，所述的反映探头阻抗变化的直流信号U_out的计算方法为：

设ΔU与U的表达式为：

U＝V_s sin(ω_st+θ_s)

ΔU＝V_i sin(ω_it+θ_i)

其中，V_s、ω_s和θ_s分别为U的幅值、角频率和相位，V_i、ω_i和θ_i分别为ΔU的幅值、角频率和相位；

相敏检波器对ΔU和U进行锁相放大处理后的信号为：

U_out＝UΔU＝V_s sin(ω_st+θ_s)V_isin(ω_it+θ_i)

U_out经低通滤波器处理后得到：

由于ΔU与U作为平衡电桥并联的两端，其角频率一致，因此最终得到反映探头阻抗变化的直流信号U_out：