CN109188094A - 一种金属材料电导率的检测方法和检测装置 - Google Patents

一种金属材料电导率的检测方法和检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属材料电导率的检测方法和检测装置，属于电磁检测技术领域。具体为将四根探针放置于被检金属构件的检测区域表面，将电流激励探针对接入双极性脉冲电流源，电压检测探针对接入电压表，利用处理器控制双极性脉冲电流源输出正负脉冲电流，利用电压表采集电压检测探针对两端的电压信号后输出数字量的电压检测信号给处理器，在处理器内对电压检测信号进行处理，计算出电压检测信号峰峰值的平均值，结合正负脉冲电流的幅值和系统修正系数计算被检金属构件的电导率。利用本发明所提供的方法能够同时用于检测铁磁金属材料和非铁磁金属材料的电导率，适用性更广，同时采用正负脉冲电流激励，消除测量时的零点偏移误差。

Description

一种金属材料电导率的检测方法和检测装置
技术领域
本发明属于电磁检测技术领域，涉及一种金属材料电导率的检测方法和检测装置。
背景技术
电导率是表征金属材料导电性能的一个重要参数，它与材料的材质、微观组织、热处理状态密切相关。通过检测金属材料的电导率，可以对原材料进行分拣和辨识，判断退火、淬火等热处理状态，评估构件的硬度和机械性能，检测构件内残余应力和金相组织变化等。因此，对金属材料的电导率进行无损检测，具有重要意义。
四探针法是目前测量土壤、半导体等材料电导率的重要方法，它具有设备简单、操作方便、测量结果比较准确的优点。典型的四探针法有四根金属探针与被检构件接触，通过其中两根探针往被检构件中通入一定的直流电流，然后用电压表测量另外两根探针之间的直流电压，以此计算出被检构件的电导率。
因为金属材料的导电性好，电导率一般较大，所以用四探针法检测金属构件电导率时，需要很大的电流激励，才能产生足够强度的电压信号，导致现有的直流四探针法无法检测金属构件的电导率。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属材料电导率的检测方法和检测装置。利用幅值大、持续时间短的正负脉冲电流作为激励，通过两根探针通入被检金属构件中，然后用电压表采集另外两根探针之间的电压信号后输出电压检测信号给处理器，处理器计算出电压检测信号的峰峰值，最后计算出被检金属构件的电导率。
本发明提供一种金属材料电导率的检测方法，具体包括步骤：
步骤一、对被检金属构件进行表面预处理，在被检金属构件表面标记检测区域。
步骤二、将电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1和电压检测探针P2垂直放置于被检金属构件的检测区域表面，使四个探针与被检金属构件之间电气接触；将电流激励探针C1和C2接入双极性脉冲电流源，电压检测探针P1和P2接入电压表。
步骤三、在检测时间t＝0时刻开始，处理器向双极性脉冲电流源输出触发信号，控制双极性脉冲电流源为电流激励探针C1和C2输出正负脉冲电流。
步骤四、利用电压表采集电压检测探针对P1和P2两端的电压信号，并输出数字量的电压检测信号给处理器。
步骤五、在处理器内对电压检测信号进行处理，计算出电压检测信号峰峰值的平均值Up，结合正负脉冲电流的幅值I0，计算被检金属构件的电导率σ：
进一步的，采用系统修正系数κ，对所计算出被检金属构件的电导率σ进行修正，得到最终电导率σ′：
步骤六、重复步骤二～步骤五5～10次，将多次计算出的电导率取平均值，作为该被检金属构件电导率的检测结果。本发明还提供一种金属材料电导率的检测装置，包括电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1、电压检测探针P2、处理器、双极性脉冲电流源和电压表。所述电流激励探针C1、电流激励探针C2构成激励电流探针对，所述的电压检测探针P1、电压检测探针P2构成电压检测探针对。激励电流探针对连接双极性脉冲电流源，电压检测探针对连接电压表，双极性脉冲电流源和电压表均接入处理器。处理器向双极性脉冲电流源输出触发信号，控制双极性脉冲电流源为四探针探头中的电流激励探针对提供正负脉冲激励电流，然后在电压检测探针对的两端会产生电压信号；所述电压信号经电压表采集后输出数字量的电压检测信号给处理器；处理器对接收到的电压检测信号进行处理后得到被检金属构件的电导率并进行结果显示。
利用本发明所提供的检测方法和检测装置对金属材料电导率实施检测的优点在于：
1、本发明采用持续时间短、占空比小的正负脉冲电流激励，降低检测过程对弱电压信号的测量要求，提高信噪比；有效降低激励电流有功功率，减小对双极性脉冲电流源输出功率的需求，减少探针和被检金属构件上大电流流过时局部的发热量，同时消除电压信号测量时的零点漂移误差。
2、本发明检测方法可同时用于检测铁磁金属材料和非铁磁金属材料的电导率，检测结果不受材料磁导率的影响，适用性更广。
3、本发明检测方法结合系统修正系数计算被检金属构件的电导率，可以消除检测过程中由于探针间距发生偏移和正负脉冲电流引起的系统误差，同时重复多次检测消除检测过程的随机误差。
附图说明
图1是本发明金属材料电导率的检测装置的结构示意图。
图2是本发明方法中正负脉冲激励电流波形示意图。
图3是本发明电压检测探针对之间的电压信号的波形。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，是本发明提供的一种金属材料电导率的检测装置的结构示意图，所述检测装置包括电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1、电压检测探针P2、处理器、双极性脉冲电流源和电压表。利用所述检测装置可以实现对被检金属构件进行电导率的检测。所述电流激励探针C1、电流激励探针C2构成激励电流探针对，所述的电压检测探针P1、电压检测探针P2构成电压检测探针对。四根探针为耐高温、耐磨的钨钢材质。四根探针等间距直线排列在被检金属构件的检测区域表面，相邻两个探针之间的间距为a，位于两侧的两根探针是激励电流探针对，位于中间的两根探针为电压检测探针对。被检金属构件是导电良好的金属材料，被检金属构件与四根探针之间具有良好的电气接触。激励电流探针对连接双极性脉冲电流源，电压检测探针对连接电压表，双极性脉冲电流源和电压表均接入处理器。
处理器能够实现激励电流触发控制、电压信号采集控制、数据存储和信号处理，为双极性脉冲电流源输出触发信号，对接收的电压信号进行处理，计算出被检金属构件的电导率并进行结果显示。
在所述的检测装置中，处理器向双极性脉冲电流源输出触发信号，控制双极性脉冲电流源为四探针探头中的电流激励探针对提供正负脉冲激励电流，然后在电压检测探针对的两端会产生电压信号；所述电压信号经电压表采集后输出数字量的电压检测信号给处理器；处理器对接收到的电压检测信号进行处理后得到被检金属构件的电导率并进行结果显示。
本发明提供一种金属材料电导率的检测方法，所述检测方法具体步骤如下：
步骤一、对被检金属构件进行表面预处理，在被检金属构件表面标记检测区域。
优选地，对被检金属构件的局部区域进行表面预处理，将表面预处理后的局部区域标记为检测区域。
所述表面预处理为打磨被检金属构件表面的油漆层、氧化皮或铁锈，露出被检金属构件的金属本体；所述局部区域为被检金属构件表面4mm*1mm大小的区域，距离被检金属构件四周边缘的距离均大于10mm。
步骤二，将电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1和电压检测探针P2垂直放置于被检金属构件的检测区域表面，使探针与被检金属构件之间具有电气接触；将电流激励探针C1和C2接入双极性脉冲电流源，电压检测探针P1和P2接入电压表。
如图1所示，四根探针具体为等间距直线排列在检测区域表面，位于两侧的为电流激励探针对，位于中间的为电压检测探针对，相邻探针之间的间距相等，均为a(a＝0.5～1mm)。
步骤三、在检测时间t＝0时刻开始，处理器向双极性脉冲电流源输出触发信号，控制双极性脉冲电流源为电流激励探针C1和C2输出正负脉冲电流，如图2所示。
正负脉冲电流的脉宽Ton为10～100ms，正负脉冲电流的幅值I0为1～10A，关断时间Toff为0.1～1s，占空比小于10％，正负脉冲电流重复周期数N为10～20。
步骤四、利用电压表采集电压检测探针对两端的电压信号(单位为V)，并输出数字量的电压检测信号给处理器。电压信号的波形图如图3所示。
步骤五、在处理器内对电压检测信号进行处理，计算出电压检测信号峰峰值的平均值Up，结合正负脉冲电流的幅值I0计算被检金属构件的电导率σ。
优选地，在步骤五中，利用电压检测信号峰峰值的平均值Up与正负脉冲电流的幅值I0结合系统修正系数κ计算出被检金属构件的电导率σ。由于四探针探头的加工误差，以及大激励电流的热效应，容易使四根探针之间的间距a发生偏移，会引起偏移误差；此外，双极性脉冲电流源对正负脉冲电流的幅值I0的输出控制，也存在一定的误差。为了消除这些系统误差，检测前需要利用电导率标准试块对检测装置进行校准，计算出系统修正系数，利用校准成功的系统修正系数κ计算出被检金属构件的电导率σ。
系统修正系数κ的计算过程为：将四根探针放置在已知电导率为σ0(σ0＝1～10MS/m)的电导率标准试块(材质为黄铜、铝合金或不锈钢等非铁磁金属材料)的检测区域表面，通过双极性脉冲电流源向电流激励探针对通入正负脉冲电流后，利用电压表采集得到电压检测探针对两端的电压信号后，将电压信号以数字量的电压检测信号传输到处理器，通过处理器处理得到电压检测信号的峰峰值平均值Up0，计算出系统修正系数κ：
如果计算出的系统修正系数κ的值在0.9～1.1之间，则表示校准成功，将κ值存储在处理器中；否则，重新校准。
利用校准成功的系统修正系数κ计算出被检金属构件的电导率σ′。
步骤六、重复步骤二～步骤五5～10次，每次采用相同的系统修正系数κ，将多次计算出的电导率取平均值，作为该被检金属构件电导率的检测结果。
为了减小探针之间随机的游移造成的随机误差，将四探针探头移开被检金属构件后，重复步骤二～步骤五5～10次，利用5～10次计算出电导率平均值，将该电导率平均值作为该被检金属构件电导率的检测结果。
实施例1
下面给出一个用本发明中方法对非铁磁性和铁磁性被检金属构件实施电导率检测的实施例。
被检金属构件是五块直径均为100mm，厚度均为6mm的圆柱形试块，材质分别为黄铜、铝合金、20#钢、45#钢和Q235钢。
四根探针的间距a为1±0.01mm，双极性脉冲电流源(脉冲电流幅值为±5A)输出幅值I0为2.0A的正负脉冲电流，用采样率为1kS/s的电压表(安捷伦34410A六半位数字万用表)测量电压检测探针对之间的电压信号，并输出数字量的电压检测信号给处理器，在处理器内对电压检测信号进行处理，结合系统修正系数计算出电压检测信号峰峰值的平均值Up，进而计算被检金属构件的电导率。按照本发明中步骤分别对每个试块的电导率测量10组数据，不同材质实验试块的电导率测量结果如表1所示。计算出各试块电导率的平均值和标准差分别为15.95±0.27MS/m、18.38±0.45MS/m、5.16±0.05MS/m、7.03±0.11MS/m和6.86±0.08MS/m。
用商用正弦涡流电导率仪对黄铜和铝合金两块非铁磁金属试块的电导率进行测量，其电导率分别为15.9±0.32MS/m和18.0±0.36MS/m。可见，利用本发明中脉冲电流激励四探针电导率检测方法，对非铁磁金属材料的电导率的检测结果与利用商用正弦涡流电导率仪的测量结果基本一致，同时，利用本发明提供的脉冲电流激励四探针电导率检测方法还可以对铁磁性金属材料(20#钢、45#钢、Q235钢)的电导率进行检测，验证了本发明中方法检测金属材料电导率的可行性和可靠行。
表1不同材质实验试块的电导率测量结果 单位：MS/m

Claims (9)

1.一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，具体包括步骤：
步骤一、对被检金属构件进行表面预处理，在被检金属构件表面标记检测区域；
步骤二、将电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1和电压检测探针P2垂直放置于被检金属构件的检测区域表面，使探针与被检金属构件之间具有电气接触；将电流激励探针C1和C2接入双极性脉冲电流源，电压检测探针P1和P2接入电压表；
步骤三、在检测时间t＝0时刻开始，处理器向双极性脉冲电流源输出触发信号，控制双极性脉冲电流源为电流激励探针C1和C2输出正负脉冲电流；
步骤四、利用电压表采集电压检测探针对两端的电压信号，并输出数字量的电压检测信号给处理器；
步骤五、在处理器内对电压检测信号进行处理，计算出电压检测信号峰峰值的平均值Up，结合正负脉冲电流的幅值I0计算被检金属构件的电导率；
步骤六、重复步骤二～步骤五5～10次，将多次计算出的电导率取平均值，作为该被检金属构件电导率的检测结果。
2.如权利要求1所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，在步骤一中，对被检金属构件的局部区域进行表面预处理，将表面预处理后的局部区域标记为检测区域。
3.如权利要求1所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，所述表面预处理为打磨被检金属构件表面的油漆层、氧化皮或铁锈，露出被检金属构件的金属本体。
4.如权利要求1所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1和电压检测探针P2等间距a直线排列在检测区域表面，电流激励探针C1和电流激励探针C2位于两侧，电压检测探针P1和电压检测探针P2位于中间。
5.如权利要求4所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，任意相邻两个探针之间的间距a＝0.5～1mm。
6.如权利要求1所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，正负脉冲电流的脉宽Ton为10～100ms，正负脉冲电流的幅值I0为1～10A，关断时间Toff为0.1～1s，占空比小于10％，正负脉冲电流重复周期数N为10～20。
7.如权利要求1所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，步骤五中还包括对所计算被检金属构件的电导率的进行修正的步骤，具体为采用系统修正系数κ对计算出的被检金属构件的电导率σ进行修正，得到的最终电导率σ′为：
其中，系统修正系数κ的值在0.9～1.1之间。
8.如权利要求7所述的一种金属材料电导率的检测方法，其特征在于，系统修正系数κ的计算过程为：将四根探针放置在电导率为σ0的电导率标准试块的检测区域表面，通过双极性脉冲电流源向电流激励探针对通入正负脉冲电流后，利用电压表采集得到电压检测探针对两端的电压信号后，将电压信号以数字量的电压检测信号传输到处理器，通过处理器处理得到电压检测信号的峰峰值平均值Up0，计算出系统修正系数κ：
如果计算出的系统修正系数κ的值在0.9～1.1之间，则表示校准成功，将κ值存储在处理器中；否则，重新校准。
9.一种金属材料电导率的检测装置，其特征在于，包括电流激励探针C1、电流激励探针C2、电压检测探针P1、电压检测探针P2、处理器、双极性脉冲电流源和电压表；所述电流激励探针C1、电流激励探针C2构成激励电流探针对，所述的电压检测探针P1、电压检测探针P2构成电压检测探针对；激励电流探针对连接双极性脉冲电流源，电压检测探针对连接电压表，双极性脉冲电流源和电压表均接入处理器；处理器向双极性脉冲电流源输出触发信号，控制双极性脉冲电流源为电流激励探针对提供正负脉冲激励电流，然后在电压检测探针对的两端会产生电压信号；所述电压信号经电压表采集后输出数字量的电压检测信号给处理器；处理器对接收到的电压检测信号进行处理后得到电压检测信号峰峰值的平均值Up，结合系统修正系数κ，得到被检金属构件的最终电导率σ′并进行结果显示。
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