CN109668506B - 一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法，先通过激励线圈的磁场分布来建立测试模型，然后求取激励线圈产生的激励磁场在被测试件中产生的涡流密度分布与趋肤深度的关系，再通过涡流密度分布求解出被测试件中涡流产生的磁感应强度，最后在被测试件被磁化的状态下，建立涡流磁感应强度与被测试件的厚度关系，并通过传感器实时测量涡流磁感应强度用于求取出被测试件的厚度。

Description

一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法

技术领域

本发明属于涡流电磁场技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法。

背景技术

目前，在工业生产和设备检测中，对于金属板材或者金属设备的厚度测量，通常有超声、射线、电磁涡流等不同方法。其中，涡流无损检测技术具有灵敏度高、检测速度快、非接触等特点而广泛应用于金属厚度检测，它的原理是当载有交变电流的检测线圈靠近金属导体时在导体中产生涡流，该涡流又影响原磁场，使得线圈的阻抗和感应电压发生变化，通过分析阻抗或感应电压的变化来获得被测导体的信息.。

其中，针对基于涡流特性的测厚方法主要依据涡流的瞬态特性，即利用趋肤效应，求取趋肤深度与频率之间的关系来检测被测材料的厚度，这种方法技术比较成熟，测量精度达到μm级别，但是对基于涡流稳态特性的测厚方法研究鲜有报道或文献记载。因此，对基于涡流稳态特性的磁性金属材料的厚度检测研究，成为工业测量领域内亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法，利用涡流动态特性来实时测量被测试件的厚度。

为实现上述发明目的，本发明一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立测试模型

在激励线圈中心插入圆柱型探针，在探针垂线方向，距离探针下端探头距离为d处设为点a，在点a处放置被测试件，在探针下端探头处设置HALL传感器；

在点a处由激励线圈产生的磁感应强度B₁为：

其中，μ为探针的磁导率，I₁为激励线圈的激励电流，r为激励线圈的半径，r_p为探头的半径，n为激励线圈的匝数，

为绕制激励线圈材料的直径；

(2)、计算被测试件的涡流密度分布

(2.1)、计算被测试件在点a处感生出的电场E₁；

其中，S为探头下一个圆形闭合平面的面积；

(2.2)、计算点a处被测试件表面的涡流密度J；

其中，σ为被测试件的电导率，M为常数；

当激励线圈在正弦信号I₁＝Acos(ωt)的激励下，那么在点a处被测试件表面的涡流密度J表示为：

J＝σMSAω·sin(ωt)

其中，A为正弦信号的幅度，ω为正弦信号的角频率；

(2.3)、计算被测试件内部的涡流密度J(h')；

J(h')＝J·e^h'^/δ＝σMSAω·sin(ωt)·e^h'^/δ

其中，J(h')表示被测试件内部h'深度处的涡流密度，δ表示在角频率ω下被测试件中涡流的趋肤深度；

(3)、根据被测试件内部的涡流密度J(h')计算被测试件内部的涡流磁感应强度B₂；

其中，B₂方向与B₁相反，μ₂为被测试件的磁导率，r_s为被测试件中涡流的等效最大半径，J(z)表示试件z深度处的涡流密度；

(4)、建立稳态特性与被测试件的厚度关系

(4.1)、估算被测试件在完全被磁化时的磁导率；

被测试件在完全被磁化时满足：μH＞εH₀s₀m₀h，其中，h为被测试件厚度，s₀为单位体积的底面积，ε为磁极子间摩擦衰减因子，H为稳态磁场强度，H₀为单个磁极子提供的磁场强度，m₀为单位体积可磁化磁极子数；

稳态特性下，稳态磁场强度与单磁极子的关系为：H＝kH₀，其中，k为磁场合成因子；

那么被测试件在完全被磁化时的磁导率估计值

为：

(4.2)、用

替换μ₂，估算出被测试件内部的涡流磁感应强度B₂；

(4.3)、估算被测试件的厚度h；

(5)、计算待测试件的厚度

(5.1)、当只有激励线圈工作时，点a处未放置被测试件，利用HALL传感器测出激励线圈在点a处的磁感应强度B₁；

(5.2)、当磁场稳定时，在点a处放置被测试件，然后利用HALL传感器测出点a处的磁感应强度，记为B_总；B_总是激励线圈磁感应强度B₁与涡流磁感应强度B₂叠加而成，且B₂与B₁方向相反，故B₂＝B_总-B₁；

(5.3)、将测出的涡流磁感应强度B₂代入至步骤(4.3)的公式中，计算出被测试件的厚度。本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法，先通过激励线圈的磁场分布来建立测试模型，然后求取激励线圈产生的激励磁场在被测试件中产生的涡流密度分布与趋肤深度的关系，再通过涡流密度分布求解出被测试件中涡流产生的磁感应强度，最后在被测试件被磁化的状态下，建立涡流磁感应强度与被测试件的厚度关系，并通过传感器实时测量涡流磁感应强度用于求取出被测试件的厚度。

同时，本发明一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明通过建立涡流磁场与被测试件的厚度关系，推导出涡流磁感应强度与被测试件的厚度关系式，由此非常有效、快捷、简单的测量处被测试件的厚度；

(2)、本发明采用了磁场的磁化动态特性，能够实现对所有利用磁化特性的材料厚度测量；

(3)、相比其他的涡流测厚方法，本发明提供的测厚方法完成材料厚度测量，操作比较方便，误差比较小，测量结果更加准确。

附图说明

图1是本发明一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法流程图；

图2是本发明搭建的测试模型示意图；

图3是测试值与实际值的曲线图；

图4是均值的拟合曲线。

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是本发明一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法，包括以下步骤：

S1、建立测试模型

如图2所示，在激励线圈中心插入圆柱型探针，在探针垂线方向，距离探针下端探头距离为d处设为点a，在点a处放置被测试件，在探针下端探头处设置HALL传感器，用于测量点a处磁感应强度；在本实施例中，探针采用圆柱型铁芯。

在点a处由激励线圈产生的磁感应强度B₁为：

其中，μ为探针的磁导率，I₁为激励线圈的激励电流，r为激励线圈的半径，r_p为探头的半径，n为激励线圈的匝数，

为绕制激励线圈材料的直径；

S2、计算被测试件的涡流密度分布

S2.1、计算被测试件在点a处感生出的电场E₁；

其中，S为探头下一个圆形闭合平面的面积，上标箭头表示向量，在实际情况下，由于该面积很小，可以将S平面内通过的磁感应强度看作均匀电场。

S2.2、计算点a处被测试件表面的涡流密度J；

其中，σ为被测试件的电导率，M为常数；

当激励线圈在正弦信号I₁＝Acos(ωt)的激励下，那么在点a处被测试件表面的涡流密度J表示为：

J＝σMSAω·sin(ωt)

其中，A为正弦信号的幅度，ω为正弦信号的角频率；

S2.3、在无限导体平面内，导体内的电流密度会从表面到体内逐渐衰减，那么被测试件内部的涡流密度J(h')；

J(h')＝J·e^h'^/δ＝σMSAω·sin(ωt)·e^h'^/δ

其中，J(h')表示被测试件内部h'深度处的涡流密度，δ表示在角频率ω下被测试件中涡流的趋肤深度；

S3、由于探头相对于被测试件的尺寸很小，因此被测试件可以被看成是无限大导体表面，且涡流在导体中呈环状，同环形电流理论一样，涡流产生的磁感应强度B₂可表示：

其中，B₂方向与B₁相反，μ₂为被测试件的磁导率，r_s为被测试件中涡流的等效最大半径，J(z)表示试件z深度处的涡流密度；

在本实施例中，由于探头尺寸很小，因此等效涡流半径r_s在这里认为是一个很小的常数，ω＝2πf，f为该激励下的频率，则B₂可表示为：

考虑到涡流的衰减和传感器的尺寸，涡流的有效半径r_s远大于d+z，为简化计算，令

则经积分计算可得：

通过上式，可以计算出在同一激励频率下，从导体表面到h深度的涡流在点a处产生的磁感应强度。

S4、建立稳态特性与被测试件的厚度关系

S4.1、估算被测试件在完全被磁化时的磁导率；

被测试件在完全被磁化时满足：μH＞εH₀s₀m₀h，其中，h为被测试件厚度，s₀为单位体积的底面积，ε为磁极子间摩擦衰减因子，H为稳态磁场强度，H₀为单个磁极子提供的磁场强度，m₀为单位体积可磁化磁极子数；

稳态特性下，稳态磁场强度与单磁极子的关系为：H＝kH₀，其中，k为磁场合成因子；

那么被测试件在完全被磁化时的磁导率估计值

为：

S4.2、用

替换μ₂，估算出被测试件内部的涡流磁感应强度B₂；

S4.3、估算被测试件的厚度h；

在本实施例中，当被测试件的材料为颗粒状高导磁材料时，h远大于δ，那么指数的负无穷就趋向零，则e^-h/δ＝0，此时

上式等号右边中除了厚度h，其他都是可测或已知常数，因此厚度h和涡流中产生的磁感应强度B₂存在一一对应的关系，可用此式测得B₂进而求取材料厚度h值。经变换可得：

S5、计算待测试件的厚度

S5.1、当只有激励线圈工作时，点a处未放置被测试件，利用HALL传感器测出激励线圈在点a处的磁感应强度B₁；

S5.2、当磁场稳定时，在点a处放置被测试件，然后利用HALL传感器测出点a处的磁感应强度，记为B_总；B_总是激励线圈磁感应强度B₁与涡流磁感应强度B₂叠加而成，且B₂与B₁方向相反，故B₂＝B_总-B₁；

S5.3、将测出的涡流磁感应强度B₂代入至步骤S4.3的公式中，计算出被测试件的厚度。

在本实施例中，对厚度已知的材料试件根据上述方法进行测试，记录下实际值与测试值，并计算其误差。测试数据如表1所示，测试值与实际值的曲线图如图3所示，从图中可以看出，此方法的误差很小，在理想的测量范围之内。

表1

对不同厚度的材料试件进行多次测试，记录下测试值，求厚度的均值和标准差，并对均值进行拟合。测试数据如表2所示，，可以看出，标准差是比较小的，说明数据的波动不大，也就说这种测厚方法的稳定性很好。均值的拟合曲线如图4所示，可以看出测试的厚度均值与涡流磁感应强度有着良好的线性关系，这也方便了厚度测量。

实际厚度	112	220	336	438	497	598
							测量点1	123	210	354	443	513	586
测量点2	113	226	338	418	517	590
							测量点3	108	213	362	436	486	613
测量点4	100	206	336	426	509	602
							测量点5	111	211	343	425	516	594
平均值	111	213.2	346.6	429.6	500.2	597
							标准差	8.33667	7.5961	11.082	9.8641	12.795	10.72

表2

在本实施例中，通过上述方法和操作，从得到的结果来看，用本发明进行材料测厚时，误差比较小，准确度很高，材料厚度均值与涡流磁感应强度有着良好的线性关系，操作很方便；因此，本发明完全可以应用于实际测厚中。

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 (1)

1.一种基于涡流稳态特性的磁性金属材料厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立测试模型

在激励线圈中心插入圆柱型探针，在探针垂线方向，距离探针下端探头距离为d处设为点a，在点a处放置被测试件，在探针下端探头处设置HALL传感器；

在点a处由激励线圈产生的磁感应强度B₁为：

其中，μ为探针的磁导率，I₁为激励线圈的激励电流，r为激励线圈的半径，r_p为探头的半径，n为激励线圈的匝数，

为激励线圈的直径；

(2)、计算被测试件的涡流密度分布

(2.1)、计算被测试件在点a处感生出的电场E₁；

其中，S为探头下一个圆形闭合平面的面积；

(2.2)、计算点a处被测试件表面的涡流密度J；

其中，σ为被测试件的电导率，M为常数；

当激励线圈在正弦信号I₁＝Acos(ωt)的激励下，那么在点a处被测试件表面的涡流密度J表示为：

J＝σMSAω·sin(ωt)

其中，A为正弦信号的幅度，ω为正弦信号的角频率；

(2.3)、计算被测试件内部的涡流密度J(h')；

J(h')＝J·e^h'/δ＝σMSAω·sin(ωt)·e^h'/δ

其中，J(h')表示被测试件内部h'深度处的涡流密度，δ表示在角频率ω下被测试件中涡流的趋肤深度；

(3)、根据被测试件内部的涡流密度J(h')计算被测试件内部的涡流磁感应强度B₂；

其中，B₂方向与B₁相反，μ₂为被测试件的磁导率，r_s为被测试件中涡流的等效最大半径，J(z)表示试件z深度处的涡流密度；

(4)、建立稳态特性与被测试件的厚度关系

(4.1)、估算被测试件在完全被磁化时的磁导率；

被测试件在完全被磁化时满足：μH＞εH₀s₀m₀h，其中，h为被测试件厚度，s₀为单位体积的底面积，ε为磁极子间摩擦衰减因子，H为稳态磁场强度，H₀为单个磁极子提供的磁场强度，m₀为单位体积可磁化磁极子数；

稳态特性下，稳态磁场强度与单磁极子的关系为：H＝kH₀，其中，k为磁场合成因子；

那么被测试件在完全被磁化时的磁导率估计值

为：

(4.2)、用

替换μ₂，估算出被测试件内部的涡流磁感应强度B₂；

(4.3)、估算被测试件的厚度h；

(5)、计算待测试件的厚度

(5.1)、当只有激励线圈工作时，点a处未放置被测试件，利用HALL传感器测出激励线圈在点a处的磁感应强度B₁；

(5.2)、当磁场稳定时，在点a处放置被测试件，然后利用HALL传感器测出点a处的磁感应强度，记为B_总；B_总是激励线圈磁感应强度B₁与涡流磁感应强度B₂叠加而成，且B₂与B₁方向相反，故B₂＝B_总-B₁；

(5.3)、将测出的涡流磁感应强度B₂代入至步骤(4.3)的公式中，计算出被测试件的厚度。

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