CN110672001A - 一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法及装置，该方法通过将激励探头置于具有不同厚度非铁磁材料的标准试块上，并对激励探头的激励线圈上施加正弦信号，使之产生磁场，并在“U”型磁轭与铁磁性材料表面形成闭合磁路；然后利用检测探头拾取在提离过程中磁路内磁场变化信息，将检测到的磁信号转化成电压信号，并将电压信号输送至PC机，计算得到厚度值；这样，即可对铁磁性材料表面的非铁磁性材料厚度进行测量，具有无损、快速，准确等优点，而且该装置包括依次连接的激励模块、探头模块、信号处理模块、信号采集模块、PC处理显示模块，整个装置抗干扰性强，操作简单，在厚度测量领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无损测厚技术领域，特别涉及一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法及装置。
背景技术
目前，市场上有一类产品是在铁磁性材料表面覆盖一层非铁磁性材料包覆层或是特殊材料涂层，以起到保护下层铁磁性材料的作用，如广泛使用于石化行业的带包覆层的管道和压力容器、航空航天领域中带特殊涂层材料的飞行器外壳及工业设备中常用的泰勒阀中的密封球等。此类产品在生产过程中，因生产工艺等原因致使表面包覆层及涂层分布不均匀，影响产品的性能，以及产品在常期使用的过程中，表层的包覆层及涂层易产生磨损，致使失去保护作用。所以对此类产品在生产及在役使用过程中的检测十分重要。
然而，申请人发现：对此类产品包覆层及涂层厚度测量方法主要有破损检测法和无损检测法两大类，其中破损检测(如针刺法等)的方法对产品本身会造成破坏；无损方法有超声，电磁法，其中超声测厚受包覆层内部结构影响较大，故对于内部结构复杂的包覆层厚度测量精度有限，而电磁法与前面的方法相比则具有无损，安全，易操作等优点；但目前应用于测厚的电磁方法主要是涡流测厚法，中国专利文件“一种新型电涡流测厚仪”(专利申请号200920246910.2)和“一种脉冲涡流测厚仪”(专利申请号201120184916.9)分别从机械装置和硬件电路的角度公开了一种涡流测厚仪。在测量铁磁性材料表面非铁磁性材料厚度时，由于涡流探头阻抗随材料厚度变化呈非线性关系，故在后续信号处理电路中加入非线性校正电路，这必将给测厚结果带来了一定的误差。为了提高测量精度，专利“一种金属基体上非金属覆盖层厚度的检测方法”(专利申请号200810306618.5)公开了一种方法：通过制作与待测工件相同的试件对涡流测厚仪进行校准以提高检测精度。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可对铁磁性材料表面的非铁磁性材料厚度进行测量，具有无损、快速，准确等优点的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，以及实现该铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法的装置，整个装置抗干扰性强，操作简单，具有广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，包括有以下步骤：
制作一套具有不同厚度非铁磁材料的标准试块；
将激励探头置于具有不同厚度非铁磁材料的标准试块上，并对激励探头的激励线圈上施加正弦信号，使之产生磁场，并在“U”型磁轭与铁磁性材料表面形成闭合磁路；
利用检测探头拾取在提离过程中磁路内磁场变化信息，将检测到的磁信号转化成电压信号，并将电压信号输送至PC机，计算得到厚度值。
进一步地，将电压信号经采集卡输送至PC机，计算得到厚度值，具体为：利用检测探头拾取在提离过程中不同厚度非铁磁材料的标准试块检的磁信号转化成电压信号，并经采集卡输送至PC机，同时输入对应的厚度值；重复上述过程，直至将整套具有不同厚度非铁磁材料的标准试块测试完毕，最后由PC机算法拟合得到厚度值与电压值的对应关系式，计算得到相应的厚度值。
进一步地，所述标准试块采用铁磁性材料制作，厚度为50mm，其表面设有的非铁磁材料的厚度为0.1mm～50mm。
进一步地，所述标准试块共有101个，其中第1个标准试块的非铁磁材料的厚度为0.1mm，第2个标准试块至第101个标准试块的非铁磁材料的厚度从0.5mm到50mm呈等差数列方式递增，等差值为0.5mm。
一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，包括依次连接的激励模块、探头模块、信号处理模块、信号采集模块、PC处理显示模块；其中，
激励模块，包括信号发生器和功率放大电路，用以产生正弦信号并放大功率以驱动激励探头；
探头模块，包括激励探头和检测探头，所述激励探头在正弦激励作用下产生磁场，并在“U”型磁轭与铁磁性材料表面形成闭合磁路，所述检测探头用以拾取测厚提离过程中磁路内的磁场变化，并将磁信号转化为电压信号传递给后续信号处理模块；
信号处理模块，对获得的电压信号依次进行放大、检波、滤波处理，处理后传输至信号采集模块；
信号采集模块，将信号处理模块传输过来的电压信号进行A/D转换后传输至PC处理显示模块进行计算、显示计算结果。
进一步地，所述激励探头包括“U”型磁轭和缠绕在“U”型磁轭表面的激励线圈，所述激励线圈由直径为1mm铜线缠绕而成；所述检测探头包括“工”字型铁氧体和缠绕在“工”字型铁氧体的凹槽内的铜线，所述铜线的直径为0.03mm。
进一步地，所述信号处理模块由放大电路和检波电路组成，所述放大电路的输入端和输出端分别与检测探头的输出端和检波电路的输入端连接，所述检波电路的输出端与信号采集模块的输入端连接。
进一步地，所述探头模块还包括壳体、把手端和航空插座；其中，所述把手端和航空插座设于壳体的上表面，且所述把手端位于航空插座的正上方；所述激励探头和检测探头安装在壳体内，并通过导线与航空插座连接，同时所述检测探头位于激励探头的“U”型磁轭的下方，且所述检测探头设有检测探头外壳。
进一步地，所述探头模块还包括工件固定座，所述工件固定座设于壳体的底面，并设有截面为弧形的条状卡口或球面卡口；所述检测探头设置在“U”型磁轭的右脚表面上，以使得检测探头所检测到的磁场信息量更多，提高检测范围。
进一步地，所述壳体的底面设有卡接件，所述卡接件的两侧设有卡接槽，所述工件卡座的上端左右两侧设有卡边，所述卡边可拆卸地卡在卡接槽内，所述工件卡座的下端设有所述条状卡口或球面卡口。
本发明主要具有以下有益效果：
本发明通过上述技术方案，即可基于电磁检测技术对铁磁性材料表面的非铁磁性材料厚度进行测量，具有无损、快速，准确等优点，而且整个装置抗干扰性强，操作简单，在厚度测量领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法的流程示意图；
图2是本发明所述一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置实施例的电路结构示意框图；
图3是本发明所述一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置实施例的结构原理示意图；
图4是本发明所述一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置实施例中第一种探头模块的结构原理示意图；
图5是图4中A部的放大结构示意图；
图6是本发明所述一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置实施例中采用第一种探头模块的测厚工作原理示意图；
图7是本发明所述一种基于电磁检测技术的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置实施例中第二种探头模块的结构原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1中所示，本发明实施例所述的一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，包括有以下步骤：
步骤S1、制作一套具有不同厚度非铁磁材料的标准试块，所述标准试块采用铁磁性材料制作，厚度为50mm，其表面设有的非铁磁材料的厚度为0.1mm～50mm；具体可以为：所述标准试块共有101个，其中第1个标准试块的非铁磁材料的厚度为0.1mm，第2个标准试块至第101个标准试块的非铁磁材料的厚度从0.5mm到50mm呈等差数列方式递增，等差值为0.5mm。
步骤S2、将激励探头置于具有不同厚度非铁磁材料的标准试块上，并对激励探头的激励线圈上施加正弦信号，使之产生磁场，并在“U”型磁轭与铁磁性材料表面形成闭合磁路。
步骤S3、利用检测探头拾取在提离过程中磁路内磁场变化信息，将检测到的磁信号转化成电压信号，并将电压信号输送至PC机，计算得到厚度值。其中，将电压信号经采集卡输送至PC机，计算得到厚度值，具体为：利用检测探头拾取在提离过程中不同厚度非铁磁材料的标准试块检的磁信号转化成电压信号，并经采集卡输送至PC机，同时输入对应的厚度值；重复上述过程，直至将整套具有不同厚度非铁磁材料的标准试块测试完毕，最后由PC机算法拟合得到厚度值与电压值的对应关系式，计算得到相应的厚度值。
如图2至图6中所示，本发明实施例一所述的一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，包括依次连接的激励模块1、探头模块2、信号处理模块3、信号采集模块4、PC处理显示模块5。其中，所述激励模块1用以产生正弦信号并放大功率以驱动激励探头，具体包括有信号发生器11和功率放大电路12，所述功率放大电路12可以是功率放大器，所述信号发生器11的输出端与功率放大电路12的输入端连接，所述功率放大电路12的输出端与探头模块的激励探头连接，所述信号发生器11主要用于产生正弦信号并输送至功率放大电路12，所述功率放大电路12主要用于对正弦信号进行放大并输送至探头模块的激励探头21。所述探头模块2包括激励探头21和检测探头22；所述激励探头21在正弦激励作用下产生磁场，并在“U”型磁轭与待测工件6的铁磁性材料7表面形成闭合磁路8，所述激励探头21包括“U”型磁轭23和缠绕在“U”型磁轭23表面的激励线圈24，所述激励线圈24由直径为1mm铜线缠绕而成；所述检测探头22主要用以拾取测厚提离过程中磁路内的磁场变化，并将磁信号转化为电压信号传递给后续信号处理模块3，所述检测探头22包括“工”字型铁氧体25和缠绕在“工”字型铁氧体25的凹槽26内的铜线27，所述铜线27的直径为0.03mm。所述信号处理模块3主要用于对获得的电压信号依次进行放大、检波、滤波处理，处理后传输至信号采集模块；所述信号处理模块3由放大电路31和检波电路32组成，所述放大电路31的输入端和输出端分别与检测探头22的输出端和检波电路32的输入端连接，所述检波电路32的输出端与信号采集模块4的输入端连接。所述信号采集模块4主要由采集卡完成，用于将信号处理模块传输过来的电压信号进行A/D转换后传输至PC处理显示模块进行计算、显示计算结果(比如：在PC机上利用软件LabVIEW完成计算和显示)。
如图4和5，所述探头模块2还包括壳体28、把手端29和航空插座20。其中，所述把手端29和航空插座20设于壳体28的上表面，且所述把手端29位于航空插座20的正上方；所述激励探头21和检测探头22安装在壳体28内，并通过导线(图中未表示出来)与航空插座20连接，同时所述检测探头22位于激励探头21的“U”型磁轭23的下方，且所述检测探头22设有检测探头外壳221；具体结构可以为：所述壳体28包括上端盖281、下端盖282和侧盖板283，所述上端盖281和下端盖282分别设置在侧盖板283的上下两端，并通过锁紧螺钉(如：平头螺钉)284固定，构成壳体28；所述把手端29和航空插座20设于上端盖281的上表面，且航空插座20穿过上端盖281、伸入壳体28内，所述激励探头21和检测探头22设于壳体28内、并通过另一锁紧螺钉(如：平头螺钉)285安装在下端盖282的上表面。
如图6，本发明实施例一所述一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置工作时，首先激励探头21在正弦信号激励的作用下产生磁场，并在“U”型磁轭23和待测工件6的铁磁性材料7表面形成闭合磁路8，随着非铁磁性材料7的厚度D的增加，闭合磁路8内的磁场向外泄漏，形成漏磁场9，导致总磁通量的减小；然后检测探头22拾取测量提离过程中磁路的变化信息并将之转换为电压信号；接着信号处理模块3对电压信号依次进行放大、检波、滤波处理(因检测探头22检测到的电压信号值较小，故需先经放大电路31进行放大，再经检波电路32进行检波和滤除杂波信号)，提取厚度信号，以提高装置抗干扰性，并传输至信号采集模块4；再接着信号采集模块4将检测的电压信号进行A/D转换后输入PC处理显示模块5；最后PPC处理显示模块5对采集的数据进行计算并显示厚度值(即经过一套标准试块的测量，得到磁场电压值与实际厚度值的对应关系式，并以相同激励条件去测量实际工作，通过将所测得的磁场电压值代入关系式即可得到所测工件厚度值)。
综上所述，通过本发明所述方法和装置通过基于电磁检测技术即可对铁磁性材料表面的非铁磁性材料厚度进行测量，具有无损、快速，准确等优点，而且整个装置抗干扰性强，操作简单，在厚度测量领域具有广阔的应用前景。
如图7中所示，本发明实施例二所述的一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其结构与实施例一基本相同，包括依次连接的激励模块1、探头模块2、信号处理模块3、信号采集模块4和PC处理显示模块5，以及壳体28、把手端29和航空插座20。其区别仅在于：所述探头模块2还包括工件固定座286，所述工件固定座286设于壳体28的底面，并设有截面为弧形的条状卡口或球面卡口287；所述检测探头设置在“U”型磁轭的右脚表面上。使用时，将待测弧形表面的工件卡在工件固定座286的条状卡口或球面卡口287内，以实现工件表面具有一定弧度的管状、球形面的非铁磁性材料厚度的检测，并可实现较深厚度非铁磁性材料的检测，同时将“U”型磁轭的右脚表面使得检测探头所检测到的磁场信息量更多，大大提高检测范围，检测更方便、更准确。
此外，所述壳体28的底面设有卡接件288，所述卡接件288的两侧设有卡接槽289，所述工件卡座286的上端左右两侧设有卡边280，所述卡边280可拆卸地卡在卡接槽289内，所述工件卡座286的下端设有所述条状卡口或球面卡口287。这样，即可根据需要拆卸更换不同规格的工件卡座286，使用更灵活、更方便，适用范围更广。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，其特征在于，包括有以下步骤：
制作一套具有不同厚度非铁磁材料的标准试块；
将激励探头置于具有不同厚度非铁磁材料的标准试块上，并对激励探头的激励线圈上施加正弦信号，使之产生磁场，并在“U”型磁轭与铁磁性材料表面形成闭合磁路；
利用检测探头拾取在提离过程中磁路内磁场变化信息，将检测到的磁信号转化成电压信号，并将电压信号输送至PC机，计算得到厚度值。
2.根据权利要求1所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，其特征在于，将电压信号经采集卡输送至PC机，计算得到厚度值，具体为：利用检测探头拾取在提离过程中不同厚度非铁磁材料的标准试块检的磁信号转化成电压信号，并经采集卡输送至PC机，同时输入对应的厚度值；重复上述过程，直至将整套具有不同厚度非铁磁材料的标准试块测试完毕，最后由PC机算法拟合得到厚度值与电压值的对应关系式，计算得到相应的厚度值。
3.根据权利要求2所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，其特征在于，所述标准试块采用铁磁性材料制作，厚度为50mm，其表面设有的非铁磁材料的厚度为0.1mm～50mm。
4.根据权利要求3所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量方法，其特征在于，所述标准试块共有101个，其中第1个标准试块的非铁磁材料的厚度为0.1mm，第2个标准试块至第101个标准试块的非铁磁材料的厚度从0.5mm到50mm呈等差数列方式递增，等差值为0.5mm。
5.一种铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其特征在于，包括依次连接的激励模块、探头模块、信号处理模块、信号采集模块、PC处理显示模块；其中，
激励模块，包括信号发生器和功率放大电路，用以产生正弦信号并放大功率以驱动激励探头；
探头模块，包括激励探头和检测探头，所述激励探头在正弦激励作用下产生磁场，并在“U”型磁轭与铁磁性材料表面形成闭合磁路，所述检测探头用以拾取测厚提离过程中磁路内的磁场变化，并将磁信号转化为电压信号传递给后续信号处理模块；
信号处理模块，对获得的电压信号依次进行放大、检波、滤波处理，处理后传输至信号采集模块；
信号采集模块，将信号处理模块传输过来的电压信号进行A/D转换后传输至PC处理显示模块进行计算、显示计算结果。
6.根据权利要求5所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其特征在于，所述激励探头包括“U”型磁轭和缠绕在“U”型磁轭表面的激励线圈，所述激励线圈由直径为1mm铜线缠绕而成；所述检测探头包括“工”字型铁氧体和缠绕在“工”字型铁氧体的凹槽内的铜线，所述铜线的直径为0.03mm。
7.根据权利要求5所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块由放大电路和检波电路组成，所述放大电路的输入端和输出端分别与检测探头的输出端和检波电路的输入端连接，所述检波电路的输出端与信号采集模块的输入端连接。
8.根据权利要求6所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其特征在于，所述探头模块还包括壳体、把手端和航空插座；其中，所述把手端和航空插座设于壳体的上表面，且所述把手端位于航空插座的正上方；所述激励探头和检测探头安装在壳体内，并通过导线与航空插座连接，同时所述检测探头位于激励探头的“U”型磁轭的下方，且所述检测探头设有检测探头外壳。
9.根据权利要求8所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其特征在于，所述探头模块还包括工件卡座，所述工件卡座设于壳体的底面，并设有截面为弧形的条状卡口或球面卡口；所述检测探头设置在“U”型磁轭的右脚表面上，以使得检测探头所检测到的磁场信息量更多，提高检测范围。
10.根据权利要求9所述的铁磁性材料表面非铁磁材料厚度测量装置，其特征在于，所述壳体的底面设有卡接件，所述卡接件的两侧设有卡接槽，所述工件卡座的上端左右两侧设有卡边，所述卡边可拆卸地卡在卡接槽内，所述工件卡座的下端设有所述条状卡口或球面卡口。
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