CN113820387B - 一种监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监测系统，包括：永磁体、传感器和接口电路；传感器设置于运动状态的被测金属的下方；永磁体固定于传感器上，传感器的输出端与接口电路连接；被测金属与永磁体相对运动，在磁场作用下被测金属的内部产生涡电流；涡电流与磁场相互作用产生洛伦兹力；传感器实时检测永磁体受到的洛伦兹力的反作用力，输出力信号；接口电路对力信号进行放大、滤波和整流，输出脉冲信号；处理器根据脉冲信号确定被测金属的状态。本发明的监测系统，对高速运动的被测金属中的微缺陷和/或微夹杂物进行实时在线监测，以评估产品是否达标。
Description
技术领域
本发明涉及在线监测技术领域，尤其涉及一种监测系统。
背景技术
薄金属材料在能源汽车、电子封装、电工材料、医疗器械和药品包装等诸多领域有着非常重要的应用。通常其在经过压延成型后，极易形成针孔、压痕、褶皱等微缺陷。同时，其内部还会存在从原材料或冶炼过程中引入的微小夹杂物。为了保证产品质量同时大幅度降低生产成本，则需在工艺过程中实时控制其内部微缺陷的数量、类型、形貌、尺寸及分布等。微缺陷包括夹杂物水平一直被列为评价金属材料最为重要的指标之一。我国已针对冶金夹杂物行业制定了相应的分级标准。
目前，国内外针对薄金属材料中微缺陷的无损监测技术主要包括超声波法、光学法、化学分析法、图像法等。然而，超声方法受到频率限制，不能精确探测薄金属材料内部的缺陷；光学法、化学分析等其他实验室方法不能在线测量及时反馈，不具有实际大规模快速生产线上实时监控的意义。近些年，随着视觉成像技术和人工智能识别的发展与广泛应用，该技术也被应用到金属表面缺陷检测当中。然而该技术对光源要求较高，且数据处理过程较为复杂，被测金属板运动较慢，不宜匹配现场生产情况。
因此，研发出可以实时在线对薄金属材料中微缺陷进行检测的装置具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种监测系统，对高速运动的被测金属中的微缺陷和/或微夹杂物进行实时在线监测，以评估产品是否达标。
为实现上述目的，本发明提供了一种监测系统，所述监测系统包括：永磁体、传感器和接口电路；
所述传感器设置于运动状态的被测金属的下方；所述永磁体固定于所述传感器上，所述传感器的输出端与所述接口电路连接；
所述被测金属与永磁体相对运动，在磁场作用下所述被测金属的内部产生涡电流；所述涡电流与磁场相互作用产生洛伦兹力；所述传感器实时检测所述永磁体受到的洛伦兹力的反作用力，输出力信号；所述接口电路对所述力信号进行放大、滤波和整流，输出脉冲信号；处理器根据所述脉冲信号确定所述被测金属的状态。
优选的，所述处理器根据所述脉冲信号确定所述被测金属的状态具体包括：
当所述传感器的检测范围内存在不导电的微缺陷和/或微夹杂物时，所述接口电路输出负向的脉冲信号；处理器根据所述负向的脉冲信号确定所述被测金属的微缺陷和/或微夹杂物的信息。
优选的，所述永磁体的磁化方向垂直于所述传感器的上表面。
优选的，所述传感器包括壳体、衬底、可动平行极板、固定平行极板、折叠梁和质量块；
所述衬底与所述壳体内的印刷电路板的各匹配区域连接；连接后所述衬底环绕构成所述壳体上方的安装口；
所述固定平行极板等间距排列在所述安装口的两侧；
所述折叠梁分别设置在所述安装口的四个角上；所述质量块的一端穿过所述安装口，与所述折叠梁分别连接，另一端与所述永磁体固定连接；
所述可动平行极板的一端固定在所述质量块上，另一端穿插在所述固定平行极板的间隔中。
进一步优选的，所述衬底包括交流输入端衬底、直流偏压端衬底和信号输出端衬底；
所述交流输入端衬底、直流偏压端衬底和信号输出端衬底相互独立。
进一步优选的，所述可动平行极板和所述固定平行极板相互平行。
优选的，所述折叠梁呈S型，包括多个分段；所述分段之间通过螺栓连接，构成活动节点。
优选的，所述接口电路包括电容/电压转换电路、缓冲放大电路、放大电路、整流滤波电路和反相低通滤波电路；
所述传感器的输出端与所述电容/电压转换电路的输入端连接，所述电容/电压转换电路的输出端与缓冲放大电路的输入端连接，所述缓冲放大电路的输出端与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述反相低通滤波电路的输入端连接，所述反相低通滤波电路的输出端与示波器连接。
优选的，所述传感器为电容微小力传感器。
优选的，所述被测金属的厚度为0.1mm-1mm。
本发明实施例提供的监测系统，对高速运动的被测金属中的微缺陷和/或微夹杂物进行实时在线监测，以评估产品是否达标。
附图说明
图1为本发明实施例提供的监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的局部示意图；
图3为本发明实施例提供的位置关系示意图；
图4为本发明实施例提供的接口电路的电路图；
图5为本发明实施例提供的脉冲信号的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供的监测系统，对高速运动的被测金属中的微缺陷和/或微夹杂物进行实时在线监测，以评估产品是否达标。
图1为本发明实施例提供的监测系统的结构示意图，图3为本发明实施例提供的位置关系示意图，以下结合图1和图3对本发明技术方案进行详述。
监测系统包括：永磁体9、传感器10和接口电路。传感器10设置于运动状态的被测金属11的下方。永磁体9固定于传感器10上，传感器10的输出端与接口电路连接。在优选的方案中，本发明可选择被测金属阵列式排列，对被测金属11进行面扫监测。
被测金属11，主要指厚度在1毫米以下的非导磁性金属材料的箔材、带材和板材。在本发明实施例中，被测金属11的厚度优选为0.1-1mm。本发明所监测的被测金属11的微缺陷包括被测金属11表面的微缺陷和内部的微缺陷。所测微缺陷的尺寸范围为直径20μm-2mm。
永磁体9，用于提供稳定的外磁场，并接收洛伦兹力的作用力。一般选用钕铁硼强磁性材料。永磁体9的磁化方向垂直于传感器10的上表面。本发明实施例的永磁体9优为立方体或长方体结构，边长尺寸为0.3-0.5mm。
传感器10，包括壳体、衬底、可动平行极板7、固定平行极板8、折叠梁6和质量块5。传感器10优选为电容微小力传感器10。电容式微小力传感器10使用静电驱动、静电传感的方式进行微小力测量。工作时需输入频率与其一阶谐振频率相同的交流电压信号。
图2为本发明实施例提供的局部示意图，如图2所示，衬底与壳体内的印刷电路板的各匹配区域连接。连接后衬底环绕构成壳体上方的安装口。固定平行极板8等间距排列在安装口的两侧。折叠梁6分别设置在安装口的四个角上。质量块5的一端穿过安装口，与折叠梁6分别连接，另一端与永磁体9固定连接。可动平行极板7的一端固定在质量块5上，另一端穿插在固定平行极板8的间隔中。可动平行极板7和固定平行极板8相互平行。其中，可动平行极板7的厚度优选为40-100μm，宽度为5-10μm，长度为300-600μm。固定平行极板8的厚度优选为40-100μm，宽度为5-10μm，长度为300-600μm。可动平行极板7和固定平行极板8共有80-120对。一对可动平行极板7和固定平行极板8间距为3-8μm，重叠长度为350-550μm。质量块5的厚度优选为40-100μm。
本发明实施例中，衬底的厚度优选为300-600μm，外框长度和宽度分别为2-3mm，三侧封闭，一侧有质量块5伸出。每个衬底每个区域上表面均有矩形压焊区4，其为一层金属铝层，压焊区4长度和宽度为200-400μm。
衬底包括交流输入端衬底1、直流偏压端衬底和信号输出端衬底3。交流输入端衬底1、直流偏压端衬底和信号输出端衬底3相互独立。
折叠梁6呈S型，包括多个分段。分段之间通过螺栓连接，构成活动节点。折叠梁6的厚度优选为40-100μm，宽度为5-10μm，单根折叠梁6总长度为2000-3000μm。
图4为本发明实施例提供的接口电路的电路图，如图4所示，接口电路，包括电容/电压转换电路12、缓冲放大电路13、放大电路14、整流滤波电路15和反相低通滤波16电路。传感器10的输出端与电容/电压转换电路12的输入端连接，电容/电压转换电路12的输出端与缓冲放大电路13的输入端连接，缓冲放大电路13的输出端与放大电路14的输入端连接，放大电路14的输出端与整流滤波电路15的输入端连接，整流滤波电路15的输出端与反相低通滤波16电路的输入端连接，反相低通滤波16电路的输出端与示波器连接。
以上为本发明的监测系统的结构，以下基于结构说明监测原理和监测步骤。
被测金属11与永磁体9相对运动，在磁场作用下被测金属11的内部产生涡电流。涡电流与磁场相互作用产生洛伦兹力。传感器10实时检测永磁体9受到的洛伦兹力的反作用力，输出力信号。接口电路对力信号进行放大、滤波和整流，输出脉冲信号。处理器根据脉冲信号确定被测金属11的状态。本发明实施例的监测系统的量程为+/-10μN，最小分辨率为0.1μN。
当所述传感器10的检测范围内存在不导电的微缺陷和/或微夹杂物时，根据洛仑兹力微颗粒探测原理，永磁体9上受到洛仑兹力的反作用力发生变化，接口电路输出负向的脉冲信号。处理器根据负向的脉冲信号确定被测金属11的微缺陷和/或微夹杂物的信息。具体为通过脉冲信号的数量和幅值大小判断被测金属11中微缺陷的数量和尺寸大小，以及通过负向的脉冲信号的时间确定缺陷位置，并对缺陷位置进行标记和识别。
本发明实施例的监测系统可以与高速运动的金属薄板现场环境相匹配，同时监测被测金属11中微米级别尺寸的微缺陷。
图5为本发明实施例提供的脉冲信号的示意图，结合图5解释对脉冲信号进行具体解释说明。如图5所示，每个负向脉冲代表一个微缺陷，如图中的17、18、19处标记。通过统计负向的脉冲信号的数量可知被测金属11中微缺陷的数量。其中17所示位置为直径为0.5mm的缺陷所致脉冲信号，标号18所示位置为直径为1mm的缺陷所致脉冲信号，标号19所示位置为直径为2mm的缺陷所致脉冲信号，由此又可知每个微缺陷的尺寸大小。另外通过横坐标的时间可以确定负向的脉冲信号出现的时间，进而结合被测金属11的移动速度确定微缺陷的位置并进行标记。
本发明实施例的监测系统的基本测量过程为：
(1)将传感器10粘于印刷电路板上，将永磁体9粘于传感器10的质量块5的伸出端上；
(2)使用压焊技术连接传感器10与印刷电路板，保证电信号的输入和输出；
(3)将信号发生器连接系统的交流输入端，通入与传感器10一阶谐振频率相同的交流信号，为低频微缺陷信号提供调制信号，便于接口电路的放大和滤波处理；
(4)使用直流电源为接口电路和传感器10提供稳定的直流工作电压；
(5)将传感器10输出端连接接口电路，然后将接口电路输出端连接示波器；
(6)将搭载永磁体9的传感器10置于被测金属11下方适当位置，并固定，保证监测过程中传感器10可以受到测量量程范围内的力；
(7)使被测金属11以一定速度运动，记录示波器中的脉冲信号数量与幅值，实时在线评估被测金属11的洁净度。
以下说明本发明的检测系统的制作工艺流程。
(1)采用双面抛光顶硅高电导率的硅片作为基材，对其表面进行清洗，并去除氧化层；
(2)在其上表面溅射50nm厚的铬或钛金属粘附层，再溅射一层铝薄膜；
(3)对金属涂层进行第一次光刻，刻蚀形成所需压焊区4；
(4)进行第二次光刻，正面刻蚀顶层硅，形成图形结构；
(5)翻转硅片，进行第三次光刻，反面完全刻蚀硅衬底，形成完整悬空图形结构。该结构自下而上由硅衬底、埋氧层、硅结构层和金属层组成。中间区域的硅衬底被完全刻蚀，释放出折叠梁6、平行极板和质量块5结构。
其中，印刷电路板上的器件通过折叠梁6与直流输入端衬底2相连。两组固定平行极板8分别连接交流输入端衬底1和信号输出端衬底3。可动平行极板7与质量块5相连。交流输入端衬底1、直流输入端衬底2与信号输出端衬底3彼此断开，上表面各有金属层做的压焊区4，用于连接压焊导线，传导电信号。
本发明的监测系统，根据洛仑兹力微颗粒探测原理，实时检测永磁体受到的洛仑兹力的反作用力，并对力信号进行放大、滤波和整流，通过最终输出的脉冲信号的数量和幅值判断被测金属中微缺陷和/或微夹杂物的数量和尺寸，实现对高速运动的被测金属中的微缺陷和/或微夹杂物进行长时间不间断地实时在线监测，以评估产品是否达标。同时本发明的监测系统输入功率小，结构简单，可监测被测金属中微米量级尺寸的微缺陷，结构精度高，操作便捷，可批量化生产。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：永磁体、传感器和接口电路；
所述传感器设置于运动状态的被测金属的下方；所述永磁体固定于所述传感器上，所述传感器的输出端与所述接口电路连接；
所述被测金属与永磁体相对运动，在磁场作用下所述被测金属的内部产生涡电流；所述涡电流与磁场相互作用产生洛伦兹力；所述传感器实时检测所述永磁体受到的洛伦兹力的反作用力，输出力信号；所述接口电路对所述力信号进行放大、滤波和整流，输出脉冲信号；处理器根据所述脉冲信号确定所述被测金属的状态；
所述传感器包括壳体、衬底、可动平行极板、固定平行极板、折叠梁和质量块；
所述衬底与所述壳体内的印刷电路板的各匹配区域连接；连接后所述衬底环绕构成所述壳体上方的安装口；
所述固定平行极板等间距排列在所述安装口的两侧；
所述折叠梁分别设置在所述安装口的四个角上；所述质量块的一端穿过所述安装口，与所述折叠梁分别连接，另一端与所述永磁体固定连接；
所述可动平行极板的一端固定在所述质量块上，另一端穿插在所述固定平行极板的间隔中；
所述衬底包括交流输入端衬底、直流偏压端衬底和信号输出端衬底；
所述交流输入端衬底、直流偏压端衬底和信号输出端衬底相互独立；
所述可动平行极板和所述固定平行极板相互平行；
所述折叠梁呈S型，包括多个分段；所述分段之间通过螺栓连接，构成活动节点。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述处理器根据所述脉冲信号确定所述被测金属的状态具体包括：
当所述传感器的检测范围内存在不导电的微缺陷和/或微夹杂物时，所述接口电路输出负向的脉冲信号；处理器根据所述负向的脉冲信号确定所述被测金属的微缺陷和/或微夹杂物的信息。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述永磁体的磁化方向垂直于所述传感器的上表面。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述接口电路包括电容/电压转换电路、缓冲放大电路、放大电路、整流滤波电路和反相低通滤波电路；
所述传感器的输出端与所述电容/电压转换电路的输入端连接，所述电容/电压转换电路的输出端与缓冲放大电路的输入端连接，所述缓冲放大电路的输出端与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述反相低通滤波电路的输入端连接，所述反相低通滤波电路的输出端与示波器连接。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述传感器为电容微小力传感器。
6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述被测金属的厚度为0.1mm-1mm。
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