CN117571814A - 一种非接触式金属材质检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式金属材质检测方法，将金属目标物置于电感线圈的正对面；在电感线圈上施加恒压源；电感线圈内电流达到设定的固定值；电感线圈内的电流开始衰减；金属目标物内的电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减；通过信号采集模块采集电感线圈两端的电压信号；根据电感线圈两端电流信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线；把波形曲线与数据库的波形曲线进行比较，得出被测量的金属目标物的材质。本发明所述的非接触式金属材质检测方法，不仅可以通过非接触的方式，检测金属材质；还可以检测金属和传感器间的距离，而且可以感知环境温度。全金属封装的传感器可以在非常严酷的环境中使用，并且可以拥有超长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属检测技术领域，尤其是指一种非接触式金属材质检测方法。
背景技术
金属材料的使用及使用的种类很广泛，确定金属材料的性能和种类，对制造业来将是必须的。金属材料的性能主要分为：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能这四个性能。
目前对于金属材质的测量采用下面的测量方式并且具有一定的缺陷：
1、传统的金属材质检测方法，对被测金属材质都是具有一定的破坏性。因此，亟需找到一种方法，可以以最低的成本判断金属材质。
2、采用金属材质分析仪采用传统的光谱分析的方式，价格昂贵、分析过程复杂，效率低，只有在一些专业的科研院所和专业的实验室才有使用。但是，随着我国制造业的发展，制造企业的规模扩大，对金属材料需求的种类和数量大大增加，金属材料性能的分析也尤为重要，因此对于小型化、价格低、精度高、智能化的金属材料性能分析仪器的需求也会越来越大。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中各种检测设备对金属材质的检测，大部分是属于破坏性的检测方式，得出了测试结果却破坏了材料的结构、特性等一些其他方面功能，使该材料不能够再继续使用，造成了材料的浪费的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触式金属材质检测方法，包括如下步骤：
S1、将金属目标物置于电感线圈的正对面；
S2、在电感线圈上施加恒压源进行驱动；
S3、电感线圈内的电流增加，直至电流达到设定的固定值，停止施加恒压源的电压输出；
S4、电感线圈内的电流通过内部的带有阻抗的闭环回路开始衰减；
S5、金属目标物的表面感应出阻碍电感线圈内电流变化的电涡流，电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减；
S6、通过信号采集模块采集电感线圈两端的电压信号；
S7、根据电感线圈两端电压信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线；
S8、把步骤S7中采集的电压信号随时间衰减的波形曲线与金属材质数据库中的不同金属目标物的电压信号随时间衰减的波形曲线进行比较，从而得出被测量的金属目标物的材质。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S3中：电感线圈停止施加恒压的电压输出，电感线圈形成逐渐衰减的磁场，金属目标物处于衰减变化的磁场中，因此金属目标物内会产生感应电动势，从而在金属目标物内产生电流。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S8中金属材质数据库的建立：在距离一定的前提下，对不同电导率的金属目标物进行电压信号随时间衰减的波形曲线，不同的金属目标物的电压信号随时间衰减的波形曲线是唯一的。
在本发明的一个实施例中，所述金属目标物的电导率越高，电涡流衰减到较小的定值所用的时间越短；相反，金属目标物的电导率越低，电涡流衰减到较小的定值所用的时间越长。
在本发明的一个实施例中，上述检测方法还包括：
S9、建立金属目标物材质一定，并且金属目标物与电感线圈不同距离时，电压信号随时间衰减的波形曲线的数据库。
在本发明的一个实施例中，上述检测方法还包括：
S10、金属目标物与电感线圈之间距离的测量。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S10中：当金属目标物的材质一定时，金属目标物距离电感线圈的距离变化时，金属目标物的表面感应出阻碍电感线圈内电流变化的电涡流，电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减，根据电感线圈两端电压信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线，此波形曲线与步骤S9中金属目标物与电感线圈不同距离时，电流信号随时间衰减的波形曲线的数据库中的数据进行计算，测量出金属目标物与电感线圈之间的距离。
在本发明的一个实施例中，上述金属目标物与电感线圈不同距离时，电流信号随时间衰减的波形曲线的中，金属目标物距离电感线圈距离越小，电感线圈中电流衰减到固定值所需时间越长；相反，金属目标物距离电感线圈距离越大，电感线圈中电流衰减到固定值所需时间越短。
在本发明的一个实施例中，上述检测方法还包括：
S11、电感线圈的阻值随着环境温度的增加而增加，在电感线圈的两端施加恒定电压时，由于环境温度的变化，引起电感线圈的电阻阻值变化，流过电感线圈的电流发生变化，检测电流的大小，进而计算出环境温度。
在本发明的一个实施例中，上述电感线圈两端的电压和电感线圈中的电流，以及电感线圈感应出的磁场有如下公式：
V：电感线圈两端的电压；
I：电感线圈的电流；
L：电感线圈的电感值；
t：时间；
Φ：磁场场强；
N：线圈的圈数。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的非接触式金属材质检测方法，包括电感线圈，约束电磁场的磁罐，全金属外壳，信号处理电路。该原理的传感器，不仅可以通过非接触的方式，检测金属材质；还可以检测金属和传感器间的距离，而且可以感知环境温度。全金属封装的传感器可以在非常严酷的环境中使用，并且可以拥有超长的使用寿命，并且为非接触式，大大提高了传感器的使用寿命。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的测量金属目标物材质时电压随时间的衰减曲线；
图2是本发明的测量金属目标物距离时电流随时间的衰减曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的非接触式金属材质检测方法，包括如下步骤：
S1、将金属目标物置于电感线圈的正对面；
S2、在电感线圈上施加恒压源进行驱动；
S3、电感线圈内的电流增加，直至电流达到设定的固定值，停止施加恒压源的电压输出；
S4、电感线圈内的电流通过内部的带有阻抗的闭环回路开始衰减；
S5、金属目标物的表面感应出阻碍电感线圈内电流变化的电涡流，电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减；
S6、通过信号采集模块采集电感线圈两端的电压信号；
S7、根据电感线圈两端电压信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线；
S8、把步骤S7中采集的电压信号随时间衰减的波形曲线与金属材质数据库中的不同金属目标物的电压信号随时间衰减的波形曲线进行比较，从而得出被测量的金属目标物的材质。
由于线圈中的电流，当达到所设定的最大值时，恒压源立刻停止。而电流的最大值是一定的，对于不同材质的金属目标物，当目标物与传感器间的距离一定时。金属目标物的表面所感应出的电涡流的最大值将是一个定值，并且该电涡流起初是阻碍线圈中的电流增加，当线圈两端的恒压源立刻停止时，目标物表面感应出的电涡流又开始反向的阻碍线圈中的电流衰减。由于不同金属材质目标物所感应出的最大电涡流值相同，而不同金属材质的导电率不同，金属目标物表面的电涡流衰减到一个固定的较小值所用的时间不同。电导率越高的金属目标物，电涡流衰减到较小的定值，所用的时间越短。在信号采集模块中，将会感应出，如图1中的曲线，其中箭头A指向为高电导率的金属目标物的电压随时间变化的衰减曲线，其中箭头B指向为低电导率的金属目标物的电压随时间变化的衰减曲线。
在固定距离和固定最大脉冲电流下，把所采集的衰减时间和数据库中不同金属目标物的衰减时间进行比较，可以很精确的测量出被测目标物材质。
上述步骤S3中：电感线圈停止施加恒压的电压输出，电感线圈形成逐渐衰减的磁场，金属目标物处于衰减变化的磁场中，因此金属目标物内会产生感应电动势，从而在金属目标物内产生电流。
上述步骤S8中金属材质数据库的建立：在距离一定的前提下，对不同电导率的金属目标物进行电压信号随时间衰减的波形曲线，不同的金属目标物的电压信号随时间衰减的波形曲线是唯一的。所述金属目标物的电导率越高，电涡流衰减到较小的定值所用的时间越短；相反，金属目标物的电导率越低，电涡流衰减到较小的定值所用的时间越长。
上述检测方法还包括：
S9、建立金属目标物材质一定，并且金属目标物与电感线圈不同距离时，电压信号随时间衰减的波形曲线的数据库。
上述检测方法还包括：
S10、金属目标物与电感线圈之间距离的测量。
上述步骤S10中：当金属目标物的材质一定时，金属目标物距离电感线圈的距离变化时，金属目标物的表面感应出阻碍电感线圈内电流变化的电涡流，电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减，根据电感线圈两端电压信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线，此波形曲线与步骤S9中金属目标物与电感线圈不同距离时，电流信号随时间衰减的波形曲线的数据库中的数据进行计算，测量出金属目标物与电感线圈之间的距离。
进行金属目标物距离测量时，首先测量不同距离下电流衰减时间的数据库，根据不同距离下和电流衰减时间，可以导出距离与电流衰减时间的公式，从而能够用于不同距离下金属目标物距离的测量。
上述金属目标物与电感线圈不同距离时，电流信号随时间衰减的波形曲线中，金属目标物距离电感线圈距离越小，电感线圈中电流衰减到固定值所需时间越长；相反，金属目标物距离电感线圈距离越大，电感线圈中电流衰减到固定值所需时间越短。
当金属材质一定时，随着金属目标物的靠近，金属目标物表面形成的阻碍电感线圈中电流的衰减将加强。这意味着，金属目标物越近，电感线圈中的电流，衰减到固定值所用时间在增加。通过该衰减时间，可以很精确的测量出目标物越线圈感应面端的距离。如图2所示，其中箭头C指向为近距离的金属目标物的电流随时间变化的衰减曲线，其中箭头D指向为远距离的金属目标物的电压随时间变化的衰减曲线。
上述检测方法还包括，温度的测量：
S11、电感线圈的阻值随着环境温度的增加而增加，在电感线圈的两端施加恒定电压时，由于环境温度的变化，引起电感线圈的电阻阻值变化，流过电感线圈的电流发生变化，检测电流的大小，进而计算出环境温度。
上述电感线圈两端的电压和电感线圈中的电流，以及电感线圈感应出的磁场有如下公式：
V：电感线圈两端的电压；
I：电感线圈的电流；
L：电感线圈的电感值；
t：时间；
Φ：磁场场强；
N：线圈的圈数。
温度和电流的换算公式为：
根据欧姆定律，电流与电阻、电压之间存在关系：，其中I表示电流，U表示电压，R表示电阻；电流流过电感线圈时，电感线圈的温度会上升。
传感器所用的电感线圈是带有一定电阻阻值的电感，并且该电阻阻值随着环境温度的增加而增加。并且常温20℃时，线圈的阻值是已知的。当对电感线圈两端加恒定电压时，由于环境温度的不同，引起电感线圈的电阻阻值变化，流过电感线圈的电流必然发生相应的变化。通过检测电流的大小，可以很准确的判断环境温度。
本发明的非接触式金属材质检测方法可以检测金属材质和金属目标物和传感器间的距离，并且可以检测环境温度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种非接触式金属材质检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将金属目标物置于电感线圈的正对面；
S2、在电感线圈上施加恒压源进行驱动；
S3、电感线圈内的电流增加，直至电流达到设定的固定值，停止施加恒压源的电压输出；
S4、电感线圈内的电流通过内部的带有阻抗的闭环回路开始衰减；
S5、金属目标物的表面感应出阻碍电感线圈内电流变化的电涡流，电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减；
S6、通过信号采集模块采集电感线圈两端的电压信号；
S7、根据电感线圈两端电压信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线；
S8、把步骤S7中采集的电压信号随时间衰减的波形曲线与金属材质数据库中的不同金属目标物的电压信号随时间衰减的波形曲线进行比较，从而得出被测量的金属目标物的材质。
2.根据权利要求1所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述步骤S3中：电感线圈停止施加恒压的电压输出，电感线圈形成逐渐衰减的磁场，金属目标物处于衰减变化的磁场中，因此金属目标物内会产生感应电动势，从而在金属目标物内产生电流。
3.根据权利要求1所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述步骤S8中金属材质数据库的建立：在距离一定的前提下，对不同电导率的金属目标物进行电压信号随时间衰减的波形曲线，不同的金属目标物的电压信号随时间衰减的波形曲线是唯一的。
4.根据权利要求3所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：所述金属目标物的电导率越高，电涡流衰减到较小的定值所用的时间越短；相反，金属目标物的电导率越低，电涡流衰减到较小的定值所用的时间越长。
5.根据权利要求1所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述检测方法还包括：
S9、建立金属目标物材质一定，并且金属目标物与电感线圈不同距离时，电压信号随时间衰减的波形曲线的数据库。
6.根据权利要求5所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述检测方法还包括：
S10、金属目标物与电感线圈之间距离的测量。
7.根据权利要求6所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述步骤S10中：当金属目标物的材质一定时，金属目标物距离电感线圈的距离变化时，金属目标物的表面感应出阻碍电感线圈内电流变化的电涡流，电涡流反向阻止电感线圈中电流的衰减，根据电感线圈两端电压信号随时间衰减的关系绘制出波形曲线，此波形曲线与步骤S9中金属目标物与电感线圈不同距离时，电流信号随时间衰减的波形曲线的数据库中的数据进行计算，测量出金属目标物与电感线圈之间的距离。
8.根据权利要求5所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述金属目标物与电感线圈不同距离时，电流信号随时间衰减的波形曲线的中，金属目标物距离电感线圈距离越小，电感线圈中电流衰减到固定值所需时间越长；相反，金属目标物距离电感线圈距离越大，电感线圈中电流衰减到固定值所需时间越短。
9.根据权利要求1所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述检测方法还包括：
S11、电感线圈的阻值随着环境温度的增加而增加，在电感线圈的两端施加恒定电压时，由于环境温度的变化，引起电感线圈的电阻阻值变化，流过电感线圈的电流发生变化，检测电流的大小，进而计算出环境温度。
10.根据权利要求9所述的非接触式金属材质检测方法，其特征在于：上述电感线圈两端的电压和电感线圈中的电流，以及电感线圈感应出的磁场有如下公式：
，
V：电感线圈两端的电压；
I：电感线圈的电流；
L：电感线圈的电感值；
t：时间；
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