CN1906458A - 厚度和电导率的电磁测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过使用电磁感应来非接触确定待测物体(2)的探寻属性例如其几何尺寸或其电导率的方法，其中在发射器线圈(3)中产生电磁场，该发射器线圈(3)布置在待测物体(2)的一侧上，并且其中通过布置在待测物体(2)另一侧上的接收器线圈(4)检测穿过待测物体(2)的磁场。本发明包括：在发射器线圈(3)附近布置控制线圈(5)，在发射器线圈(3)的磁场中产生变化，检测控制线圈(5)中的场变化，检测接收器线圈(4)中的场，确定分别用于检测控制线圈(5)和接收器线圈(4)中场变化的时间之差，确定穿过待测物体(2)的穿透时间(T2)，和由此确定待测物体(2)的厚度或电导率。

Description

厚度和电导率的电磁测量方法与装置

技术领域

本发明主要涉及物体的尺寸和属性例如电阻率的非接触测量方法。本发明具体涉及非接触测量方法，其利用电磁感应测量导电的但基本上非磁性的物体例如金属成品。

一个具体应用领域是金属板、金属条等的制造中的厚度测量，例如，其中必须连续地测量该板的厚度以便能提高该板或条的最终质量。

本发明还可用于测量非金属的、但导电的物体。

本发明尤其适合于非接触且同时测量薄金属和非磁性材料的厚度与电属性。

背景技术

金属产品的尺寸和属性的测量在今天的金属工业中是至关重要的。为了可在生产过程中控制最终产品达到预期质量，正确且可靠地连续测量某些量是非常重要的。这特别地应用于板或条的生产，例如，应用于其中厚度具有至关重要意义的板或条的生产。今天采用的工艺通常是基于光或辐射或机械接触。

对于非接触测量板厚度来说，一种已知的方法是通过放射性辐射或者通过X射线辐射来照射它，然后测量该板的辐射吸收。其中，该吸收由板的厚度决定，因此其构成了待测物体厚度的主要测量值。然而，该测量值受待测物体的材料组分影响，因此测量的精确性不够好。

同样，已知的方法对来自周围环境的干扰很敏感，并且当要取得高材料质量时难以使用它。因此，需要一种没有这些缺陷的新基础测量技术。

这样的一种技术是感应测量技术。这长期作为一种可能的测量技术提出，用于测量金属的尺寸和属性。本领域最早的专利可追溯到1920年。然而，该技术遭受到了有局限性的成功，并且直到该技术进一步发展之后还没有在工业上被接受。

例如，测量厚度被证实太过于依赖材料。根据公开的技术，例如在US5,059,902和SE 517293中，可迅速地设计、生产和使用工业上成功的测量设备。这些不同类型的测量设备已被证实性能良好，且没有现有技术的测量技术所遭受的缺陷。

然而，该新技术同样已被证实具有某些缺点。例如，一个缺点在于对于铜和铝来说，不可能使用它来测量厚度小于0.1mm左右的真正薄板，即金属箔，并且对于具有更高的电阻率的金属厚度稍微大一点。由于这种工业测量技术通常是可应用的并且可用于测量所有可用厚度的物体/板，因此避免了需要安装和使用几种不同类型的测量设备，这是显著的缺点。

随着技术的进一步发展，发现还可以使用电磁技术来测量真正的薄板。当测量非常薄的板例如金属箔时，一个问题在于磁场的穿透时间是非常短的，即场变化穿透待测的和在另一侧待检测的物体所花费的时间是非常短的，因此实际上难以使用当前技术来可靠地测量。其原因在于穿透时间如此之短以致于容易受测量系统中的其它延时干扰。例如，在测量装置的电子组件中，某些延时本身就经常发生。

发明内容

现有技术的一个问题在于当在电/电子系统中进行测量时产生的时延不仅取决于穿透的实际时间，而且还受到测量设备的各种电路和组件的时延影响。当穿透时间长时，对于更厚的板来说，该“电子时间时延”构成了没有确定性的问题，因为它相当大地短于穿透时间。当穿透时间非常短时，例如对于薄材料而言，产生的问题在于电子时延变成与待测物体、该板中的场变化的穿透时间一样长，或比其更长。为了能足够精确地测量，电子延时必须是已知的并且必须实现用于处理它的技术。这对于允许测量薄板来说是决定性的重要。

同样，当使用根据US 5,059,902和SE 517293的测量技术时，存在一个问题，即当期望最高精度时，其与电路延迟相关。

本发明的目的在于解决上述问题，并且提出一种测量装置，其具有高精度，可确定待测金属物体的厚度。

本发明的另一目的在于：通过例如使用与SE 517293中使用的相同类型的设备，基本上解决还可测量薄板的测量问题。在非常薄板的情况下，产生了正确计算穿透时间的问题，这是因为测量所需要的电子器件中的延迟与穿透时间是相同数量级的幅度，并且这两个时间不可相独立。

根据本发明，通过下面的方法步骤来解决该问题：

-在发射器线圈3附近布置控制线圈5，

-在发射器线圈3的磁场中产生变化，

-检测控制线圈5中的场变化，

-检测接收器线圈4中的场变化，

-确定分别用于检测控制线圈5和接收器线圈4中的场变化的时间之差，

-确定穿过待测物体2的穿透时间T2，和

-由此确定待测物体2的厚度或电导率。

本发明还涉及用于非接触确定待测物体2的一个或多个搜索的属性例如几何尺寸或电导率的装置，包括：至少一个发射器线圈3和至少一个彼此间隔定位的接收器线圈4，以及用于在发射器线圈3中产生可变磁场的装置和用于检测接收器线圈4中的感应电压S4的装置。

该测量装置包括：布置控制线圈5以检测发射器线圈3中产生的磁场变化，

-布置装置以检测来自控制线圈5和接收器线圈4的信号S5和S4之间的时间差，信号S5和S4由发射器线圈3中的磁场变化产生，

-布置装置18、19，以检测接收器线圈4中感应的最大电压S4max，和

-布置装置，以根据这些值计算待测物体2的厚度或电导率。

因此，该新技术暗示了接收器和发射器线圈位于待测物体的相对侧上，并且该测量装置测量突然的场变化所花费的时间作为基本量，称其为穿透时间，该突然的场变化由发射器线圈产生以穿透该板并感应在接收器线圈中的电压。

本发明尤其适合于用于这些情形，其中通过供应到发射器线圈的电流的逐步变化来产生场变化，例如突然切断供应电流。在上下文中，作为从电流切断直到在测量中检测到变化为止所消耗的时间，即系统中的时延容易测量。可在接收器线圈和发射器线圈附近布置的额外控制线圈中测量该时延，并且这两个情形中的时间之差是穿过待测物体的场穿透时间的测量值。

附图说明

下面将参考附图更加详细地描述本发明。

图1示出了根据本发明的测量装置的说明性示意图；

图2示出了说明不同信号的时延的不同图表；

图3示出了本发明最佳实施例的电路解决方案；

图4示出了根据带有双电路解决方案的本发明的另一实施例；

图5示出了根据本发明方法的简要流程图。

具体实施例

图1是显示根据本发明的测量装置1原理的示意图。在发射器线圈3和接收器线圈4之间布置待测物体，在此即板2。从电流源电路1为发射器线圈3提供随时间变化的电流i。由时间控制电路8用控制信号Sc1控制该随时间变化的电流i。布置该电路1和8，以获得想要的供应电流i的时间变化。

随时间变化的电流引起了类似的发射器线圈3周围的随时间变化的磁场。在该板2的另一侧上的接收器线圈4通过感应电压检测穿透该板2的磁场变化，该电压正比于接收器线圈4中的变化。

穿透该板2的场变化所花费的时间是主要测量值，该测量值需要计算该板2的探寻的属性，例如厚度和电导率。

在发射器线圈3的附近，优选直接在与待测物体(2)相关的发射器线圈(3)外面，因此，在待测物体(2)的同一侧上，布置控制线圈5，其检测发射器线圈3附近的任何场变化。以其电压电平基本上与接收器线圈4的电压输出相同的这种方式，在过滤器电路6中过滤来自该控制线圈5的感应电压、输出信号S5。该控制线圈可优选地直接布置在发射器线圈(3)处。

在比较电路7中比较来自接收器线圈4和来自过滤器电路6的两个信号S4和S6，即时间比较。因此在此比较这两个信号S4和S6，以检测它们之间的任何时间位移，称为时延。作为测量的时间开始点，采用来自时间控制电路8的控制信号Sc2，其同样从时间控制电路8中导出作为供应电流i的控制信号Sc1。因此，信号S4和S6的时间比较的时间开始点将与提供给发射器线圈3的供电电流i变化的时间开始点一致。

在比较电路7中，确定不期望的延时Tf，其取决于电子组件中的延迟。将来自接收器线圈的该延时和信号引导到计算电路，在该计算电路中计算厚度和/或电导率，并考虑电路/系统中的不期望延迟。

例如根据图1，在测量装置中的时延可起因于几个原因。这在根据图2A-C的图表中举例说明。在这种情况下，通过迅速从一个值变化到另一个值来说明随时间变化的电流(见图2A)，在这种情况下，从常数值下降到0。该图表示出了电流i，即，来自图1中的电流源电路1的电流。在某一时刻，开始时间t1，电流源电路8切断供给发送器线圈3的电流源，但是由于电流源电路1中的延迟，所以经过另一短周期时间T1直到真正切断电流。通常，这可能是20ns。

在图2B中示出了由于在接收器线圈4中延迟和测量的电流变化而产生的场变化。该延迟包括：发送器线圈3中的延迟，T3；来自接收器线圈4的延迟，T4；以及来自待测物体即板2的延迟，T2。在时间t4获得磁场变化且因此获得感应电压。

根据图2C中的图表示出了电路中的延迟，该电路包括控制线圈5和过滤器电路6。如果假设过滤器电路6本身不产生延迟，那么该电路中的总延迟将是发送器线圈3中的延迟T3和控制线圈5中的延迟T5。这里在时间t5产生感应电压。设计接收器线圈4和控制线圈5具有相同时间常量，因此，探询的延时通过在比较电路7中检测/测量这两个信号电路中的延迟之差来获得。该不期望的延迟，该延迟与线圈和其它电子组件中的延迟相关，等于在信号S5中测量的延迟即Tf，。

在一个单独的计算电路中，根据与图1和图2相关的描述原理可以执行根据图1的比较电路7中的时间比较和计算电路9中的计算。

根据图1的基本示意图说明了其中将信号S4直接从接收器线圈4引导到比较电路7的情形。然而，在某些测量情形下，需要在比较电路处理它之前将该信号在放大器电路中放大。然后，将这些放大器电路中的延迟包含在接收器的延迟时间T4中。在这些情形下，相应的放大器电路用于处理信号S6，并且同样以相应的方式影响T5。

根据本发明的优选实施例，如图3中所示，通过晶体管11为发送器线圈3提供恒流源10。以这样的方式通过控制电路8控制晶体管11：晶体管11首先打开，并且从发送器线圈3携带用于磁场的足够长时间周期的电流，以具有时间来穿透该板2。之后，切断电流源。

作为突然切断的直接后果的场变化穿透该板2，并且在接收器线圈4中感应电压。同时，在发送器线圈3中的突然场变化感应出在控制线圈5中的感应电压S5。该电压S5在无源过滤器6中过滤，该无源过滤器6包括电阻器12和电容13。交替地处理来自该无源过滤器6的输出信号S6和来自该接收器线圈4的输出信号S4，每隔一段时间该晶体管11就切断电流，由于比较电路7中的模拟开关14交替地选择来自接收器线圈4的信号S4和来自过滤器6的信号S6，其是真正来自控制线圈5的信号S5。开关14的控制通过来自控制电路8的控制信号Sc21进行。

在比较电路7中，将这些信号从开关14交替引导到积分器15，当晶体管11切断电流时该积分器15开始积分。然后将来自积分器15的输出信号S15引导到两个所谓的取样和保持电路(S/H电路)16、17，其同样也由控制电路8通过控制信号Sc22和Sc23来控制。这些控制信号如此适应以至于信号S15的两个值保留在两个S/H电路中的两个不同时间处。

通过选择用于S/H电路16、17的保持时间，该保持时间位于相对靠近场变化已经穿透该板2之后的时间，-这些保持时间之一位于相对靠近场变化已经穿透之后的时间t16，并且另一个保持时间位于之后的时间t17-，当连接控制线圈的信号S6时，以简单的方式可计算不预期的延时Tf为：

Tf＝t16-S16×(t17-t16)/(S17-S16)-t1

然后，当连接来自测量线圈S4的信号时，由于该板中的变化，实际的穿透时间T2可从下式计算：

T2＝t16-S16×(t17-t16)/(S17-S16)-t1-Tf

上述计算在计算电路9中执行。

图4中示出了本发明的附加实施例。在该情形下，两个相同的电路布置在待测物体2的各自一侧上，在下面称其为a和b侧。然而，控制电路8为这两个电路共用并且控制电路8控制整个测量装置。

通过晶体管11a将来自恒流源10a的电流提供给发射器线圈3a。在这里描述的阶段，晶体管11a是有源的，即，它携带电流，且晶体管11b是无源的，即它被切断且不带电流。在提供恒定电流一定时间周期后，通过来自采用低电平的控制电路8的输出信号迅速切断晶体管11a。在切断提供给发射器线圈3a的电流供应后，检测待测物体即该板2的另一侧上的接收器线圈4b中感应的电压。这通过从接收器线圈4b传递信号S4b到积分器15b的模拟开关14b来实现，在该积分器15b中进行积分。然后将来自积分器15b的最终输出信号S15b传送到两个S/H电路16b、17b的输入端，然后，从输出信号S16ba、S17ba的值中计算对于变化的时间t4ba。以同样的方式，对于a侧而言，同时在感应线圈4a中从信号S16aa和S17aa计算对于变化的时间t5aa。

在a侧或a电路产生磁场后，即在a侧或a电路成为电流产生侧后，转换该控制到b侧或者b电路，并且重复上述过程。现在与t4ab和t5bb一样，以相应的方式根据信号S16ab、S17ab、S16bb、S17bb计算用于变化的时间。

最后，从下面的关系式中获得磁场穿透待测物体2的实际时间延时FTv、穿过待测物体的延时，即在电子器件和线圈中延迟的补偿：

T2＝(t4ba+t4ab-t5aa-t5bb)/2

其中：

t4ba＝t16-S16ba*(t17-t16)/(S17ba-S16ba)

t4ab＝t16-S16ab*(t17-t16)/(S17ab-S16ab)

t5aa＝t16-S16aa*(t17-t16)/(S17aa-S16aa)

t4bb＝t16-S16bb*(t17-t16)/(S17bb-S16bb)

并且其中t16和t17是用于取样和保持放大器的预置时间。在与图3中所示的一样的计算电路中，执行如上所述的计算。

根据本发明的方法，至少部分地可在处理器或计算机中的程序代码运行的帮助下实现，并且这些程序代码可存储在可读计算机媒质例如硬盘、磁盘、CD-ROM、其它移动存储器等等上。

主要想用于测量薄板的本发明的一个重要方面在于：通过被描述为新的任何感应技术，结合附图1、3和4描述的线圈还可用于测量更厚的板。因此，例如根据图4，根据板厚改变发射器线圈的馈电和接收器线圈的连接，可以赋予用于测量根据SE 517293的更厚板的线圈的不同用途。在厚板的情况下，然后对发射器线圈3a和3b(图4)以反向方向同时馈电，在开关14a和14b的帮助下，同时将两个接收器线圈4a和4b连接作为接收器线圈。然后，当该装置用于薄板时，选择根据附图4描述的连接。

尽管通过几个实施例描述了本发明，但是，本发明当然不限于这些；在权利要求书的保护范围内，其它实施例和变形是可行的。因此，可想象得到，可使用部分不同于在此示出的那些数学公式计算延时。

在其中发射器线圈不是有源的、即当切断经过晶体管的电流(例如见附图1)的那些情况下，还可使用发射器线圈作为控制线圈。当切断晶体管时，发射器线圈就脱离了电流源，然后即可用作控制线圈或者用作接收器线圈。

Claims (17)

1、一种用于通过使用电磁感应而非接触确定待测物体(2)的探寻属性的方法，待测物体(2)的探寻属性例如其几何尺寸或其电导率，其中在发射器线圈(3)中产生电磁场，该发射器线圈(3)布置在待测物体(2)的一侧上，并且其中通过布置在待测物体(2)另一侧上的接收器线圈(4)检测穿过待测物体(2)的磁场，其特征在于：

-在发射器线圈(3)附近布置控制线圈(5)，

-在发射器线圈(3)的磁场中产生变化，

-检测控制线圈(5)中的场变化，

-检测接收器线圈(4)中的场变化，

-确定分别用于检测控制线圈(5)和接收器线圈(4)中场变化的时间之差，

-确定穿过待测物体(2)的穿透时间(T2)，和

-由此确定待测物体(2)的厚度或电导率。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于：关于待测物体(2)，控制线圈(5)与发射器线圈(3)位于相同的侧上。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：根据用于检测控制线圈(5)中的场变化的时间(t5)以及用于检测接收器线圈(4)中场变化的时间(t4)，确定穿过待测物体(2)的穿透时间(T2)。

4、根据前述一个或多个权利要求的方法，其特征在于：计算穿过待测物体(2)的延时(T2)等于(t4ba+t4ab-t5aa-t5bb)/2。

5、根据前述一个或多个权利要求的方法，其特征在于：在发射器线圈(3)中的磁场迅速变化后的两个不同时间，测量接收器线圈(4)中感应的电压(S4)。

6、根据前述一个或多个权利要求的方法，其特征在于：根据穿透时间(tt)和接收器线圈(4)中感应的最大电压(S4max)计算待测物体(2)的厚度或导电率。

7、根据前述一个或多个权利要求的方法，其特征在于：根据接收器线圈(4)中感应的最大电压(S4max)的平方与穿透时间(tt)之积的倒数值，计算待测物体(2)的厚度或电导率。

8、根据前述一个或多个权利要求的方法，其特征在于：对接收器线圈(4)中的感应电压(S4)积分，并且根据该积分信号(S17)，计算待测物体(2)的厚度或电导率。

9、根据前述一个或多个权利要求的方法，其特征在于：对接收器线圈(4)中的感应电压(S4)积分，并且根据至少两个不同时间的积分信号(S17)值，计算待测物体(2)的厚度或电导率。

10、一种用于非接触确定待测物体(2)的一个或多个探寻属性的测量装置，探寻属性例如其几何尺寸或其电导率，包括：彼此间隔定位的至少一个发射器线圈(3)和至少一个接收器线圈(4)，还有用于在发射器线圈(3)中产生可变磁场的装置，以及用于检测接收器线圈(4)中感应的电压(S4)的装置，其特征在于：

-布置控制线圈(5)以检测在发射器线圈(3)中产生的磁场中的变化，

-布置装置以检测来自控制线圈(5)和接收器线圈(4)的信号(S5和S4)之间的时间差，信号(S5和S4)由发射器线圈(3)中的磁场变化产生，

-布置装置(18、19)以检测接收器线圈(4)中感应的最大电压(S4max)，和布置这些装置以根据这些值计算待测物体(2)的厚度或电导率。

11、根据权利要求10的测量装置，其特征在于：将控制线圈(5)与发射器线圈(3)布置在待测物体(2)的相同侧。

12、根据权利要求10和/或11的测量装置，其特征在于：布置积分器(17)对接收器线圈(4)中感应的电压信号(S4)积分。

13、根据权利要求10-12的测量装置，其特征在于：布置电路(16-19)以在发射器线圈(3)中断的时间(t1)后的两个不同时间，测量接收器线圈(4)中感应的电压(S4)。

14、一种计算机程序包括数据编码，该数据编码用于执行根据权利要求1-8中任一项的方法步骤。

15、一种计算机可读媒介，包括根据权利要求14的计算机程序的至少一部分。

16、一种根据权利要求14的计算机程序，通过网络例如因特网以至少部分地发送该计算机程序。

17、根据权利要求10-13的装置的用途。

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