TWI684762B - 金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法。金屬表面缺陷量測裝置包括多個橢圓形線圈、驅動電路以及處理電路。所述多個橢圓形線圈環繞量測路徑來配置，並且各別的曲面朝向量測路徑。當金屬物件經由量測路徑通過所述多個橢圓形線圈時，驅動電路驅動所述多個橢圓形線圈，以使所述多個橢圓形線圈產生多個量測信號來感應金屬物件，以對應輸出多個感應信號。處理電路分析所述多個感應信號，以依據所述多個感應信號來決定金屬物件的多個物件表面的至少其中之一是否存在缺陷。

Description

金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法

本發明是有關於一種量測技術，且特別是有關於一種金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法。

近年來隨著電磁感應技術發展快速，多種不同應用的金屬材質特性的量測方法被開發出來。特別是，藉由量測金屬物件的表面的阻抗變化資訊，來判斷金屬物件的表面是否存在有缺陷或裂痕的方式是目前被廣泛應用的量測手段。然而，一般的金屬物件的表面缺陷量測手段是僅以單一的環形線圈以及配合阻抗參數變化的分析來判斷其量測結果。對此，一般的金屬物件的表面缺陷量測手段容易造成判斷上的誤差，且單一的環形線圈的外型也造成治具機構設計上的許多限制。有鑑於此，如何開發一種量測裝置可有效地量測金屬物件的表面缺陷，並且可提供彈性的量測設備的架構設計，以下將提出幾個實施例的解決方案。

本發明提供一種金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法，可有效地量測金屬物件的表面缺陷。

本發明的金屬表面缺陷量測裝置包括多個橢圓形線圈、驅動電路以及處理電路。多個橢圓形線圈環繞量測路徑來配置，並且各別的曲面朝向量測路徑。驅動電路耦接所述多個橢圓形線圈。當金屬物件經由量測路徑通過所述多個橢圓形線圈時，驅動電路用以驅動所述多個橢圓形線圈，以使所述多個橢圓形線圈產生多個量測信號來感應金屬物件，以對應輸出多個感應信號。處理電路耦接所述多個橢圓形線圈。處理電路用以分析所述多個感應信號，以依據所述多個感應信號來決定金屬物件的多個物件表面的至少其中之一是否存在缺陷。

在本發明的一實施例中，上述的當金屬物件經由量測路徑通過所述多個橢圓形線圈時，所述多個橢圓形線圈的所述多個曲面一對一地對應於金屬物件的所述多個物件表面，以非接觸式地感應金屬物件的所述多個物件表面。處理電路依據所述多個感應信號來決定多個阻抗參數，以基於所述多個阻抗參數來判斷金屬物件的所述多個物件表面的至少其中之一是否存在機械特性的缺陷。

在本發明的一實施例中，上述的所述多個橢圓形線圈的多個中心點位於同一平面上，並且量測路徑的量測方向垂直於平面。

在本發明的一實施例中，上述的橢圓形線圈的各別的所述多個中心點的連線形成圓形。

在本發明的一實施例中，上述的所述多個橢圓形線圈的各別的長軸與短軸比例選自1:0.1至1:0.5之間。

在本發明的一實施例中，上述的所述多個橢圓形線圈的各別的外徑小於200毫米。

在本發明的一實施例中，上述的所述多個橢圓形線圈的各別的曲率半徑選自5毫米至50毫米之間。

在本發明的一實施例中，上述的所述多個量測信號的頻率選自1兆赫至10兆赫之間。

在本發明的一實施例中，上述的所述多個橢圓形線圈的彼此相隔的間距大於5毫米。

本發明的金屬表面缺陷量測方法包括以下步驟：當金屬物件經由量測路徑通過多個橢圓形線圈時，藉由驅動電路驅動所述多個橢圓形線圈，其中所述多個橢圓形線圈各別的曲面朝向量測路徑；藉由所述多個橢圓形線圈產生多個量測信號來感應金屬物件，以對應輸出多個感應信號；以及藉由處理電路分析所述多個感應信號，以依據所述多個感應信號來決定金屬物件的多個物件表面的至少其中之一是否存在缺陷。

基於上述，本發明的金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法，可藉由具有曲面設計的多個橢圓形線圈來感測通過量測路徑的金屬物件，以有效地量測金屬物件的多個表面的至少其中之一是否存在缺陷，並且可提供彈性的量測架構設計。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1是依照本發明的一實施例的金屬表面缺陷量測裝置的功能方塊圖。參考圖1，金屬表面缺陷量測裝置100包括驅動電路110、線圈組120以及處理電路130，並且線圈組120包括多個橢圓形線圈120_1~120_N，其中N為大於0的正整數。在本實施例中，驅動電路110耦接所述多個橢圓形線圈120_1~120_N，以驅動所述多個橢圓形線圈120_1~120_N。所述多個橢圓形線圈120_1~120_N經驅動後產生多個量測信號來感應通過所述多個橢圓形線圈120_1~120_N的金屬物件，並且對應地輸出多個感應信號。處理電路130耦接所述多個橢圓形線圈120_1~120_N，以接收所述多個橢圓形線圈120_1~120_N提供的所述多個感應信號。處理電路130分析所述多個感應信號，以依據所述多個感應信號來決定此金屬物件的多個物件表面的至少其中之一是否存在缺陷。

處理電路130例如包括中央處理單元（Central Processing Unit, CPU）、系統單晶片（System on Chip, SOC）或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits, ASIC）、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device, PLD）、其他類似處理裝置或這些裝置的組合。並且，處理電路130可進一步耦接記憶模組（memory），其中所述記憶模組可例如儲存用於實現本發明的量測方法的相關運算模組以及參數資料庫等，本發明並不加以限制。

在一實施例中，驅動電路110可進一步包括信號產生器（signal generator）、濾波器（filter）以及信號放大器（signal amplifier）等電路單元，以產生多個驅動信號來驅動所述多個橢圓形線圈120_1~120_N。並且，處理電路130可進一步包括濾波器以及信號處理器（signal processor）等電路單元，以濾除環境的電磁雜訊並分析所述多個橢圓形線圈120_1~120_N提供的所述多個感應信號。處理電路130也可以耦接驅動電路110，以提供控制信號至驅動電路110，來操作驅動電路110。然而，本發明的驅動電路110以及處理電路130的所包括相關電路單元並不限於上述。

圖2A以及圖2B是分別依照本發明的一實施例的多個橢圓形線圈的架構示意圖。參考圖2A以及圖2B，以四個橢圓形線圈的配置為例，但本發明並不限於此。本實施的多個橢圓形線圈220_1~220_4可分別耦接至如上述圖1實施例所述的驅動電路110以及處理電路130。在本實施例中，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4，環繞量測路徑SP來配置，並且各別的曲面朝向量測路徑SP。量測路徑SP為朝向第一方向D1。第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3彼此垂直。詳細而言，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的凹曲面（concave surface）朝向量測路徑SP，並且所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的中心點位於同一平面上，以使量測路徑SP的量測方向（第一方向D1）垂直於所述平面。

在本實施例中，在執行量測的過程中，當金屬物件MB經由量測路徑SP通過所述多個橢圓形線圈220_1~220_4時，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的這些曲面一對一地對應於金屬物件MB的多個物件表面R1~R4，並且非接觸式地感應金屬物件MB的所述多個物件表面R1~R4。所述多個物件表面R1~R4分別對應於金屬物件MB的不同表面區域。在本實施例中，處理電路依據所述多個感應信號來決定多個阻抗參數，以基於所述多個阻抗參數來各別判斷金屬物件MB的所述多個物件表面R1~R4的至少其中之一是否存在機械特性的缺陷。所述機械特性的缺陷可指金屬物件表面的硬度（hardness）、裂縫（crack）、瑕疵（flaw）、導電度（electric conductivity）或導磁度（magnetic conductivity）等存在異常。此外，本實施例的金屬物件MB可例如是金屬螺絲、金屬螺帽或金屬針具等諸如此類的金屬零件，而本發明並不加以限制。

在本實施例中，如圖2B所示，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4各別的中心點的連線形成圓形，但本發明並不限於此。所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的配置可應於量測物件的外型或量測環境來對應設計之。並且，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的各別的曲率半徑可選自5毫米（mm）至50毫米之間。所述多個橢圓形線圈220_1~220_4產生的多個量測信號的頻率可選自1兆赫（MHz）至10兆赫之間，以涵蓋廣泛的金屬材料量測範圍。值得注意的是，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4可為相同大小以及曲面結構的金屬線圈，但本發明並不限於此。在一實施例中，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4也可為不相同大小或不同曲面結構的金屬線圈。

然而，為了避免所述多個橢圓形線圈220_1~220_4彼此之間的電磁干擾，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4彼此相隔的間距大於5毫米。此外，在一實施例中，在橢圓形線圈220_2以及220_3之間的間隔以及在橢圓形線圈220_3以及220_4之間的間隔可設置輸送帶以形成量測路徑來輸送金屬物件R1，但本發明並不限於此。也就是說，本發明的金屬表面缺陷量測裝置可提供彈性的量測設備的架構設計。

進一步而言，在本實施例中，當金屬物件MB經由量測路徑SP通過所述多個橢圓形線圈220_1~220_4時，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4經驅動後分別產生感應磁場（即量測信號）至分別對應的所述多個物件表面R1~R4，以使金屬物件MB的所述多個物件表面R1~R4分別對應地產生（相反方向）渦電流（eddy current），並且所述多個物件表面R1~R4各別所產生的渦電流將提供對應的另一感應磁場。因此，所述多個橢圓形線圈220_1~220_4可感應所述多個物件表面R1~R4所各別提供的對應的另一感應磁場來輸出多個感應信號。

接著，處理電路可處理並分析所述多個橢圓形線圈220_1~220_4輸出的所述多個感應信號。在本實施例中，處理電路可依據電磁感應原理來推算出對應於所述多個感應信號的多個阻抗參數，並且結合預先建立的資料庫來判斷所述多個阻抗參數的至少其中之一是否為對應於缺陷的阻抗參數。在本實施例中，處理電路執行所述運算功能以及所述預先建立的資料庫可例如儲存在記憶模組中，並且所述記憶模組耦接至處理電路。並且，在一實施例中，處理電路可例如執行以下公式（1）的阻抗推導方程式，來準確地取得對應的阻抗參數，但本發明並不限於此。在公式（1）中，Z為線圈的阻抗、d為線圈的線寬、μ0為線圈的空氣導磁率、λ為量測信號的波長、r1為線圈內徑、r2為線圈外徑、nc為線圈匝數以及α為係數。

……（1）

據此，本實施例的金屬表面缺陷量測裝置可藉由各別獨立所述多個橢圓形線圈220_1~220_4來分別量測經由量測路徑SP通過所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的金屬物件MB，以使金屬表面缺陷量測裝置可有效地量測到金屬物件MB的完整表面缺陷情況，並且還可藉由各別判斷所述多個橢圓形線圈220_1~220_4的感應結果來準確地得知其缺陷位置。

圖3是依照本發明的一實施例的橢圓形線圈的結構示意圖。參考圖3，圖3所呈現的橢圓形線圈320為表示平坦狀態的線圈架構，而本發明各實施例的橢圓形線圈可例如是將圖3的橢圓形線圈320彎曲，以形成曲面。在一較佳實施例中，橢圓形線圈320的長軸L1與短軸L2比例可選自1:0.1至1:0.5之間。並且，橢圓形線圈320的外徑OD小於200毫米。

圖4是依照本發明的一實施例的量測結果的分布示意圖。參考圖1以及圖4，阻抗參數的實部為電阻（resistance），並且虛部為電抗（reactance）。在本實施例中，相近範圍的阻抗參數可被分類為具有同一缺陷特性群組。舉例而言，金屬表面缺陷量測裝置100可依據量測需求來預先建立資料庫，以預設多個缺陷分類410、420、430，其中這些範圍可例如由多個門檻值來設立。所述多個缺陷分類410、420、430例如分別對應於裂縫、硬度過低、導電度過低。因此，當金屬表面缺陷量測裝置100連續地感測相同類型的多個金屬物件時，處理電路130可例如取得多個對應的阻抗參數411、412、421、422、431、432。處理電路130可進一步將阻抗參數411、412所分別對應的金屬物件判斷為屬於缺陷分類410。處理電路130可進一步將阻抗參數421、422所分別對應的金屬物件判斷為屬於缺陷分類420。處理電路130可進一步將阻抗參數431、432所分別對應的金屬物件判斷為屬於缺陷分類430。換言之，本實施例的金屬表面缺陷量測裝置100可有效率地對具有不同缺陷特性的多個金屬物件進行分類。

圖5是依照本發明的一實施例的金屬表面缺陷量測方法的流程圖。參考圖1以及圖5，本實施例的金屬表面缺陷量測方法可至少適用於圖1實施例的金屬表面缺陷量測裝置100。在步驟S510中，當金屬物件經由量測路徑通過多個橢圓形線圈120_1~120_N時，金屬表面缺陷量測裝置100藉由驅動電路110驅動所述多個橢圓形線圈120_1~120_N，其中所述多個橢圓形線圈120_1~120_N各別的曲面朝向所述量測路徑。在步驟S520中，金屬表面缺陷量測裝置100藉由所述多個橢圓形線圈120_1~120_N產生多個量測信號來感應所述金屬物件，以對應輸出多個感應信號。在步驟S530中，金屬表面缺陷量測裝置100藉由處理電路130分析所述多個感應信號，以依據所述多個感應信號來決定金屬物件的多個物件表面的至少其中之一是否存在缺陷。因此，本實施例的金屬表面缺陷量測方法可有效地量測金屬物件的表面缺陷。

另外，關於本實施例的金屬表面缺陷量測裝置100的其他電路元件特徵、線圈特徵、具體技術細節以及相關實施方式可參考上述圖1至圖4實施例的內容，而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，本發明的金屬表面缺陷量測裝置及其量測方法，可藉由多個橢圓形線圈所組成的環形線圈組來分別感測經由量測路徑來通過所述多個橢圓形線圈的金屬物件，以有效地量測金屬物件的多個表面的至少其中之一是否存在缺陷，並且可準確地判斷缺陷位置。更重要的是，所述多個橢圓形線圈是以分離配置的方式來形成環形線圈組，因此本發明的金屬表面缺陷量測裝置還可提供彈性的量測架構設計，以因應不同金屬物件外型或量測環境需求來對應調整所述多個橢圓形線圈的配置數量以及配置方式。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧金屬表面缺陷量測裝置

110‧‧‧驅動電路

120‧‧‧線圈組

120_1~120_N、220_1、220_2、220_3、220_4、320‧‧‧橢圓形線圈

130‧‧‧處理電路

410、420、430‧‧‧缺陷分類

411、412、421、422、431、432‧‧‧阻抗參數

D1、D2、D3‧‧‧方向

MB‧‧‧金屬物件

SP‧‧‧量測路徑

R1、R2、R3、R4‧‧‧物件表面

L1‧‧‧長軸

L2‧‧‧短軸

OD‧‧‧外徑

S510~S530‧‧‧步驟

圖1是依照本發明的一實施例的金屬表面缺陷量測裝置的功能方塊圖。 圖2A以及圖2B是分別依照本發明的一實施例的多個橢圓形線圈的架構示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的橢圓形線圈的結構示意圖。 圖4是依照本發明的一實施例的量測結果的分布示意圖。 圖5是依照本發明的一實施例的金屬表面缺陷量測方法的流程圖。

100‧‧‧金屬表面缺陷量測裝置

110‧‧‧驅動電路

120‧‧‧線圈組

120_1~120_N‧‧‧橢圓形線圈

130‧‧‧處理電路

Claims (8)

1. 一種金屬表面缺陷量測裝置，包括：多個橢圓形線圈，環繞一量測路徑來配置，並且各別的一曲面朝向該量測路徑；一驅動電路，耦接該些橢圓形線圈，當一金屬物件經由該量測路徑通過該些橢圓形線圈時，該驅動電路用以驅動該些橢圓形線圈，以使該些橢圓形線圈產生多個量測信號來感應該金屬物件，以對應輸出多個感應信號；以及一處理電路，耦接該些橢圓形線圈，用以分析該些感應信號，以依據該些感應信號來決定該金屬物件的多個物件表面的至少其中之一是否存在缺陷，其中該些橢圓形線圈的各別的一長軸與一短軸比例選自10.1至1：0.5之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中當該金屬物件經由該量測路徑通過該些橢圓形線圈時，該些橢圓形線圈的該些曲面一對一地對應於該金屬物件的該些物件表面，以非接觸式地感應該金屬物件的該些物件表面，並且該處理電路依據該些感應信號來決定多個阻抗參數，以基於該些阻抗參數來判斷該金屬物件的該些物件表面的至少其中之一是否存在機械特性的缺陷。
3. 如申請專利範圍第1項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中該些橢圓形線圈的多個中心點位於同一平面上，並且該量測路徑的一量測方向垂直於該平面。
4. 如申請專利範圍第3項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中該橢圓形線圈的各別的該些中心點的連線形成一圓形。
5. 如申請專利範圍第1項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中該些橢圓形線圈的各別的一外徑小於200毫米。
6. 如申請專利範圍第1項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中該些橢圓形線圈的各別的一曲率半徑選自5毫米至50毫米之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中該些量測信號的一頻率選自1兆赫至10兆赫之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述的金屬表面缺陷量測裝置，其中該些橢圓形線圈的彼此相隔的一間距大於5毫米。

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