CN108489370A - 一种适用于铝材的电涡流测距***及方法 - Google Patents

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何欣
曹宏
史清卫
何盛楠
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Abstract

本发明公开了一种适用于铝材的电涡流测距***及方法，该***包括激励电路单元、探头、信号采集单元、相敏检波电路单元、单片机和上位机；激励电路单元连接探头的线圈，探头的线圈连接信号采集单元，信号采集单元连接相敏检波电路单元，相敏检波电路单元的第一信号输出端经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块连接单片机，相敏检波电路单元的第二信号输出端经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块连接单片机，单片机连接上位机。利用相敏检波电路将探头测得的阻抗电压进行分解得到感抗X(μ)电压UX和电阻R(Ω)电压UR进行分析，从而避免了非铁磁金属材料电涡流测距时的阻抗双值问题出现。

Description

一种适用于铝材的电涡流测距***及方法
技术领域
本发明属于电涡流检测技术领域，具体涉及一种适用于铝材的电涡流测距***及方法。
背景技术
电涡流测距技术是非接触检测技术的一种，其原理是向探头线圈中通入高频震荡电流，使探头头部的线圈中产生交变的磁场，当被测金属体靠近这一磁场时，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与探头头部线圈方向相反的交变磁场，经过转换器算法，来测定探头头部线圈到金属导体表面的距离等参数。
目前电涡流测距技术主要的检测对象主要是铁，铸铁等具有磁性的金属材料。但是对于铝，铜等不具有磁性性质的金属材料能否采用同一种方法进行检测，需要进一步分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于铝材的电涡流测距***及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于铝材的电涡流测距***，该***包括激励电路单元、探头、信号采集单元、相敏检波电路单元、单片机和上位机；激励电路单元连接探头的线圈，探头的线圈连接信号采集单元，信号采集单元连接相敏检波电路单元，相敏检波电路单元的第一信号输出端经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块连接单片机，相敏检波电路单元的第二信号输出端经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块连接单片机，单片机连接上位机。
在上述技术方案中，单片机型号为AT89S52。
在上述技术方案中，单片机型号为AT89S51。
上述电涡流测距***的检测方法为：激励电路单元向探头输入高频电流，将探头接近被测铝材表面，信号采集单元采集探头的电压信号，利用相敏检波电路对该电压信号进行分解得到感抗电压UX信号和电阻电压UR信号，感抗电压UX信号经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块处理后输入单片机，电阻电压UR信号经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块处理后输入单片机，单片机将数据传送至上位机，由上位机进行处理，上位机根据感抗电压UX数据或电阻电压UR数据得到探头距被测铝材表面的距离值。
在上述技术方案中，上位机的数据处理采用了查表的方式：提前进行试验，在探头距离被测铝材表面2mm内每隔0.01mm测量探头线圈的感抗电压变化，即每隔0.01mm，用示波器读取并记录感抗电压值，将所得数据记录在程序中，这样就得到了感抗电压值与探头距被测铝材表面距离之间的对应关系表；使用时，上位机根据单片机传给上位机的感抗电压数据，查表即可得到对该感抗电压所对应的距离值。
在上述技术方案中，适用于铝材的电涡流测距***采用一种双圈结构测量仪探头，所述双圈结构测量仪探头包括两根磁芯，在第一磁芯上设置第一线圈作为激励线圈，在第二磁芯上设置第二线圈作为检测线圈。
进一步的，两根磁芯均为半圆柱型磁芯(即该磁芯的截面为半圆形)。
进一步的，两个半圆柱型磁芯合并成为完整圆柱并外包绝缘外壳。
进一步的，第一线圈的匝数和第二线圈的匝数相同。
进一步的，两根磁芯的直径均为1mm。
本发明的优点和有益效果为：
本发明的电涡流测距***及方法适用于铝材等非铁磁金属材料，将探头测得的阻抗电压进行分解得到感抗X(μ)电压UX和电阻R(Ω)电压UR进行分析，从而避免了非铁磁金属材料电涡流测距时的阻抗双值问题出现。
此外，本发明的双圈结构测量仪探头包括两根半圆柱型磁芯，在第一半圆柱型磁芯上设置第一线圈作为激励线圈，在第二半圆柱型磁芯上设置第二线圈作为检测线圈，第一线圈的匝数和第二线圈的匝数相同，将两个半圆柱型磁芯合并成为完整圆柱并外包绝缘外壳。这样的结构改善了测量仪的测量结构，避免了线圈电流的干扰，将激励信号通道和检测信号通道分离，可以大大降低测量信号间的互相干扰，增强了测量仪灵敏度和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例一中检测实验得到的铁磁材料(铁)与非铁磁材料(铝)的距离阻抗图。
图2是本发明实施例一中检测实验得到的铁磁材料(铁)与非铁磁材料(铝)的感抗和电阻曲线图。
图3是本发明实施例一的一种适用于铝材的电涡流测距***框架图。
图4是本发明实施例三的一种双圈结构测量仪探头的结构示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
为了验证非铁磁性金属材料的阻抗性能，本实施例设计了一个检测实验：
设备：阻抗测试仪、线圈传感器、铁块、铝块。
方法：控制线圈与被测物(铁块、铝块)之间的距离，每次0.1mm进给，用阻抗测试仪分别记录电感值L、电阻值R、阻抗值|Z|(Ω)，直到被测物贴近传感器。
测量结果如图1、图2所示。其中，图1是铁磁材料(铁)与非铁磁材料(铝)的距离阻抗图，从图中可以看出铁磁材料(铁)的阻抗曲线单调，非铁磁材料(铝)的阻抗曲线不单调现象，因此对于非铁磁材料(铝)的检测过程会产生双值问题。图2是铁磁材料(铁)与非铁磁材料(铝)的感抗和电阻曲线图，从图中可以看出铁磁材料(铁)与非铁磁材料(铝)的感抗和电阻都具有单调性。因此在测量时可以通过对阻抗分解进行分析得出需要的结果。
双值问题原因分析：对于铁磁材料(铁)，当探头靠近铁质材料时，材料内部产生感应电流，从线圈中带走能量，表现为阻抗的增加；感应电流产生与线圈磁场相反的磁场，但事实上感抗却表现为增加，这是因为线圈靠近铁材料的过程等效为在线圈中***了铁芯感应电流使线圈的磁场强度增强，其值远远大于被测物中所产生的反向磁场量。所以铁磁材料产生的阻抗和测试距离具有单调关系。对于非铁磁材料(铝)，当探头靠近一块铝质材料时，线圈的阻抗将会增加，因为铝块中产生涡流，这将会使线圈中的能量减少，表现为阻抗增加，因为涡流产生的磁场与线圈产生的磁场相反，表现为感抗减少。所以非铁磁材料产生的阻抗和测试距离可能具有非单调关系的关系，可能会产生双值问题。
通过试验和分析可以得出：为了能够准确的根据电涡流原理进行检测，避免出现电压的双值问题，需要将探头测得的阻抗电压进行分解得到感抗X(μ)电压UX和电阻R(Ω)电压UR进行分析，就能够避免阻抗的双值问题出现。因此本实施例设计了一种适用于铝材的电涡流测距***及方法：
***框架图参见附图3，该***包括激励电路单元、探头、信号采集单元、相敏检波电路单元、单片机和上位机；激励电路单元连接探头的线圈，探头的线圈连接信号采集单元，信号采集单元连接相敏检波电路单元，相敏检波电路单元的第一信号输出端经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块连接单片机，相敏检波电路单元的第二信号输出端经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块连接单片机，单片机连接上位机。
检测方法为：激励电路单元向探头输入高频电流，将探头接近被测金属(铝)表面，信号采集单元采集探头的电压信号，利用相敏检波电路对该电压信号进行分解得到感抗电压UX信号和电阻电压UR信号，感抗电压UX信号经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块处理后输入单片机，电阻电压UR信号经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块处理后输入单片机，单片机将数据传送至上位机，由上位机进行处理，上位机根据感抗电压UX数据或电阻电压UR数据得到探头距被测金属表面的距离值。
实施例二
进一步的，上位机的数据处理采用了查表的方式：需提前进行试验，在探头距离被测金属表面2mm内每隔0.01mm测量探头线圈的感抗电压变化，即每隔0.01mm，用示波器读取并记录感抗电压值Ux，将所得数据记录在程序中，这样就得到了感抗电压值Ux与探头距离被测金属表面距离之间的对应关系表；使用时，上位机根据单片机传给上位机的感抗电压UX数据，查表即可得到对该感抗电压UX所对应的距离值。
实施例三
本实施例设计了一种双圈结构测量仪探头，参见附图4，所述双圈结构测量仪探头包括两根直径为1mm的半圆柱型磁芯(即该磁芯的截面为半圆形)，在第一半圆柱型磁芯上设置第一线圈作为激励线圈，在第二半圆柱型磁芯上设置第二线圈作为检测线圈，第一线圈的匝数和第二线圈的匝数相同，将两个半圆柱型磁芯合并成为完整圆柱并外包绝缘外壳。这样的结构改善了测量仪的测量结构，避免了线圈电流的干扰，将激励信号通道和检测信号通道分离，可以大大降低测量信号间的互相干扰，增强了测量仪灵敏度和可靠性。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：该***包括激励电路单元、探头、信号采集单元、相敏检波电路单元、单片机和上位机；激励电路单元连接探头的线圈，探头的线圈连接信号采集单元，信号采集单元连接相敏检波电路单元，相敏检波电路单元的第一信号输出端经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块连接单片机，相敏检波电路单元的第二信号输出端经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块连接单片机，单片机连接上位机。
2.根据权利要求1所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：单片机型号为AT89S52。
3.根据权利要求1所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：单片机型号为AT89S51。
4.根据权利要求1所述的适用于铝材的电涡流测距***的检测方法，其特征在于：激励电路单元向探头输入高频电流，将探头接近被测铝材表面，信号采集单元采集探头的电压信号，利用相敏检波电路对该电压信号进行分解得到感抗电压UX信号和电阻电压UR信号，感抗电压UX信号经过第一低通滤波模块和第一模数转换模块处理后输入单片机，电阻电压UR信号经过第二低通滤波模块和第二模数转换模块处理后输入单片机，单片机将数据传送至上位机，由上位机进行处理，上位机根据感抗电压UX数据或电阻电压UR数据得到探头距被测铝材表面的距离值。
5.根据权利要求4所述的适用于铝材的电涡流测距***的检测方法，其特征在于：上位机的数据处理采用了查表的方式：提前进行试验，在探头距离被测铝材表面2mm内每隔0.01mm测量探头线圈的感抗电压变化，即每隔0.01mm，用示波器读取并记录感抗电压值，将所得数据记录在程序中，这样就得到了感抗电压值与探头距被测铝材表面距离之间的对应关系表；使用时，上位机根据单片机传给上位机的感抗电压数据，查表即可得到对该感抗电压所对应的距离值。
6.根据权利要求1所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：适用于铝材的电涡流测距***采用一种双圈结构测量仪探头，所述双圈结构测量仪探头包括两根磁芯，在第一磁芯上设置第一线圈作为激励线圈，在第二磁芯上设置第二线圈作为检测线圈。
7.根据权利要求6所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：两根磁芯均为半圆柱型磁芯。
8.根据权利要求6所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：两个半圆柱型磁芯合并成为完整圆柱并外包绝缘外壳。
9.根据权利要求6所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：第一线圈的匝数和第二线圈的匝数相同。
10.根据权利要求6所述的一种适用于铝材的电涡流测距***，其特征在于：两根磁芯的直径均为1mm。
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