多层导电涂层厚度的涡流检测方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多层导电涂层厚度的涡流检测方法和装置。通过多频正弦激励信号发生模块、探头、霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块组成的装置，分四步的检测出多层导电涂层的厚度。本发明的可以对多层导电涂层的厚度进行检测；检测装置简单，具有很好的便携性；反演算法程序简单明了，易于实现；检测精度较高。
【专利说明】多层导电涂层厚度的涡流检测方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于无损检测领域，特别是一种多层导电涂层厚度的涡流检测方法和装置。
【背景技术】
[0002]多层导电结构厚度检测是很多重要领域急需解决的问题。相比于其它的无损检测技术，涡流检测方法具有灵敏度高、适用于导电材料、造价低、不需要耦合剂以及可用于高温、薄管、细线和内空表面等难以进行检测的特殊场合等优点，因此可以采用涡流检测技术进行多层导电结构厚度等的检测。
[0003]根据涡流检测理论，在涡流探头线圈结构固定和激励频率一定的情况下，被测对象表面的厚度影响被测对象中涡流引起的二级磁场的强度，从而影响耦合的磁感应强度。涡流厚度检测技术就是通过上述原理建立检测厚度和耦合磁场强度之间的拟合函数关系，通过反演求解，从而完成对导电涂层厚度的检测。由于材料的复杂性以及导电涂层厚度太薄对多层导电涂层结构的厚度准确检测有较多问题尚待解决。
[0004]目前导电涂层厚度的涡流检测技术主要针对单层导电涂层厚度检测，国内外已经有了相对成熟可行的方法，并成功的应用的实际工程中去。但对于多层导电涂层厚度的检测，还停留在理论分析和实验阶段，还没有实际地运用到工程检测中去。因此，多层导电涂层厚度的检测是目前涡流检测领域的一个热点问题。
[0005]针对该问题，黄平捷和吴昭同等人提出了基于最小二乘数值优化逼近模型的多层导电结构厚度电涡流检测方法，建立涡流探头阻抗变化的数学模型，根据阻抗的变化，提供多种可供选用的拟合模型，利用最小二乘原理拟合出检测电压变化值与厚度关系函数，并优选确定最佳模型进行厚度反演计算。
[0006]该方法存在以下问题:
[0007].该方法需要大量的已知厚度的检测数据，来进行厚度、电压值变化之间的关系函数拟合，并且复杂的拟合模型需要的数据点更多；
[0008].对于多层结构，每层厚度较薄时，其检测灵敏度受限；
[0009].检测精度依懒于拟合模型的选取和方程组的求解方式，对于复杂的拟合模型，其反演求解较复杂，需利用计算机，不方便便携操作。
[0010]同时，黄平捷和吴昭同等人提出了基于巨磁阻传感器和智能算法的多层厚度涡流检测装置(中国专利:CN101532816A)。该专利通过信号发生器产生激励信号，经过功率放大器放大后为内置GMR和磁钢的激励线圈提供激励信号。基于内置GMR和磁钢的检测线圈检测出涡流信号的大小，经滤波电路滤波后送入放大电路进行放大。放大电路的输出由基于单片机的数据采集电路采集到计算机中进行处理。该信号与被检测的多层导电材料的厚度有密切关系，经过采用改进BP网络进行反演计算，可得到各层导电材料的厚度。
[0011]该方法存在以下问题:
[0012].基于BP网络进行反演计算，需要大量的已知数据组进行长时间的网络学习；[0013].不同的网络结构和训练算法会对精度产生较大影响；
[0014].网络学习过程可能出现不收敛；
[0015].通过BP网络进行反演计算，需要利用计算机，便携性受限。
[0016]李勇和陈振茂等人提出基于截断区域法的多层结构涡流理论模型，根据阻抗、磁场关于各层厚度和电磁特性的变化关系式，结合Levenberg-Marquardt (LM)算法,提出了热障涂层系统多频涡流检测逆问题求解模型，通过不断的反演求解得到每层厚度和电磁特性，并利用该方法求解了基体上涂镀一层导电涂层和一层非导电涂层的厚度和电导率。
[0017]该方法存在以下问题:
[0018].基于截断区域法的多层结构涡流理论模型较为复杂，在迭代求解中相对困难；
[0019].对于给定初值的迭代求解方法，对初值要求较高；
[0020].此种反演方法耗时较多，尤其是对多参数求解时，同样需要使用计算机操作。
【发明内容】
[0021]本发明的目的是解决上述问题，提供一种高检测精度、简化检测流程、降低硬件成本和更具便携性的多层导电涂层厚度的涡流检测装置和方法。
[0022]本发明的多层导电涂层厚度的涡流检测装置，包括多频正弦激励信号发生模块、探头、霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块；多频正弦激励信号发生模块与探头相连，霍尔传感器附着在探头上，霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块依次相连。
[0023]优选地，所述多频正弦激励信号发生模块由至少一片ICL8038震荡集成电路和一片AD817运算放大器组成。
[0024]优选地，所述滤波放大模块为以0P07运算放大器为核心的放大滤波电路。
[0025]优选地，所述多频信号分离模块为0P07运算放大器设计的二阶压控电压源带通滤波器。
[0026]优选地，所述运算模块包括MSP430单片机。
[0027]优选地，所述显示模块为LED显示模块，包含4位八段LED数码管。
[0028]本发明的多层导电涂层厚度的涡流检测方法；包括如下步骤:
[0029]第一步、测出两层导电涂层的被测件的检测信号增幅；
[0030]第二步、改变上下涂层厚度，测出随厚度变化后的检测信号增幅；
[0031]第三步、根据检测信号增幅，拟合出上下层磁场强度与厚度变化的直线关系，确定上层直线的斜率和截距与底层厚度的关系，用两组数据代入实测点的数值便可求解出底层厚度和总厚度的值；
[0032]第四步、改变激励信号的频率，再次对被测对象进行检测，再拟合出上下层磁场强度与厚度变化的直线关系，确定上层直线的斜率和截距与底层厚度的关系，确定另一组参数，与第三步的数据求解，得出底层厚度和上层厚度的值。
[0033]进一步地，所述第三步和第四步的运算过程如下:
[0034]设下层磁场变化与厚度的关系如下式
[0035]B=kd1+b (I)
[0036]上层厚度变化曲线的斜率与下层厚度的关系如下式[0037]kx=k! Cl^b1 (2)
[0038]上层直线的截距与下层厚度的关系如下式
[0039]b0=k2d1+b2 (3)
[0040]直线关系如下式
[0041]B0=kxd0+b0 (4)
[0042]将式(I)、式(2)和式(3)代入式(4)可得
[0043]B0= (Ii1C^b1) C^k2ClAb2 (5)
[0044]将式(5 )转换最终可得
[0045]k^^o+b^o+kad^ba-Bo^ (6)
[0046]其中Cltl为双涂层的总厚度，Cl1为底层厚度，kp k2、bp b2为实验获得的被测值，B0为检测值。
[0047]进一步地，所述第一步和第二步的检测过程如下:
[0048]步骤1、通过信号发生模块产生多个频率的正弦激励信号，并将其输入涡流探头的激励线圈；
[0049]步骤2、将涡流探头固定在两层导电涂层的被测件上，正弦多频激励信号输入检测装置的激励线圈后，在被测对象和涡流探头线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，探测所在位置的磁感应强度信号，将探测到磁感应强度信号转化成相对应的电压信号；
[0050]步骤3、通过响应信号放大滤波模块对步骤2所得的电压信号进行放大滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号并对信号进行放大；
[0051]步骤4、将步骤3放大滤波后的电压信号输入到带通滤波器中，提取出和各个激励信号频率一致的电压信号；
[0052]步骤5、将步骤4提取出的正弦电压信号通过信号的采集模块，提取出该正弦电压信号的幅值，作为检测信号增幅。
[0053]进一步地，所述上下层磁场强度与厚度变化的直线关系是通过Matlab拟合出的。
[0054]本发明的有益效果:可以对多层导电涂层的厚度进行检测；检测装置简单，具有很好的便携性；反演算法程序简单明了，易于实现；检测精度较高。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]图1为多层导电涂层厚度的涡流检测装置原理图；
[0056]图2为磁场变化与关系式原理图。
【具体实施方式】
[0057]下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
[0058]如图1所示，本发明的多层导电涂层厚度的涡流检测装置，包括多频正弦激励信号发生模块、探头、霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块；多频正弦激励信号发生模块与探头相连，霍尔传感器附着在探头上，霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块依次相连。所述多频正弦激励 信号发生模块由至少一片ICL8038震荡集成电路和一片AD817运算放大器组成。所述滤波放大模块为以0P07运算放大器为核心的放大滤波电路。所述多频信号分离模块为0P07运算放大器设计的二阶压控电压源带通滤波器。所述运算模块包括MSP430单片机。所述显示模块为LED显示模块，包含4位八段LED数码管。
[0059]多频正弦激励信号发生模块:该模块选择ICL8038作为激励信号发生芯片，其振荡范围为O?300kHz，可产生频率范围O?300KHz稳定的正弦信号。针对多频涡流检测系统，可选择多片ICL8038通过AD817运算放大器所构成的加法器实现多频信号的叠加，产生多频正弦激励信号对探头线圈进行激励。
[0060]滤波放大模块:为了能更好的对检测信号进行处理，须对霍尔传感器的感应信号进行放大滤波，滤除感应信号中的直流信号以及高频噪音信号。该模块以0P07运算放大器构成放大滤波电路，对霍尔传感器感应的多频检测信号进行滤波放大。
[0061]多频信号分离模块:对滤波放大后的多频检测信号，利用0P07运算放大器设计二阶压控电压源带通滤波器，将含有多频成分的检测信号分别提取出和单个激励信号频率相同的单频信号。
[0062]信号采集模块:对分离出的单频正弦检测信号，利用二极管以及三极管的特性可设计信号幅值提取电路，对各个单频正弦检测信号提取其幅值作为检测的电压信号。
[0063]运算模块:该模块以MSP430单片机为核心，将提取的各个单频正弦信号的幅值作为(6)式方程中的Btl值，由此构成方程组，编写软件程序通过调用单片机的功能实现方程组的解，该方程组的解即为各涂层的厚度值。
[0064]显示模块:该模块主要通过单片机的程序控制将得到的涂层厚度通过LED显示出来。该测量厚度的精度要求较高，所以可选择4位八段LED数码管。而单片机的I/O端口有限，为了节省单片机的I/O端口资源，选择用移位寄存器对单片机I/O端口进行扩展，并采用动态扫描的方法驱动数码管。
[0065]当被测对象中的集肤深度大于被测涂层厚度时，(I)当激励信号频率一定时，涡流检测系统的磁感应强度的随被测对象的厚度呈线性分布关系；(2)当导电涂层的电导率大于基体时，线性分布曲线呈现下降趋势，当导电涂层的电导率小于基体时，线性分布曲线呈现上升趋势；(3)不同被测涂层材料得到的线性直线的斜率不同，直线的斜率与被测体材料的电导率以及激励频率相关；(4)上层厚度变化的直线斜率与下层厚度呈现线性关系，反之亦然；(5)上层厚度变化直线的截距与下层厚度呈现线性关系，反之亦然。若激励信号的频率与幅值不变，涡流位移检测系统中磁感应强度与同一被测对象的厚度呈现线性分布，上层涂层的厚度变化引起的磁感应强度变化的线性直线的斜率和截距与下层涂层的厚度呈现线性关系。通过提取涡流检测信号的幅值建立涡流厚度检测系统磁感应强度和上下涂层厚度的关系，实现对两涂层厚度的检测。
[0066]进行测量时，步骤1:产生多频的正弦激励信号:通过信号发生模块产生多个频率的正弦激励信号，并将其输入探头的激励线圈。步骤2:产生检测信号:将检测装置的探头固定在具有双涂层的被测试件上，正弦多频激励信号输入检测装置的激励线圈后，根据电磁感应原理会在被测对象和涡流探头线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，霍尔传感器分布于该空间中并探测所在位置的磁感应强度信号，霍尔传感器将探测到磁感应强度信号转化成相对应的电压信号，并将该电压信号作为响应信号输入到滤波放大模块。步骤3:放大滤波:通过滤波放大模块对电压信号进行放大滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大，有利于信号的读取和处理，并将得到的理想电压信号输入到响应信号的多频信号分离模块；步骤4:响应信号的频率分离:将上述经过放大滤波后的电压信号输入到设多频信号分离模块中，分别提取出和各个激励信号频率一致的电压信号，再将分离出各个频率的电压信号输入到信号采集模块中，便于响应信号的采集和处理。步骤5:响应信号的采集:将频率分离后的正弦电压信号通过信号的采集模块，提取出该正弦电压信号的幅值，作为运算模块的输入信号。然后改变上下涂层的厚度，再次通过前面的5个步骤测出随厚度变化的检测信号的幅值。将检测信号输入到运算模块中，在其中通过下列公式设下层磁场变化与厚度的关系式如图2所示
[0067]B=kd1+b (I)
[0068]上层厚度变化曲线的斜率与下层厚度的关系式
[0069]^k1 (I^b1 (2)
[0070]上层直线的截距与下层厚度的关系式
[0071]b0=k2d1+b2 (3)
[0072]直线关系式
[0073]B0=kxd0+b0 (4)
[0074]将式(I)、式(2)和式(3)代入式(4)可得
[0075]B。= (Ii1C^b1) C^k2ClAb2 (5)
[0076]将式(5 )转换最终可得
[0077]k^^o+b^o+kad^ba-Bo^ (6)
[0078]其中Cltl为双涂层的总厚度，Cl1为底层厚度，kp k2、bp b2为实验获得的被测值，它们和被测材料的电导率和激励频率有关，Btl为检测值。运算解出底层厚度Cl1和总厚度Cltl的值。然后改变激励信号的频率，再次进行5个步骤的测量，再通过上述的公式确定另一组参数匕、k2和b2，与前一组数据构成二元二次方程组进行求解，得到上下两涂层的厚度。
[0079]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种多层导电涂层厚度的涡流检测方法；其特征在于:包括如下步骤: 第一步、测出两层导电涂层的被测件的检测信号增幅； 第二步、改变上下涂层厚度，测出随厚度变化后的检测信号增幅； 第三步、根据检测信号增幅，拟合出上下层磁场强度与厚度变化的直线关系，确定上层直线的斜率和截距与底层厚度的关系，用两组数据代入实测点的数值便可求解出底层厚度和总厚度的值； 第四步、改变激励信号的频率，再次对被测对象进行检测，再拟合出上下层磁场强度与厚度变化的直线关系，确定上层直线的斜率和截距与底层厚度的关系，确定另一组参数，与第三步的数据求解，得出底层厚度和上层厚度的值。
2.如权利要求1所述的多层导电涂层厚度的涡流检测方法；其特征在于:所述第三步和第四步的运算过程如下: 设下层磁场变化与厚度的关系如下式 B=kd1+b (I) 上层厚度变化曲线的斜率与下层厚度的关系如下式 kfkidi+bi (2) 上层直线的截距与下层厚度的关系如下式 b0=k2d1+b2 (3) 直线关系如下式 B0=kxdQ+b。 (4)· 将式(I)、式(2)和式(3)代入式(4)可得 B0=do+kad^ba (5) 将式(5)转换最终可得
k! Cl1 d0+b! d0+k2 Cl^b2-B0=O (6) 其中Cltl为双涂层的总厚度，Cl1为底层厚度，kp k2、bp b2为实验获得的被测值，B0为检测值。
3.如权利要求1所述的多层导电涂层厚度的涡流检测方法；其特征在于:所述第一步和第二步的检测过程如下: 步骤1、通过信号发生模块产生多个频率的正弦激励信号，并将其输入涡流探头的激励线圈； 步骤2、将涡流探头固定在两层导电涂层的被测件上，正弦多频激励信号输入检测装置的激励线圈后，在被测对象和涡流探头线圈之间的空间形成一个耦合的电磁场，探测所在位置的磁感应强度信号，将探测到磁感应强度信号转化成相对应的电压信号； 步骤3、通过响应信号放大滤波模块对步骤2所得的电压信号进行放大滤波处理，滤出电压信号中的杂波电压信号并对信号进行放大； 步骤4、将步骤3放大滤波后的电压信号输入到带通滤波器中，提取出和各个激励信号频率一致的电压信号； 步骤5、将步骤4提取出的正弦电压信号通过信号的采集模块，提取出该正弦电压信号的幅值，作为检测信号增幅。
4.一种多层导电涂层厚度的涡流检测装置，其特征在于:包括多频正弦激励信号发生模块、探头、霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块；多频正弦激励信号发生模块与探头相连，霍尔传感器附着在探头上，霍尔传感器、滤波放大模块、多频信号分离模块、信号采集模块、运算模块和显示模块依次相连。
5.如权利要求4所述的多层导电涂层厚度的涡流检测装置，其特征在于:所述多频正弦激励信号发生模块由至少一片ICL8038震荡集成电路和一片AD817运算放大器组成。
6.如权利要求4所述的多层导电涂层厚度的涡流检测装置；其特征在于:所述滤波放大模块为以0P07运算放大器为核心的放大滤波电路。
7.如权利要求4所述的多层导电涂层厚度的涡流检测装置；其特征在于:所述多频信号分离模块为0P07运算放大器设计的二阶压控电压源带通滤波器。
8.如权利要求4所述的多层导电涂层厚度的涡流检测装置；其特征在于:所述运算模块包括MSP430单片机。
9.如权利要求4所述的多层导电涂层厚度的涡流检测装置；其特征在于:所述显示模块为LED显示模块，包含4位八段L`ED数码管。
【文档编号】G01B7/06GK103852000SQ201410110935
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】于亚婷, 王飞, 来超, 张德俊, 危荃 申请人:电子科技大学, 上海航天精密机械研究所