CN108051648B - 一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法，该方法实验装置由直流电位法装置和涡流检测法装置组成；实现该方法时，首先通过直流电位法装置中的恒流源给试件施加恒定电流激励，用纳伏表采集电压信号，通过计算可得到试件的电导率；然后通过涡流检测法装置中的激励线圈给试件施加激励，再用检出线圈检出电压信号；由于检出线圈的电压信号与试件的电导率和磁导率均相关，所以在由直流电位法测得试件电导率的前提下就可以对涡流检出信号通过共轭梯度法反演求得材料的磁导率；相较于传统的试件电导率和磁导率的测量方法，本发明方法能达到同时测量磁性材料电导率和磁导率的目的，而且激励频率可调，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法

技术领域

本发明涉及基于电磁方法的磁性材料电导率测量和磁导率测量领域，具体涉及一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法。

背景技术

磁性材料是现代工农业生产的主要支柱材料之一，磁性材料的产品是表示一个国家经济发展程度的指标，其需求则能粗略体现一个国家的国民生活水平。作为一种基础功能材料，磁性材料应用于生活的方方面面，目前磁性材料主要应用于电信、电机、电视机和计算机的存储设备等方面，它已逐渐成为促进社会发展的关键材料，所以对其电磁参数的测量显得尤为重要。目前磁性材料电导率的测量方法主要有直流电位法和交流电桥法等，磁导率测量方法主要有冲击检流计法、磁通计法、核磁共振法和霍尔效应法等。

直流电位法是测量材料电导率最常用的方法之一，它广泛应用于塑性变形检测、疲劳损伤检测、宏观裂纹检测等方面。直流电位法具有系统搭建简便、操作简单、灵敏度高和测量时间短等优点，所以它能方便快捷的精确测量磁性材料电导率。

涡流检测时线圈不需与被测物直接接触，可进行高速检测，易于实现自动化，且涡流检测中检出线圈的电压信号与被测材料的电导率和磁导率均相关。经研究发现，首先通过直流电位法测得材料的电导率后，通过共轭梯度法反演的方法即可从涡流检测检出线圈的电压信号中得到材料的磁导率，最终达到测量磁性材料电导率和磁导率的目的。

发明内容

为了达到上述测量磁性材料电导率和磁导率的目的，本发明的目的在于提供一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法，该方法实验装置由直流电位法装置和涡流检测法装置组成。直流电位法装置由恒流源、纳伏表、扫描台、数据采集装置和四个探针组成，其中恒流源与(1)号、(4)号两个探针相连，给其施加恒定电流，纳伏表与(2)号、(3)号两个探针相连，测量其之间的电压，数据采集装置与扫描台、纳伏表相连。涡流检测方法装置由信号发生器、功率放大器、锁相放大器、数据采集装置、激励线圈和检出线圈组成，其中信号发生器与功率放大器、锁相放大器相连，激励线圈与功率放大器相连，检出线圈与锁相放大器相连，数据采集装置与锁相放大器相连，通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号。实现该方法时，首先将待测试件放置在扫描台上，并将四个探针放置于试件上表面，用恒流源给其中两个探针施加恒定电流，用纳伏表测量其余两个探针之间的电压，通过数据采集装置采集到的电压信号、恒流源输出的电流信号和试件的尺寸可计算得到试件的电导率；然后通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号；由于检出线圈的电压信号与被测试件的电导率和磁导率均相关，所以在由直流电位法测得试件电导率的前提下就可以对涡流检出信号通过共轭梯度法反演求得材料的磁导率。相较于传统的试件电导率和磁导率的测量方法，本发明方法能达到同时测量磁性材料电导率和磁导率的目的，而且本发明方法的检测灵敏度高、激励频率可调、检测系统易于搭建且成熟可靠，具有广泛的应用前景。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建实验装置，该实验装置由直流电位法装置和涡流检测法装置组成，直流电位法装置由恒流源、纳伏表、扫描台、数据采集装置和设置在扫描台上的四个探针组成，四个探针依次分别为1号探针、2号探针、3号探针和4号探针，其中恒流源与1号探针和4号探针相连，给其施加恒定电流，纳伏表与2号探针和3号探针相连，测量其之间的电压，数据采集装置与扫描台、纳伏表相连；涡流检测方法装置由信号发生器、功率放大器、锁相放大器、数据采集装置、激励线圈和检出线圈组成，其中信号发生器与功率放大器和锁相放大器相连，激励线圈与功率放大器相连，检出线圈与锁相放大器相连，数据采集装置与锁相放大器相连，通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号；

步骤2：首先将被测试件加工成长度大于厚度的板状试件，并将加工好的板状试件固定在扫描台上；在板状试件的中轴线上等距固定直流电位法的四个探针，并确保探针与探针之间的距离大于板状试件的宽度和厚度；然后用恒流源给1号探针和4号探针施加恒定电流，同时用纳伏表记录2号探针和3号探针间电压的变化；最后用数据采集装置采集n组数据并用式(1‐1)进行计算即得到板状试件的电导率；

式中：σ为板状试件的电导率，ρ为板状试件的电阻率，I为恒流源输出的电流，S为2号探针和3号探针之间的距离，U_i为数据采集装置第i次采集的2号探针和3号探针之间的电压，W、H分别为板状试件的宽度和厚度，n为采集的数据组数，i表示当前数据采集装置采集数据的组数编号；

步骤3：首先在板状试件上方放置涡流检测法的激励线圈和检出线圈，并利用信号发生器产生预设频率的正弦激励信号，经过功率放大器放大该正弦激励信号并施加给激励线圈；然后用数据采集装置采集通过锁相放大器锁相放大后的检出线圈的电压信号，检出线圈的电压信号V的计算公式如式(1‐2)所示，

式中J_e为板状试件中的涡流密度，E_s为源电流场的电场强度，分别由式(1‐3)和式(1‐4)计算得到；I_p为流经检出线圈的电流，cond.表示检出线圈所处的空间区域；

J_e＝-jωσA_r (1-3)

式中ω为正弦激励信号的角频率，σ为板状试件的电导率，A_r是与涡流场相关的矢量磁位；

其中σ为板状试件的电导率，μ为板状试件的磁导率，A_s为与激励线圈中的激励电流相关的矢量磁位；

步骤4：步骤3中由涡流检测装置测得的检出线圈的电压信号V与板状试件的电导率σ和磁导率μ有关，而板状试件的电导率σ可由步骤2中的直流电位法测得，则板状试件的磁导率μ通过对检出线圈的电压信号V采用共轭梯度法反演得到。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明提出了一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法，与传统测量方法相比，本发明方法可以同时测得磁性材料的电导率和磁导率；

2)与传统磁性材料的电导率和磁导率测量方法相比，本发明方法的激励线圈的激励频率可调，特别是铁磁性材料的磁特性参数随激励频率变化时，本方法可测得不同频率下铁磁性材料的磁导率特性；另外，本发明方法的检测灵敏度较高，实验系统搭建简便，操作简单，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中应用的直流电位法系统和涡流检测系统各组件连接示意图；

图2为本发明中所用试件示意图及涡流检测中激励线圈和检出线圈的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

对于如图2所示被测试件，本发明方法的检测步骤为：如图1所示该方法采用的实验装置由直流电位法装置和涡流检测法装置组成。直流电位法装置由恒流源、纳伏表、扫描台、数据采集装置和四个探针组成，按图1所示的连接方式将恒流源与1号探针和4号探针相连，给其施加恒定电流，纳伏表与2号探针和3号探针相连，测量其之间的电压，数据采集装置与扫描台、纳伏表相连。涡流检测方法装置由信号发生器、功率放大器、锁相放大器、数据采集装置、激励线圈和检出线圈组成，其中信号发生器与功率放大器和锁相放大器相连，激励线圈与功率放大器相连，检出线圈与锁相放大器相连，数据采集装置与锁相放大器相连，通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号。

实现该方法时，首先将待测试件放置在扫描台上，并将四个探针放置于试件上表面，用恒流源给其中1号探针和4号探针施加恒定电流，用纳伏表测量2号探针和3号探针之间的电压，通过数据采集装置采集到的电压信号、恒流源输出的电流信号和试件的尺寸可计算得到试件的电导率；然后通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号；由于检出线圈的电压信号与被测试件的电导率和磁导率均相关，所以在由直流电位法测得试件电导率的前提下就可以对涡流检出信号通过共轭梯度法反演求得材料的磁导率。下面结合图1、图2具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建实验装置，该实验装置由直流电位法装置和涡流检测法装置组成，直流电位法装置由恒流源、纳伏表、扫描台、数据采集装置和设置在扫描台上的四个探针组成，四个探针依次分别为1号探针、2号探针、3号探针和4号探针，其中恒流源与1号探针和4号探针相连，给其施加恒定电流，纳伏表与2号探针和3号探针相连，测量其之间的电压，数据采集装置与扫描台、纳伏表相连；涡流检测方法装置由信号发生器、功率放大器、锁相放大器、数据采集装置、激励线圈和检出线圈组成，其中信号发生器与功率放大器和锁相放大器相连，激励线圈与功率放大器相连，检出线圈与锁相放大器相连，数据采集装置与锁相放大器相连，通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号；

步骤2：首先将被测试件加工成长度大于厚度的板状试件，并将加工好的板状试件固定在扫描台上；在板状试件的中轴线上等距固定直流电位法的四个探针，并确保探针与探针之间的距离大于板状试件的宽度和厚度；然后用恒流源给1号探针和4号探针施加恒定电流，同时用纳伏表记录2号探针和3号探针间电压的变化；最后用数据采集装置采集n组数据并用式(1‐1)进行计算即得到板状试件的电导率；

式中：σ为板状试件的电导率，ρ为板状试件的电阻率，I为恒流源输出的电流，S为2号探针和3号探针之间的距离，U_i为数据采集装置第i次采集的2号探针和3号探针之间的电压，W、H分别为板状试件的宽度和厚度，n为采集的数据组数，i表示当前数据采集装置采集数据的组数编号；

步骤3：首先在板状试件上方放置涡流检测法的激励线圈和检出线圈，并利用信号发生器产生预设频率的正弦激励信号，经过功率放大器放大该正弦激励信号并施加给激励线圈；然后用数据采集装置采集通过锁相放大器锁相放大后的检出线圈的电压信号，检出线圈的电压信号V的计算公式如式(1‐2)所示，

式中J_e为板状试件中的涡流密度，E_s为源电流场的电场强度，分别由式(1‐3)和式(1‐4)计算得到；I_p为流经检出线圈的电流，cond.表示检出线圈所处的空间区域；

J_e＝-jωσA_r (1-3)

式中ω为正弦激励信号的角频率，σ为板状试件的电导率，A_r是与涡流场相关的矢量磁位；

其中σ为板状试件的电导率，μ为板状试件的磁导率，A_s为与激励线圈中的激励电流相关的矢量磁位；

步骤4：步骤3中由涡流检测装置测得的检出线圈的电压信号V与板状试件的电导率σ和磁导率μ有关，而板状试件的电导率σ可由步骤2中的直流电位法测得，则板状试件的磁导率μ通过对检出线圈的电压信号V采用共轭梯度法反演得到。

Claims (1)

1.一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：搭建实验装置，该实验装置由直流电位法装置和涡流检测法装置组成，直流电位法装置由恒流源、纳伏表、扫描台、数据采集装置和设置在扫描台上的四个探针组成，四个探针依次分别为1号探针、2号探针、3号探针和4号探针，其中恒流源与1号探针和4号探针相连，给其施加恒定电流，纳伏表与2号探针和3号探针相连，测量其之间的电压，数据采集装置与扫描台、纳伏表相连；涡流检测方法装置由信号发生器、功率放大器、锁相放大器、数据采集装置、激励线圈和检出线圈组成，其中信号发生器与功率放大器和锁相放大器相连，激励线圈与功率放大器相连，检出线圈与锁相放大器相连，数据采集装置与锁相放大器相连，通过信号发生器、功率放大器给激励线圈施加正弦信号激励，再用锁相放大器采集检出线圈的电压信号；

步骤2：首先将被测试件加工成长度大于厚度的板状试件，并将加工好的板状试件固定在扫描台上；在板状试件的中轴线上等距固定直流电位法的四个探针，并确保探针与探针之间的距离大于板状试件的宽度和厚度；然后用恒流源给1号探针和4号探针施加恒定电流，同时用纳伏表记录2号探针和3号探针间电压的变化；最后用数据采集装置采集n组数据并用式(1-1)进行计算即得到板状试件的电导率；

式中：σ为板状试件的电导率，ρ为板状试件的电阻率，I为恒流源输出的电流，S为2号探针和3号探针之间的距离，U_i为数据采集装置第i次采集的2号探针和3号探针之间的电压，W、H分别为板状试件的宽度和厚度，n为采集的数据组数，i表示当前数据采集装置采集数据的组数编号；

步骤3：首先在板状试件上方放置涡流检测法的激励线圈和检出线圈，并利用信号发生器产生预设频率的正弦激励信号，经过功率放大器放大该正弦激励信号并施加给激励线圈；然后用数据采集装置采集通过锁相放大器锁相放大后的检出线圈的电压信号，检出线圈的电压信号V的计算公式如式(1-2)所示，

式中J_e为板状试件中的涡流密度，E_s为源电流场的电场强度，分别由式(1-3)和式(1-4)计算得到；I_p为流经检出线圈的电流，cond.表示检出线圈所处的空间区域；

J_e＝-jωσA_r (1-3)

式中ω为正弦激励信号的角频率，σ为板状试件的电导率，A_r是与涡流场相关的矢量磁位；

其中σ为板状试件的电导率，μ为板状试件的磁导率，A_s为与激励线圈中的激励电流相关的矢量磁位；

步骤4：步骤3中由涡流检测装置测得的检出线圈的电压信号V与板状试件的电导率σ和磁导率μ有关，而板状试件的电导率σ可由步骤2中的直流电位法测得，则板状试件的磁导率μ通过对检出线圈的电压信号V采用共轭梯度法反演得到。