金属厚度的脉冲涡流无损检测研究

　　0　引　言

　　金属厚度的检测在许多方面都有应用,如,金属板轧制过程中的厚度检测、金属中缺陷的检测等。目前,射线测厚存在射线源防护问题,对操作人员身体易造成伤害;接触式测厚虽然测量精度较高,但在被测金属高速运动情况下,被测金属之间长时间接触会造成传感器的磨损,影响测量精度,严重时,还会划伤金属表面,降低产品的质量;超声波测厚在检测薄金属厚度时,检测精度不高。涡流检测方法与上述几种方法相比具有结构简单、成本低等优点,可以应用到其他检测方法难以进行检测的特殊场合(如高温等)等优势,但其检测受材料、温度等影响较大,难以保证高精度。脉冲涡流检测方法是近几年发展起来的一种新的无损检测技术,传统的电涡流采用正弦电流作为激励,而脉冲涡流的激励电流为具有一定占空比的方波。脉冲涡流相对于传统电涡流其检测参数较多,可同时测量出距离和厚度。因此,采用脉冲涡流检测技术进行金属厚度检测的研究具有重要意义。

　　1　脉冲涡流检测的理论

　　脉冲涡流采用的激励电流是具有一定脉冲宽度的方波。在激励电流作用下,线圈中会产生一个快速衰减的脉冲磁场,变化的磁场在导体中感应出瞬时涡流,瞬时涡流又感应出一个与脉冲磁场反向的磁场,从而使线圈的等效阻抗发生变化。

　　一般来讲,电涡流线圈的有效阻抗变化与被测导体的电导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电源频率以及线圈到被测导体的距离有关。如果改变上述参数中的一个参数,而其余参数恒定不变,则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当只有导体的厚度或激励线圈到被测金属导体间距离变化时,阻抗的变化就可以反映出被测导体的厚度或激励线圈到被测金属导体间距离的大小变化。

　　一个正圆柱形空心线圈放置在金属层上,使用阶跃电压信号激励线圈,线圈中得到感应电流,该感应电流减去无金属层时线圈中的感应电流,得到感应电流的变化值。通过感应电流变化值分析金属不同厚度和金属与线圈之间不同距离的变化趋势。结构框图如图1。

　　图1中,线圈的内径为r₁;外径为r₂;线圈上沿与被测金属之间的距离为l₂;线圈的长度为l₂-l₁;金属的厚度为h;电导率为σ₁,由于采用的被测金属是非磁性金属,因此,金属的磁导率使用真空中的磁导率μ₀^[1]。

　　计算的过程如下^[1]:首先,在频域下分析,先计算有被测金属时线圈的阻抗ZL,然后,计算无被测金属时线圈的阻抗Zhsp,得到ZL的倒数与Zhsp的倒数差值ΔY,这样,通过ΔY(ω)与输入电压V(ω)相乘就可以得出频域下电流变化值ΔI(ω)。最后,再对ΔI(ω)进行傅立叶反变换得到电流的时域值Δi(t)。