[发明专利]一种基于电磁涡流检测的无接触式球形金属导体特性参数测量方法

权利要求书

1.一种基于电磁涡流检测的无接触式球形金属导体特性参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将阻抗分析仪(2)的输出端口接入励磁线圈(4)两端，将阻抗分析仪(2)的接收端口接入接收线圈(3)两端；

步骤2、阻抗分析仪(2)的输出端口产生交变电流，阻抗分析仪(2)中FPGA模块的数字合成模块产生激励信号，向励磁线圈(4)提供电磁涡流信号的激励来源；励磁线圈(4)产生电磁涡流信号，电磁涡流信号通过待测样品球形金属导体(5)表面传输至接收线圈(3)；接收线圈(3)接收励磁线圈(4)在待测样品球形金属导体(5)表面产生的电磁涡流信号及产生的变化阻抗，并实时监测电磁涡流信号发生突变时的突变信号；阻抗分析仪(2)的接收端口在FPGA模块的控制下对接收线圈(3)的接收信号进行采集，将采集到的信号反馈至模数转换器电路，模数转换器电路将模拟电压信号转换为数字信号；FPGA模块通过数字I/Q解调器来解调接收到的数字信号，FPGA模块将有效数据导出至数据处理终端(1)进行数据运算和分析；

步骤3、由步骤2获得电磁涡流信号产生的变化阻抗ΔZ后，通过阻抗变化和激励频率的比率关系，找到阻抗虚部随激励频率变化的最小值，得到峰值频率值：

[a,f]＝min(imag((ΔZ/jω)))

上式中，f为峰值频率，a为在峰值频率f下产生的阻抗虚部最小值，imag()为取虚部公式，ΔZ为电磁涡流信号产生的变化阻抗，j为虚数单位，ω为激励角频率；

步骤4、通过步骤3所得峰值频率值与提离距离的负相关线性关系，通过事先存储的数据库中的斜率信息得出待测样品球形金属导体的半径、材料特性和金属壳体厚度信息。

2.根据权利要求1所述基于电磁涡流检测的无接触式球形金属导体特性参数测量方法，其特征在于,步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、数据处理终端(1)接收来自阻抗分析仪(2)的数据，读取修正后的采样数据；修正后的采样数据包括接收线圈阻抗Z；由接收线圈(3)的自身阻抗Z₀与电磁涡流信号产生的变化阻抗ΔZ相加得到接收线圈阻抗Z：

Z＝Z₀+ΔZ

上式中，Z为接收线圈阻抗，Z₀为接收线圈的自身阻抗，ΔZ为电磁涡流信号产生的变化阻抗；

步骤2.2、对于待测样品球形金属导体，将电磁涡流信号产生的变化阻抗ΔZ表达为：

上式中，ΔZ为电磁涡流信号产生的变化阻抗，ΔR为阻抗实部变化量，j为虚数单位，ΔX为虚部变化量，z₁为励磁线圈下平面距离待测样品球形金属导体的水平轴线距离；z₂为励磁线圈上平面距离待测样品球形金属导体的水平轴线距离；z₃为接收线圈下平面距离待测样品球形金属导体的水平轴线距离；z₄为接收线圈的上平面距离待测样品球形金属导体的水平轴线距离；x₁为接收线圈的内侧半径；x₂为接收线圈的外侧半径；x₃为励磁线圈的内侧半径，x₄为励磁线圈的外侧半径；ω为激励角频率；N₁为激励线圈圈数；N₂为接收线圈圈数；相邻金属层t与t+1之间的空隙为b_t，b_t²ⁿ⁺¹为b_t的2n+1次方，所述金属层位于待测样品球形金属导体(5)上；N为多层金属表面的层数；V_ijN表示矩阵中的第i^th行，第j^th列元素；P_n,S为包含线圈矩形截面的被简化为多项式积分的二重积分；其中：

NOMI＝i_n(a_Nb_N)[(n+1)μ_N-1]-a_Nb_Ni_n′(a_Nb_N)

NOMK＝k_n(a_Nb_N)[(n+1)μ_N-1]-a_Nb_Nk_n′(a_Nb_N)

DENI＝i_n(a_Nb_N)(nμ_N+1)+a_Nb_Ni_n′(a_Nb_N)

DENK＝k_n(a_Nb_N)(nμ_N+1)+a_Nb_Nk_n′(a_Nb_N)

上式中，i_n(a_Nb_N)和k_n(a_Nb_N)分别表示待测样品球形金属导体的第一类贝塞尔函数和第二类贝塞尔函数；μ_N为最外层金属壳体的磁导率；i′_n(a_Nb_N)与k′_n(a_Nb_N)分别为第一类贝塞尔函数和第二类贝塞尔函数的求导结果；

将来自阻抗分析仪的数据结合趋肤效应公式，获得由待测样品球形金属导体引起的阻抗变化，趋肤效应公式为：

上式中，j为虚数单位，ω为激励角频率，μ₀为间隔空气的磁导率，μ_t为被测物相对磁导率，σ_t为被测物电导率；

求得待测样品球形金属导体的表面深度：

上式中，f₀为激励信号的频率，μ_t为被测物相对磁导率，μ₀为间隔空气的磁导率，σ_t为被测物电导率；j为虚数单位，a_t为趋肤效应公式；

包含线圈矩形截面的被简化为多项式积分的二重积分P_n,S为：

上式中，θ₂₁、θ₁₂是线圈截面图的边界角度，r_o2(θ_o)、r_o1(θ_o)是金属球球心到电磁传感器的最下端边界距离；P_n¹(x)为一阶勒让德函数；

二阶矩阵V(N)为：

V(N)＝T(N,N-1)T(N-1,N-2)...T(2,1)

上式中，T为相邻金属层t与t+1之间的二阶矩阵，T₁₁、T₁₂、T₂₁、T₂₂分别为二阶矩阵T的四个参数。