一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法

本发明涉及采用电磁涡流进行非接触式测量，特别是一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法。

背景技术：

1、涡流检测是一种非接触式无损检测技术，可用于检测金属与导体材料的特性参数，包括几何参数(如平板厚度、管道厚度、金属棒直径)与物体的电磁特性参数(电导率与磁导率)等。该技术利用交流电磁场在被检测物体表面产生涡流，涡流在接收线圈中引起感应电压，通过测量感应电压测量材料特性参数。多频涡流通过激发多频涡流场，获取与金属材料特性参数相关的接收信号频谱信息，根据计算模型求解特性参数。

2、多频涡流检测具有高灵敏度、高分辨率的特性，对几何尺寸与电磁特性参数的变化状况敏感。同时，具有非接触性与快速检测的特性，能够在不破坏被测物的同时，在短时间内给出被测物的测试数据，特别适用于高效、大规模的生产线检测。

3、目前，多频涡流参数检测方法需要通过最优化方法求解物体的多个特性参数，优化参数的初始值选取对计算结果有较大影响，传统方法尚不能给出合理的初始值，导致金属棒特性参数检测精度不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，以满足对于金属棒多个特性参数的准确测量。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，包括以下步骤：

3、步骤1：根据简化解析模型，通过线圈电感与电感过零频率，获取金属棒半径的初始值；

4、步骤2：根据简化解析模型，在已知金属棒电导率的条件下，通过线圈电感过零频率，获取金属棒磁导率的初始值；

5、步骤3：通过牛顿拉夫逊方法迭代优化，获取金属棒的半径与磁导率。

6、在一较佳的实施例中，步骤1中线圈的解析模型为：

7、

8、

9、ms(α)＝k2(r2，r1)f cos(α)/α6

10、

11、f cos(α)＝2cos(αd)-cos(α(l2-l1+d))-cos(α(l1-l2+d))

12、式中，相位函数s(α)由金属棒电磁特性参数与激励频率决定，传感器函数ms(α)由传感器参数决定，km＝2n2μ0/[(r2-r1)2(l2-l1)2]，n为线圈匝数，μ0为真空磁导率，r1、r2、l1和l2分别为线圈的内、外半径以及线圈上、下沿到激励线圈与接收线圈轴向中心位置的距离，α为空间频率，μr与σ分别为金属棒的相对磁导率与电导率，β1＝α1/μr，a为金属棒半径，d为激励线圈与接收线圈的下沿间距，i(·)与k(·)分别为第一类与第二类修正贝塞尔函数。

13、在一较佳的实施例中，根据截断特征函数展开tree解析模型，将电感计算的积分公式简化为级数形式，即

14、

15、根据修正贝塞尔函数的极限形式，当条件αa→0与α1a→∞成立，存在以下近似

16、

17、将以上近似函数带入相位函数得

18、

19、当条件αa→0成立，根据函数极限近似αaln(αa)～0，相位函数可简化为

20、

21、对于高的激励频率以及高电导率与磁导率的金属棒，条件ωμ0μrσ＞＞α2成立，相位函数可进一步简化为

22、

23、在电感过零频率ωc处，相位函数满足条件re[s(α)]＝0，将该条件带入简化的相位函数得

24、

25、对于任一较高激励频率ωs，ωs≥100khz，根据以上公式可得电感虚部近似公式

26、

27、

28、

29、根据上式得金属棒半径的初始值即

30、

31、在一较佳的实施例中，步骤2中根据下式得金属棒磁导率的初始值；

32、

33、式中，为步骤1)获得金属棒半径的初始值。

34、在一较佳的实施例中，步骤3中，优化目标函数为

35、

36、式中，δl(v)为与优化变量v＝[a,μr]t相对应的计算电感频谱，δlm为仿真或测量所得电感频谱，为l2范数；

37、优化变量的迭代过程为

38、vk+1＝vk+δv

39、δv＝-[(sk)hsk]-1(sk)h(δlk-δlm)

40、式中，为雅可比/灵敏度矩阵，k为当前迭代次数，上标h代表矩阵的共轭转置。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：针对多频涡流导磁金属棒特性参数检测问题，通过简化解析模型获取金属棒半径与磁导率的初始值，采用牛顿拉夫逊方法通过迭代优化，获取半径与磁导率的准确测量值。具体的，对于不同尺寸与电磁参数的金属棒，所提方法获取的半径与磁导率测量值与实际值接近，在仿真实验中，金属棒半径与磁导率的相对估计误差远小于随机给定初始值的参数测量精度，有效提升金属棒参数检测的准确性。

技术特征：

1.一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，其特征在于，步骤1中线圈的解析模型为：

3.根据权利要求2所述的一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，其特征在于，根据截断特征函数展开tree解析模型，将电感计算的积分公式简化为级数形式，即

4.根据权利要求1所述的一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，其特征在于，步骤2中根据下式得金属棒磁导率的初始值；

5.根据权利要求1所述的一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，其特征在于，步骤3中，优化目标函数为

技术总结
本发明提供了一种基于导磁金属棒特性参数的多频涡流检测方法，包括以下步骤：步骤1：根据简化解析模型，通过线圈电感与电感过零频率，获取金属棒半径的初始值；步骤2：根据简化解析模型，在已知金属棒电导率的条件下，通过线圈电感过零频率，获取金属棒磁导率的初始值；步骤3：通过牛顿拉夫逊方法迭代优化，获取金属棒的半径与磁导率；应用本技术方案可合理估计优化参数初始值，实现金属棒多个特性参数的准确测量。

技术研发人员：黄若辰,林琼斌,党万成,夏子涵,尹武良
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15