基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置及方法

1.本发明涉及非磁性金属电导率测量技术，具体是一种基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置及方法。


背景技术：

2.电导率是非磁性金属材料的关键参数。因此，非磁性金属的电导率测量被广泛应用于相关产品的质量评估、过程监测、材质分选等领域。目前，普遍采用电磁涡流传感器进行非磁性金属的电导率测量。但在实际应用中，此种方法的测量结果受电磁涡流传感器的尺寸及提离高度的影响很大，因此其存在测量准确率低的问题。基于此，有必要发明一种基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置及方法，以解决现有非磁性金属电导率测量技术在电磁涡流传感器的尺寸及提离高度的影响下测量准确率低的问题。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有非磁性金属电导率测量技术在电磁涡流传感器的尺寸及提离高度的影响下测量准确率低的问题，提供了一种基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置及方法。
4.本发明是采用如下技术方案实现的：
5.基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置，包括电磁涡流传感器、导线、多频阻抗分析模块、数据计算分析模块；
6.所述电磁涡流传感器包括圆杯形壳体、圆杯形端盖、圆柱形磁芯、激励线圈、接收线圈；圆杯形壳体的杯口朝上，且圆杯形壳体的外侧面上端设有外螺纹；圆杯形壳体的侧壁贯通开设有穿线孔；圆杯形端盖的杯口朝下，且圆杯形端盖的内侧面设有内螺纹；圆杯形端盖通过内螺纹旋拧于圆杯形壳体的外侧面上端；圆柱形磁芯的上端面与圆杯形端盖的内顶面中央固定；圆柱形磁芯的下端面与圆杯形壳体的内底面之间留有距离；激励线圈固定套设于圆柱形磁芯的侧面中部；接收线圈固定套设于圆柱形磁芯的侧面下部；
7.导线的数目为五根，且第一至第四根导线均穿过穿线孔；多频阻抗分析模块一方面通过第一根导线和第二根导线与激励线圈的两端电连接，另一方面通过第三根导线和第四根导线与接收线圈的两端电连接；数据计算分析模块通过第五根导线与多频阻抗分析模块电连接。
8.激励线圈的内径为1mm～5mm；激励线圈的外径为1mm～5mm；接收线圈的内径为1mm～5mm；接收线圈的外径为1mm～5mm；接收线圈的下端面与圆杯形壳体的外底面之间的距离为1mm～6mm。
9.基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量方法(该方法是基于本发明所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
10.步骤一：测量无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)；具体测量步骤如下：
11.首先，在电磁涡流传感器的下方没有任何物品的情况下，多频阻抗分析模块输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈，由此使得接收线圈的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块测量接收线圈两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块；
12.步骤二：测量有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)；具体测量步骤如下：
13.首先，将非磁性金属标准件置于电磁涡流传感器的下方，并保证非磁性金属标准件的上表面紧贴圆杯形壳体的外底面；多频阻抗分析模块输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈，由此使得接收线圈的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块测量接收线圈两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块；
14.步骤三：数据计算分析模块根据无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)和有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)，计算出非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)；具体计算公式如下：
15.δl
std
(f)＝l
std
(f)-l
air
(f)；
16.步骤四：数据计算分析模块采用扫频方式提取非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)的虚部峰值频率f
std,peak
；
17.步骤五：数据计算分析模块根据非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)的虚部峰值频率f
std,peak
和非磁性金属标准件的电导率σ
std
，对电磁涡流传感器的特征参数c进行校准；具体校准公式如下：
18.c＝f
std,peak
·
σ
std
；
19.步骤六：测量有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)；具体测量步骤如下：
20.首先，将待测的非磁性金属样品置于电磁涡流传感器的下方，并保证非磁性金属样品的上表面紧贴圆杯形壳体的外底面；多频阻抗分析模块输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈，由此使得接收线圈的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块测量接收线圈两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块；
21.步骤七：数据计算分析模块根据无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)和有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)，计算出非磁性金属样品导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)；具体计算公式如下：
22.δl
samp
(f)＝l
samp
(f)-l
air
(f)；
23.步骤八：数据计算分析模块采用扫频方式提取非磁性金属样品导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)的虚部峰值频率f
samp,peak
；
24.步骤九：数据计算分析模块根据非磁性金属样品导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)的虚部峰值频率f
samp,peak
和电磁涡流传感器的特征参数c，计算出非磁性金属样品的电导率σ
samp
；具体计算公式如下：
25.σ
samp
＝c/f
samp,peak
。
26.多频电流激励信号的频率范围为100hz～10khz。
27.所述步骤五中，非磁性金属标准件的电导率σ
std
为已知量。
28.与现有非磁性金属电导率测量技术相比，本发明所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置及方法一方面利用非磁性金属标准件对电磁涡流传感器的特征参数进行校准，另一方面采用感抗变化频谱的虚部峰值频率作为特征值来计算非磁性金属样品的电导率，由此有效消除了电磁涡流传感器的尺寸及提离高度对测量结果造成的影响，从而大幅提高了测量准确率。
29.本发明有效解决了现有非磁性金属电导率测量技术在电磁涡流传感器的尺寸及提离高度的影响下测量准确率低的问题，适用于非磁性金属的电导率测量。
附图说明
30.图1是本发明所述装置的结构示意图。
31.图2是本发明所述装置的部分结构示意图。
32.图中：101-圆杯形壳体，102-圆杯形端盖，103-圆柱形磁芯，104-激励线圈，105-接收线圈，106-穿线孔，2-导线，3-多频阻抗分析模块，4-数据计算分析模块，5-非磁性金属样品。
具体实施方式
33.基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置，包括电磁涡流传感器、导线2、多频阻抗分析模块3、数据计算分析模块4；
34.所述电磁涡流传感器包括圆杯形壳体101、圆杯形端盖102、圆柱形磁芯103、激励线圈104、接收线圈105；圆杯形壳体101的杯口朝上，且圆杯形壳体101的外侧面上端设有外螺纹；圆杯形壳体101的侧壁贯通开设有穿线孔106；圆杯形端盖102的杯口朝下，且圆杯形端盖102的内侧面设有内螺纹；圆杯形端盖102通过内螺纹旋拧于圆杯形壳体101的外侧面上端；圆柱形磁芯103的上端面与圆杯形端盖102的内顶面中央固定；圆柱形磁芯103的下端面与圆杯形壳体101的内底面之间留有距离；激励线圈104固定套设于圆柱形磁芯103的侧面中部；接收线圈105固定套设于圆柱形磁芯103的侧面下部；
35.导线2的数目为五根，且第一至第四根导线2均穿过穿线孔106；多频阻抗分析模块3一方面通过第一根导线2和第二根导线2与激励线圈104的两端电连接，另一方面通过第三根导线2和第四根导线2与接收线圈105的两端电连接；数据计算分析模块4通过第五根导线2与多频阻抗分析模块3电连接。
36.激励线圈104的内径为1mm～5mm；激励线圈104的外径为1mm～5mm；接收线圈105的内径为1mm～5mm；接收线圈105的外径为1mm～5mm；接收线圈105的下端面与圆杯形壳体101的外底面之间的距离为1mm～6mm。
37.基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量方法(该方法是基于本发明所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
38.步骤一：测量无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)；具体测量步骤如下：
39.首先，在电磁涡流传感器的下方没有任何物品的情况下，多频阻抗分析模块3输出
多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈104，由此使得接收线圈105的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块3测量接收线圈105两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块4；
40.步骤二：测量有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)；具体测量步骤如下：
41.首先，将非磁性金属标准件置于电磁涡流传感器的下方，并保证非磁性金属标准件的上表面紧贴圆杯形壳体101的外底面；多频阻抗分析模块3输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈104，由此使得接收线圈105的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块3测量接收线圈105两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块4；
42.步骤三：数据计算分析模块4根据无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)和有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)，计算出非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)；具体计算公式如下：
43.δl
std
(f)＝l
std
(f)-l
air
(f)；
44.步骤四：数据计算分析模块4采用扫频方式提取非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)的虚部峰值频率f
std,peak
；
45.步骤五：数据计算分析模块4根据非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)的虚部峰值频率f
std,peak
和非磁性金属标准件的电导率σ
std
，对电磁涡流传感器的特征参数c进行校准；具体校准公式如下：
46.c＝f
std,peak
·
σ
std
；
47.步骤六：测量有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)；具体测量步骤如下：
48.首先，将待测的非磁性金属样品5置于电磁涡流传感器的下方，并保证非磁性金属样品5的上表面紧贴圆杯形壳体101的外底面；多频阻抗分析模块3输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈104，由此使得接收线圈105的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块3测量接收线圈105两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块4；
49.步骤七：数据计算分析模块4根据无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)和有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)，计算出非磁性金属样品5导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)；具体计算公式如下：
50.δl
samp
(f)＝l
samp
(f)-l
air
(f)；
51.步骤八：数据计算分析模块4采用扫频方式提取非磁性金属样品5导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)的虚部峰值频率f
samp,peak
；
52.步骤九：数据计算分析模块4根据非磁性金属样品5导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)的虚部峰值频率f
samp,peak
和电磁涡流传感器的特征参数c，计算出非磁性金属样品5的电导率σ
samp
；具体计算公式如下：
53.σ
samp
＝c/f
samp,peak
。
54.多频电流激励信号的频率范围为100hz～10khz。
55.所述步骤五中，非磁性金属标准件的电导率σ
std
为已知量。
56.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置，其特征在于：包括电磁涡流传感器、导线(2)、多频阻抗分析模块(3)、数据计算分析模块(4)；所述电磁涡流传感器包括圆杯形壳体(101)、圆杯形端盖(102)、圆柱形磁芯(103)、激励线圈(104)、接收线圈(105)；圆杯形壳体(101)的杯口朝上，且圆杯形壳体(101)的外侧面上端设有外螺纹；圆杯形壳体(101)的侧壁贯通开设有穿线孔(106)；圆杯形端盖(102)的杯口朝下，且圆杯形端盖(102)的内侧面设有内螺纹；圆杯形端盖(102)通过内螺纹旋拧于圆杯形壳体(101)的外侧面上端；圆柱形磁芯(103)的上端面与圆杯形端盖(102)的内顶面中央固定；圆柱形磁芯(103)的下端面与圆杯形壳体(101)的内底面之间留有距离；激励线圈(104)固定套设于圆柱形磁芯(103)的侧面中部；接收线圈(105)固定套设于圆柱形磁芯(103)的侧面下部；导线(2)的数目为五根，且第一至第四根导线(2)均穿过穿线孔(106)；多频阻抗分析模块(3)一方面通过第一根导线(2)和第二根导线(2)与激励线圈(104)的两端电连接，另一方面通过第三根导线(2)和第四根导线(2)与接收线圈(105)的两端电连接；数据计算分析模块(4)通过第五根导线(2)与多频阻抗分析模块(3)电连接。2.根据权利要求1所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置，其特征在于：激励线圈(104)的内径为1mm～5mm；激励线圈(104)的外径为1mm～5mm；接收线圈(105)的内径为1mm～5mm；接收线圈(105)的外径为1mm～5mm；接收线圈(105)的下端面与圆杯形壳体(101)的外底面之间的距离为1mm～6mm。3.一种基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：步骤一：测量无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)；具体测量步骤如下：首先，在电磁涡流传感器的下方没有任何物品的情况下，多频阻抗分析模块(3)输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈(104)，由此使得接收线圈(105)的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块(3)测量接收线圈(105)两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块(4)；步骤二：测量有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)；具体测量步骤如下：首先，将非磁性金属标准件置于电磁涡流传感器的下方，并保证非磁性金属标准件的上表面紧贴圆杯形壳体(101)的外底面；多频阻抗分析模块(3)输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈(104)，由此使得接收线圈(105)的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块(3)测量接收线圈(105)两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块(4)；步骤三：数据计算分析模块(4)根据无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)和有标准件状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
std
(f)，计算出非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)；具体计算公式如下：δl
std
(f)＝l
std
(f)-l
air
(f)；步骤四：数据计算分析模块(4)采用扫频方式提取非磁性金属标准件导致的感抗变化
频谱δl
std
(f)的虚部峰值频率f
std,peak
；步骤五：数据计算分析模块(4)根据非磁性金属标准件导致的感抗变化频谱δl
std
(f)的虚部峰值频率f
std,peak
和非磁性金属标准件的电导率σ
std
，对电磁涡流传感器的特征参数c进行校准；具体校准公式如下：c＝f
std,peak
·
σ
std
；步骤六：测量有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)；具体测量步骤如下：首先，将待测的非磁性金属样品(5)置于电磁涡流传感器的下方，并保证非磁性金属样品(5)的上表面紧贴圆杯形壳体(101)的外底面；多频阻抗分析模块(3)输出多频电流激励信号；多频电流激励信号传输至激励线圈(104)，由此使得接收线圈(105)的两端感应产生电压；多频阻抗分析模块(3)测量接收线圈(105)两端感应产生的电压，并根据测量结果计算出有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)，然后将计算结果传输至数据计算分析模块(4)；步骤七：数据计算分析模块(4)根据无物品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
air
(f)和有样品状态下电磁涡流传感器的感抗频谱l
samp
(f)，计算出非磁性金属样品(5)导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)；具体计算公式如下：δl
samp
(f)＝l
samp
(f)-l
air
(f)；步骤八：数据计算分析模块(4)采用扫频方式提取非磁性金属样品(5)导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)的虚部峰值频率f
samp,peak
；步骤九：数据计算分析模块(4)根据非磁性金属样品(5)导致的感抗变化频谱δl
samp
(f)的虚部峰值频率f
samp,peak
和电磁涡流传感器的特征参数c，计算出非磁性金属样品(5)的电导率σ
samp
；具体计算公式如下：σ
samp
＝c/f
samp,peak
。4.根据权利要求3所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量方法，其特征在于：多频电流激励信号的频率范围为100hz～10khz。5.根据权利要求3所述的基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量方法，其特征在于：所述步骤五中，非磁性金属标准件的电导率σ
std
为已知量。

技术总结
本发明涉及非磁性金属电导率测量技术，具体是一种基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置及方法。本发明解决了现有非磁性金属电导率测量技术在电磁涡流传感器的尺寸及提离高度的影响下测量准确率低的问题。基于电磁涡流传感的非磁性金属电导率测量装置包括电磁涡流传感器、导线、多频阻抗分析模块、数据计算分析模块；所述电磁涡流传感器包括圆杯形壳体、圆杯形端盖、圆柱形磁芯、激励线圈、接收线圈；多频阻抗分析模块一方面通过第一根导线和第二根导线与激励线圈的两端电连接，另一方面通过第三根导线和第四根导线与接收线圈的两端电连接；数据计算分析模块通过第五根导线与多频阻抗分析模块电连接。本发明适用于非磁性金属的电导率测量。性金属的电导率测量。性金属的电导率测量。


技术研发人员：张志杰 马辉栋
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/7