一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚方法与装置

本发明涉及无损检测与精密测量，具体是一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚方法与装置。

背景技术：

1、在有色金属加工、新能源电池制造等行业中，对铝箔、铜箔等导电薄材的厚度进行在线、非接触式精密检测是保证产品质量和连续生产的关键环节。

2、涡流测厚技术分为透射和反射式两大类，反射式检测中将激励和结束先圈放在金属材料同侧，优势在于更容易实现，但其极易受到提离效应的影响而带来较大的测厚误差。在金属板或金属箔生产线上，材料两侧都容易布置线圈，因此可以采用对提离效应不敏感的透射式测厚方法。传统透射式涡流测厚方法是利用信号发生器向位于被测材料一侧的发射线圈通入连续正弦交变电流，产生一次交变磁场。该磁场穿透被测导电材料，在材料内部感应出涡流，涡流产生的二次磁场对原磁场具有抵消衰减作用，位于材料另一侧的接收线圈感应穿透后的剩余磁场，并输出与磁场强度成正比的电压信号。由于材料越厚，涡流损耗越大，接收线圈的电压幅值便越低，通过提取该电压幅值可间接反演出材料厚度。

3、然而，上述传统方法存在以下显著的局限性：第一，厚度与接收信号幅值之间并非理想的线性关系，而是呈现指数衰减函数关系，尤其在厚度变化范围较大或材料电导率稍有波动时，这种非线性更为突出。为了在实际测量中获得准确的厚度值，必须预先使用一系列已知厚度的标准样片进行多点标定，拟合出幅值-厚度曲线。这一标定过程不仅费时费力，而且当更换被测材料的合金牌号、批次或热处理状态导致电导率变化时，原有标定曲线便会失效，需要重新进行标定，极大地限制了检测的灵活性和效率。第二，提取幅值作为测量特征量，本身易受电子元器件漂移、探头与板材间距变化以及环境电磁干扰等因素的影响，导致测量精度的进一步提升受到制约。因此，针对以上现状，迫切需要提供一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚方法与装置，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚方法与装置，有效解决上述背景技术中的问题。

2、本发明是这样实现的，一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚方法，用于测量导电材料板的厚度，其特征在于，包括以下步骤：

3、将发射线圈和接收线圈分别布置于被测材料板的两侧；

4、利用加窗的正弦脉冲串信号激励所述发射线圈，以产生穿透所述被测材料板的瞬态电磁场；

5、通过所述接收线圈采集穿透所述被测材料板后的透射电磁场信号；

6、提取所述透射电磁场信号中波包的飞行时间；

7、根据所述飞行时间以及电磁场在所述被测材料中的群速度，计算所述被测材料板的厚度。

8、作为本发明进一步的方案：所述被测材料板的厚度的计算公式为：

9、；

10、其中，为被测材料板的厚度，为透射电磁场信号中波包的飞行时间，为电磁场在被测材料中的群速度。

11、作为本发明进一步的方案：所述加窗的正弦脉冲串信号包括3至5个周期的正弦波，且加窗的正弦脉冲串信号所采用的窗函数为汉宁窗、海明窗或高斯窗中的一种。

12、作为本发明进一步的方案：提取所述透射电磁场信号中波包的飞行时间的具体步骤为：

13、对接收到的透射电磁场信号进行带通滤波，所述带通滤波的中心频率等于所述加窗的正弦脉冲串信号的中心频率；

14、将滤波后的信号与用于激励的参考信号进行互相关运算；

15、以互相关函数峰值对应的时间延迟作为所述飞行时间。

16、作为本发明进一步的方案：所述互相关函数为：

17、；

18、其中，为平移时间后的接收信号，为互相关计算时信号的平移时间，为用于激励的参考信号，为透射电磁场信号中波包的飞行时间。

19、作为本发明进一步的方案：所述群速度根据所述加窗的正弦脉冲串信号的中心频率、被测材料的电导率和磁导率预先确定。

20、作为本发明进一步的方案：所述群速度的计算公式为：

21、；

22、其中，为群速度，为角频率，为真空中的磁导率，为材料电导率。

23、本发明还提供一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚装置，执行如上所述的方法，包括：

24、探头，包括用于分置于被测材料板两侧的发射线圈和接收线圈；

25、信号发生器，用于产生加窗的正弦脉冲串信号作为激励信号，并施加至所述发射线圈；

26、信号采集与处理系统，与所述接收线圈连接，用于采集透射电磁场信号，提取透射电磁场信号中波包的飞行时间，并依据所述飞行时间和预存的电磁波在所述被测材料中的群速度值，计算并输出厚度。

27、作为本发明进一步的方案：所述信号采集与处理系统通过将采集信号与所述激励信号的参考信号进行互相关运算来提取所述飞行时间。

28、作为本发明进一步的方案：还包括显示单元，用于实时显示计算出的厚度值。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果：

30、本发明利用飞行时间作为测量特征量。时间测量与材料电导率的变化呈弱相关性，且厚度与飞行时间在宽范围内保持理想的线性关系。因此，对于不同电导率的材料，如不同牌号的铝、铜，无需重新进行繁琐的多点标定，仅需根据材料电导率调整群速度这一计算参数即可，极大地提升了检测系统的通用性和智能化水平，特别适用于材料牌号频繁切换的现代柔性制造场景。

31、本发明中飞行时间是基于时域信号的互相关计算得到的，该算法具有噪声抑制特性，能够有效滤除非相关的随机噪声。同时，时间测量结果对信号幅值的波动（如由电路增益变化、提离轻微扰动引起）不敏感。这种特征从根本上克服了传统幅值法易受干扰的弊端，能够在恶劣的工业现场环境中实现更高精度和更高重复性的厚度测量。

1.一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚方法，用于测量导电材料板的厚度，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测材料板的厚度的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加窗的正弦脉冲串信号包括3至5个周期的正弦波，且加窗的正弦脉冲串信号所采用的窗函数为汉宁窗、海明窗或高斯窗中的一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取所述透射电磁场信号中波包的飞行时间的具体步骤为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述互相关函数为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述群速度根据所述加窗的正弦脉冲串信号的中心频率、被测材料的电导率和磁导率预先确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述群速度的计算公式为：

8.一种基于透射电磁场飞行时间的涡流测厚装置，执行如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号采集与处理系统通过将采集信号与所述激励信号的参考信号进行互相关运算来提取所述飞行时间。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括显示单元，用于实时显示计算出的厚度值。