Page 109 - 无损检测2024年第五期
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周国正, 等:
基于多频涡流技术的燃料棒包壳管氧化膜厚度测量方法
3.3 氧化膜厚度多频测量结果分析
基于非线性规划的优化思想, 采用多起始点计
算, 即计算并比较多个起始点的值, 以避免单个起始
点陷入局部最优的情况, 有助于获取全局最优解。
该非线性规划算法在 MATLAB环境中执行。
-1 为例, 构建
以包壳管电导率为 1.25mS · m
金属涂层d 分别为7 , 13 , 14 , 17 , 19 μ m 的样品仿真
模型, 包壳管电导率等其他参数同理。分别计算上
述24个激励频率下线圈测量氧化膜厚度h 为2~
10 μ m 的输出信号幅值。将输出信号幅值代入已知
的函数关系中, 计算相应的氧化膜厚度h' , 结果如
表 7 所 示, 可 见, 氧 化 膜 厚 度 计 算 的 绝 对 误 差
|h'-h| 平均值为0.2207 μ m , 最大值小于1 μ m 。
表7 氧化膜厚度的测量值( h' ) μ m
d
h
7 13 14 17 19
2 2.3312 2.2743 2.1909 2.0588 1.7411
3 3.3590 3.1815 3.2951 3.1379 2.9798
图7 线圈输出信号幅值与激励频率的关系曲线
4 4.4063 4.2552 4.2063 4.1072 3.8408
5 5.3397 5.2181 5.3221 5.0873 4.8109
6 6.4419 6.2219 6.2506 6.1875 5.7044
7 7.2248 7.2806 7.2291 7.0123 6.8826
8 8.3608 8.2435 8.2964 8.0803 7.9913
9 9.2429 9.2647 9.3325 9.0958 8.8557
10 10.3210 10.2665 10.2681 10.1094 9.7645
4 试验验证
根据以上仿真结果, 制备燃料棒包壳管氧化膜
厚度测量探头, 其实物如图9所示。该探头由两个
图8 Δ f o 和激励频率及金属涂层厚度的关系曲线
线圈和一个陶瓷骨架组成, 两个线圈分别固定在陶
3.2 氧化膜厚度多频测量算法 瓷骨架两侧。在测量过程中, 靠近燃料棒表面的线
假设氧化膜厚度h 和线圈输出信号幅值X 满
圈为测量线圈, 远离燃料棒表面的线圈为参考线圈。
足一个函数关系 ( x ) =h 。其中 X 为二维数组, 分
f
为了避免两个线圈参数不同而引起的误差, 测量线
别为多频激励下线圈输出信号幅值的实部、 虚部。
圈与参考线圈各参数保持一致, 其内径为4.0mm 、
h 与X 的关系还会受到金属涂层厚度d 和包壳管 外径为5.6mm 、 高度为 0.5mm , 两个线圈间距为
的电导率 σ 的影响。为了保证两者不影响氧化膜厚
度测量结果, 还需对于d 和 σ 的偏导均始终等于 3.0mm 。测量系统整体结构示意如图 10 所示, 其
f
0 。在实际问题中, 很难将金属涂层厚度和包壳管电 信号发生模块提供激励信号, 测量探头贴近样品进
导率两者的影响完全去除, 只能通过优化 , 尽量降 行测量, 与参考探头的信号进行差分放大, 得到的信
f
号进入信号处理系统进行处理, 处理后的信号最终
低两者对氧化膜测厚的影响。因此, 在实际计算中,
拟采用式( 15 ) 所示的优化方法来降低外部参数影 存储并显示在计算机上。
试验仪器为实验室自研的涡流仪, 其实物如图
响, 并通过二次多项式拟合求解h 和X 的关系, 最
后将其用于其他样品的多频激励测量数据, 就可以 11所示。该 仪 器 的 主 要 参 数 如 下: 激 励 频 率 为
100Hz~8 MHz ; 频率分辨率为 1Hz ; 激励电压为
求解相应的氧化膜厚度。
0~10V ; 采 样 分 辨 率 为 16 位;采 样 率 为
∂ f ∂ f
min ∑ ∂d + ∂σ s.t. f X = h 125MHz · s ; 多频检测频率个数为4 ; 地址信号为
-1
( 15 ) 256个。试验参数设置与仿真参数保持一致。检测
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2024年 第46卷 第5期
无损检测
