專利名稱：一種電磁超聲測(cè)厚儀及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波測(cè)厚技術(shù)，具體說就是一種電磁超聲測(cè)厚儀及其測(cè)量方法。
(二)
背景技術(shù)：
金屬板材在生產(chǎn)過程中不可避免地存在厚度不均和凹坑等缺陷，在使用過程中由 于應(yīng)力、腐蝕等因素也會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。板材厚度檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)厚度不均、腐蝕、凹坑等缺陷 的有效方法。目前，管道運(yùn)輸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，但是隨著管線增多、管齡增長(zhǎng)，因 腐蝕、磨損、意外損傷等原因造成的管線泄漏事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài) 環(huán)境。管道厚度檢測(cè)對(duì)石油行業(yè)、化工行業(yè)、壓力容器行業(yè)和油氣高壓遠(yuǎn)距離輸送工程等更 具有重要的作用。在眾多無損檢測(cè)技術(shù)中，超聲檢測(cè)以其低廉的成本、廣泛的檢測(cè)范圍、相 對(duì)較高的檢測(cè)精度等優(yōu)勢(shì)獲得了普遍應(yīng)用。 目前，國(guó)內(nèi)外主要采用傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)完成厚度測(cè)量。應(yīng)用該技術(shù)檢測(cè)時(shí)，為 了保證超聲能量順利地由換能器傳遞到待測(cè)試件中，通常需要對(duì)其表面進(jìn)行清潔、打磨等 預(yù)處理并涂抹耦合劑(如油、水等)，嚴(yán)重影響了超聲測(cè)厚的效率和應(yīng)用范圍。
電磁超聲技術(shù)興起于二十世紀(jì)六七十年代，目前已經(jīng)逐步在國(guó)外得到了廣泛應(yīng) 用。近年來，國(guó)內(nèi)的一些專利中也開始采用電磁超聲技術(shù)對(duì)厚度進(jìn)行測(cè)量。如中國(guó)專 利CN2128729Y《便攜式測(cè)厚儀》采用了電磁超聲原理測(cè)厚，該裝置主要由脈沖發(fā)生器、探 頭、行程定位及探頭保護(hù)裝置、放大整形電路、采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)等組成。中國(guó)專利 CN101398298A《電磁超聲測(cè)厚方法》基于磁滯伸縮效應(yīng)機(jī)理，采用U型永磁體和"回形"PCB 雙層線圈設(shè)計(jì)了檢測(cè)鐵磁材料厚度的裝置。這兩項(xiàng)專利中，都采用了永磁鐵提供磁場(chǎng)，不便 于對(duì)鐵磁性材料的厚度進(jìn)行測(cè)量。中國(guó)專利CN2168234Y《電磁超聲測(cè)厚儀》所涉及的測(cè)厚 裝置主要由脈沖發(fā)生器、電磁鐵電磁超聲換能器、接收放大電路、采樣電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、顯 示器、報(bào)警輸出電路、打印機(jī)和鍵盤控制電路等組成。該專利中的電磁鐵電磁超聲換能器使 用了 U形軟鐵，換能器尺寸較大，使用不便。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無需聲耦合劑、無需對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)處理、可在各 種惡劣環(huán)境下對(duì)試件厚度進(jìn)行測(cè)量的電磁超聲測(cè)厚儀及其測(cè)量方法。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的電磁超聲測(cè)厚儀，它是由微控制器1、發(fā)射電 路2、電磁超聲探頭3、接收開關(guān)4、調(diào)理電路5、回波處理系統(tǒng)6、顯示系統(tǒng)7和鍵盤8組成 的。微控制器1連接發(fā)射電路2，發(fā)射電路2連接電磁超聲探頭3，電磁超聲探頭3連接接 收開關(guān)4，接收開關(guān)4連接微控制器l，接收開關(guān)4連接調(diào)理電路5，調(diào)理電路5連接回波處 理系統(tǒng)6，顯示系統(tǒng)7連接微控制器l，鍵盤8連接微控制器1。
本發(fā)明還有以下技術(shù)特征 (1)所述的電磁超聲探頭3為收發(fā)分離式探頭，它包括外殼9、屏蔽層10、脈沖電磁 鐵11、雙層PCB線圈12和保護(hù)層13 ;外殼9連接屏蔽層IO，屏蔽層lO連接脈沖電磁鐵ll，
3脈沖電磁鐵11連接雙層PCB線圈12，雙層PCB線圈12連接保護(hù)層13。 (2)所述的脈沖電磁鐵11不包含鐵芯，在超聲波的發(fā)射接收過程中可提供200 s
的強(qiáng)磁場(chǎng)。 (3)所述的雙層PCB線圈12采用板厚為0. 5mm的PCB在雙面進(jìn)行制作，其中靠近脈沖電磁鐵11的一面是發(fā)射線圈14，靠近保護(hù)層13的為接收線圈15。其中發(fā)射線圈14為線寬為1. 5mm、直徑為15mm的螺旋線圈，接收線圈15為線寬為0. 5mm、直徑為15mm的螺
旋線圈。 (4)所述的回波處理系統(tǒng)6包括數(shù)據(jù)采集電路16、存儲(chǔ)電路17、 FIR帶通濾波器18、相關(guān)檢測(cè)器19、 FIR低通濾波器20、回波位置提取電路21、往返時(shí)間生成器22 ;數(shù)據(jù)采集電路16連接存儲(chǔ)電路17，存儲(chǔ)電路17連接FIR帶通濾波器18，F(xiàn)IR帶通濾波器18連接相關(guān)檢測(cè)器19，相關(guān)檢測(cè)器19連接FIR低通濾波器20， FIR低通濾波器20連接回波位置提取電路21，回波位置提取電路21連接往返時(shí)間生成器22。
本發(fā)明一種電磁超聲測(cè)厚方法，工作步驟如下
步驟一系統(tǒng)通電初始化； 步驟二 收發(fā)分離式電磁超聲探頭內(nèi)部的脈沖電磁鐵產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為200i! s的強(qiáng)磁場(chǎng)；接收開關(guān)關(guān)閉； 步驟三發(fā)射電路產(chǎn)生的大功率超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在發(fā)射線圈上，在待測(cè)試件中激發(fā)垂直入射體波，發(fā)射重復(fù)周期為10ms ; 步驟四打開接收開關(guān)；超聲波在待測(cè)試件中傳播，遇到底面會(huì)發(fā)生反射、散射等，接收線圈接收反射回波信號(hào)； 步驟五回波處理系統(tǒng)采集到回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理并提取超聲波在試件中往返一次的時(shí)間At; 步驟六微控制器讀取默認(rèn)聲速或用戶通過鍵盤輸入的聲速C，計(jì)算出試件的厚度h為/2:會(huì)cxAf ; 步驟七微控制器通過顯示系統(tǒng)顯示出厚度h ;
步驟八重復(fù)運(yùn)行步驟二到步驟七。 本發(fā)明一種電磁超聲測(cè)厚儀及其測(cè)量方法，以電磁超聲技術(shù)為核心，檢測(cè)時(shí)無需聲耦合劑，無需對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)處理，因此可在各種惡劣環(huán)境(如高溫、高速)下對(duì)試件厚度進(jìn)行測(cè)量，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，檢測(cè)效率較高。本發(fā)明采用垂直入射體波(橫波)進(jìn)行測(cè)厚，由于橫波的傳播速度約為縱波的一半，因此測(cè)量精度是同頻率壓電超聲測(cè)厚儀的2倍。本發(fā)明所采用的電磁超聲探頭，采用脈沖電磁鐵提供磁場(chǎng)，具有磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，對(duì)鐵磁性和非鐵磁性的試件都可以進(jìn)行高效檢測(cè)；采用收發(fā)分離式線圈激發(fā)和檢測(cè)超聲波，具有較小的測(cè)量盲區(qū)，測(cè)量厚度范圍可達(dá)3mm 200mm。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為本發(fā)明電磁超聲探頭結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明雙層PCB線圈的結(jié)構(gòu)框 圖4為本發(fā)明回波處理系統(tǒng)原理框 圖5為本發(fā)明工作過程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例l，結(jié)合圖l，本發(fā)明一種電磁超聲測(cè)厚儀，它是由微控制器(1)、發(fā)射電路(2)、電磁超聲探頭(3)、接收開關(guān)(4)、調(diào)理電路(5)、回波處理系統(tǒng)(6)、顯示系統(tǒng)(7)和鍵盤(8)組成的，微控制器(1)連接發(fā)射電路(2)，發(fā)射電路(2)連接電磁超聲探頭(3)，電磁超聲探頭(3)連接接收開關(guān)(4)，接收開關(guān)(4)連接微控制器(1)和調(diào)理電路(5)，調(diào)理電路(5)連接回波處理系統(tǒng)(6)，顯示系統(tǒng)(7)連接微控制器(l)，微控制器(1)連接鍵盤(8)。
本發(fā)明還有以下技術(shù)特征 所述的電磁超聲探頭(3)為收發(fā)分離式探頭，它包括外殼(9)、屏蔽層(10)、脈沖電磁鐵(11)、雙層PCB線圈(12)和保護(hù)層(13)，外殼(9)連接屏蔽層(IO)，屏蔽層(10)連接脈沖電磁鐵(ll)，脈沖電磁鐵(11)連接雙層PCB線圈(12)，雙層PCB線圈(12)連接保護(hù)層(13)。 所述的脈沖電磁鐵(11)不包含鐵芯，在超聲波的發(fā)射接收過程中可提供200 ii s的強(qiáng)磁場(chǎng)，且上升和下降時(shí)間很短。 所述的雙層PCB線圈(12)采用板厚為0. 5mm的PCB在雙面進(jìn)行制作，其中靠近脈沖電磁鐵(11)的一面是發(fā)射線圈(14)，靠近保護(hù)層(13)的為接收線圈(15)。其中發(fā)射線圈(14)為線寬為1. 5mm、直徑為15mm的螺旋線圈，接收線圈(15)為線寬為0. 5mm、直徑為15mm的螺旋線圈。 所述的回波處理系統(tǒng)(6)包括數(shù)據(jù)采集電路(16)、存儲(chǔ)電路(17)、 FIR帶通濾波器(18)、相關(guān)檢測(cè)器(19)、FIR低通濾波器(20)、回波位置提取電路(21)、往返時(shí)間生成器(22)，數(shù)據(jù)采集電路(16)連接存儲(chǔ)電路(17)，存儲(chǔ)電路(17)連接FIR帶通濾波器(18)，F(xiàn)IR帶通濾波器(18)連接相關(guān)檢測(cè)器(19)，相關(guān)檢測(cè)器(19)連接FIR低通濾波器(20)， FIR低通濾波器(20)連接回波位置提取電路(21)，回波位置提取電路(21)連接往返時(shí)間生成器(22)。 本發(fā)明一種電磁超聲測(cè)厚方法，工作步驟如下
步驟一 系統(tǒng)通電初始化； 步驟二 收發(fā)分離式電磁超聲探頭內(nèi)部的脈沖電磁鐵產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為200i！ s的強(qiáng)磁場(chǎng)；接收開關(guān)關(guān)閉； 步驟三發(fā)射電路產(chǎn)生的大功率超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在發(fā)射線圈上，在待測(cè)試件中激發(fā)垂直入射體波，發(fā)射重復(fù)周期為10ms ; 步驟四打開接收開關(guān)；超聲波在待測(cè)試件中傳播，遇到底面會(huì)發(fā)生反射、散射等，接收線圈接收反射回波信號(hào)； 步驟五回波處理系統(tǒng)采集到回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理并提取超聲波在試件中往返一次的時(shí)間At ; 步驟六微控制器讀取默認(rèn)聲速或用戶通過鍵盤輸入的聲速C，計(jì)算出試件的厚度h為力二^cx A" 步驟七微控制器通過顯示系統(tǒng)顯示出厚度h ;
步驟八重復(fù)運(yùn)行步驟二到步驟七。 實(shí)施例2，結(jié)合圖4，本發(fā)明的回波處理系統(tǒng)(6)包括數(shù)據(jù)采集電路(16)、存儲(chǔ)電路(17)、FIR帶通濾波器(18)、相關(guān)檢測(cè)器(19)、FIR低通濾波器(20)、回波位置提取電路(21)、往返時(shí)間生成器(22);數(shù)據(jù)采集電路(16)連接存儲(chǔ)電路(17)，存儲(chǔ)電路(17)連接FIR帶通濾波器(18)， FIR帶通濾波器(18)連接相關(guān)檢測(cè)器(19)，相關(guān)檢測(cè)器(19)連接FIR低通濾波器(20)， FIR低通濾波器(20)連接回波位置提取電路(21)，回波位置提取電路(21)連接往返時(shí)間生成器(22)。數(shù)據(jù)采集電路將信號(hào)采集到存儲(chǔ)器中，F(xiàn)IR帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以提高信噪比，相關(guān)檢測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理，通過FIR低通濾波器提取出信號(hào)的包絡(luò)，回波位置提取電路在包絡(luò)中查找各次回波所在位置，最后由往返時(shí)間生成器通過最小二乘數(shù)據(jù)擬合算法計(jì)算出超聲波在試件中往返一次所需的時(shí)間。
權(quán)利要求
一種電磁超聲測(cè)厚儀，它是由微控制器(1)、發(fā)射電路(2)、電磁超聲探頭(3)、接收開關(guān)(4)、調(diào)理電路(5)、回波處理系統(tǒng)(6)、顯示系統(tǒng)(7)和鍵盤(8)組成的，其特征在于微控制器(1)連接發(fā)射電路(2)，發(fā)射電路(2)連接電磁超聲探頭(3)，電磁超聲探頭(3)連接接收開關(guān)(4)，接收開關(guān)(4)連接微控制器(1)和調(diào)理電路(5)，調(diào)理電路(5)連接回波處理系統(tǒng)(6)，顯示系統(tǒng)(7)連接微控制器(1)，微控制器(1)連接鍵盤(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電磁超聲測(cè)厚儀，其特征在于所述的電磁超聲探頭(3) 為收發(fā)分離式探頭，它包括外殼(9)、屏蔽層(10)、脈沖電磁鐵(11)、雙層PCB線圈(12)和 保護(hù)層(13)，外殼(9)連接屏蔽層(IO)，屏蔽層(10)連接脈沖電磁鐵(ll)，脈沖電磁鐵(11) 連接雙層PCB線圈(12)，雙層PCB線圈(12)連接保護(hù)層(13)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電磁超聲測(cè)厚儀，其特征在于所述的脈沖電磁鐵(11) 不包含鐵芯，在超聲波的發(fā)射接收過程中可提供200 ii s的強(qiáng)磁場(chǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電磁超聲測(cè)厚儀，其特征在于所述的雙層PCB線圈(12) 采用板厚為O. 5mm的PCB在雙面進(jìn)行制作，其中靠近脈沖電磁鐵(11)的一面是發(fā)射線 圈(14)，靠近保護(hù)層(13)的為接收線圈(15)。其中發(fā)射線圈(14)為線寬為1. 5mm、直徑為 15mm的螺旋線圈，接收線圈(15)為線寬為0. 5mm、直徑為15mm的螺旋線圈。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電磁超聲測(cè)厚儀，其特征在于所述的回波處理系統(tǒng)(6) 包括數(shù)據(jù)采集電路(16)、存儲(chǔ)電路(17)、FIR帶通濾波器(18)、相關(guān)檢測(cè)器(19)、FIR低通 濾波器(20)、回波位置提取電路(21)、往返時(shí)間生成器(22)，數(shù)據(jù)采集電路(16)連接存儲(chǔ) 電路(17)，存儲(chǔ)電路(17)連接FIR帶通濾波器(18)， FIR帶通濾波器(18)連接相關(guān)檢測(cè) 器(19)，相關(guān)檢測(cè)器(19)連接FIR低通濾波器(20)， FIR低通濾波器(20)連接回波位置 提取電路(21)，回波位置提取電路(21)連接往返時(shí)間生成器(22)。
6. —種電磁超聲測(cè)厚方法，其特征在于工作步驟如下 步驟一 系統(tǒng)通電初始化；步驟二 收發(fā)分離式電磁超聲探頭內(nèi)部的脈沖電磁鐵產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為200 i！ s的強(qiáng)磁 場(chǎng)；接收開關(guān)關(guān)閉；步驟三發(fā)射電路產(chǎn)生的大功率超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在發(fā)射線圈上，在待測(cè)試件中激發(fā) 垂直入射體波，發(fā)射重復(fù)周期為10ms ;步驟四打開接收開關(guān)；超聲波在待測(cè)試件中傳播，遇到底面會(huì)發(fā)生反射、散射等，接 收線圈接收反射回波信號(hào)；步驟五回波處理系統(tǒng)采集到回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理并提取超聲波在試件中往返一 次的時(shí)間At ;步驟六微控制器讀取默認(rèn)聲速或用戶通過鍵盤輸入的聲速C，計(jì)算出試件的厚度h 步驟七微控制器通過顯示系統(tǒng)顯示出厚度h ; 步驟八重復(fù)運(yùn)行步驟二到步驟七。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可在各種惡劣環(huán)境下對(duì)試件厚度進(jìn)行測(cè)量的電磁超聲測(cè)厚儀及其測(cè)量方法。它是由微控制器、發(fā)射電路、電磁超聲探頭、接收開關(guān)、調(diào)理電路、回波處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和鍵盤組成的。微控制器連接發(fā)射電路，發(fā)射電路連接電磁超聲探頭，電磁超聲探頭連接接收開關(guān)，接收開關(guān)連接微控制器，接收開關(guān)連接調(diào)理電路，調(diào)理電路連接回波處理系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)連接微控制器，鍵盤連接微控制器。本發(fā)明采用垂直入射體波進(jìn)行測(cè)厚，測(cè)量精度是同頻率壓電超聲測(cè)厚儀的2倍。電磁超聲探頭，采用脈沖電磁鐵提供磁場(chǎng)，對(duì)各種金屬試件都可以進(jìn)行高效檢測(cè)；采用收發(fā)分離式線圈激發(fā)和檢測(cè)超聲波，具有較小的測(cè)量盲區(qū)，測(cè)量厚度范圍可達(dá)3mm～200mm。
文檔編號(hào)G01B17/02GK101701809SQ20091007319
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者信鵬皓, 宮佳鵬, 康磊, 張曉輝, 段偉亮, 王淑娟, 翟國(guó)富 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)