CN101393171B - 电磁超声sh波技术钢板自动检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种对中、薄板进行全面快速自动检测的电磁超声水平偏振剪切波探伤技术，能快速、有效地检测出各种缺陷的电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置。它是由电磁超声检测单元和电路系统组成的。本发明采用SH波对中、薄板进行检测，对钢板表面和内部的缺陷都较为敏感，而且接收信号纯净，能有效地检测出钢板中的各种缺陷。由于SH波在传播过程中衰减小，所以SH波检测距离远，采用较少的探头就能实现钢板的全面检测，大大提高了检测效率。本发明将超声透射法和反射法相结合，不仅能够检测出钢板中的各种缺陷，而且能够判断出缺陷的形状和位置，检测结果置信度较高。

Description

电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及超声检测技术，具体说就是一种电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置。

(二)背景技术

板形构件尤其是厚度在16mm以下的中、薄钢板，无论是在航空航天领域、汽车工业、船舶工业，还是在压力锅炉，输送管道方面均有广泛的应用。但是由于板材在形成过程中所带入的缺陷，如分层、夹杂、孔形缺陷、裂纹等，都会对构件的使用安全造成威胁。同时板件由于外部加载及使用环境的变化，都可能引起其内部细小缺陷源的扩展，进而造成疲劳破坏事故。

目前国内外对钢板的探伤普遍采用超声探伤法。超声根据换能机理不同分为压电超声和电磁超声。由于对声耦合剂的依赖和表面光洁度的要求，压电超声方法无法完成高温在线检测和冬季低温环境下的检测。

国内一些发明专利中也开始采用电磁超声技术对钢板进行探伤。如中国专利CN1051086A《电磁超声自动探伤技术》采用Lamb波对18mm以下的钢板探伤。但是Lamb波存在多模式和频散现象，在任意给定的激发频率下，可能存在多种Lamb波模式，且同一模式的Lamb波经过端面或者缺陷时会发生频散而产生多种模式的超声波。频散特性使Lamb波检测变得非常复杂，无法有效的判断缺陷位置和形状。中国专利CN1063848C《热钢板在线自动化电磁超声探伤系统》采用垂直入射体波对40mm以下钢板进行在线检测。垂直入射体波虽然对分层、夹杂以及体积性缺陷比较敏感，但是无法有效检测裂纹和细小缺陷。为了保证钢板的质量，必须及时有效检测出钢板中的各种缺陷。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种对中、薄板进行全面快速自动检测的电磁超声水平偏振剪切波探伤技术，能快速、有效地检测出各种缺陷的电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：所述的电磁超声SH波技术钢板自动检测装置，它是由电磁超声检测单元1和电路系统2组成的，电磁超声检测单元1连接电路系统2。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的电磁超声检测单元1包括两排固定不动的横向检测单元和一个沿横向往返运动的纵向检测单元。横向检测单元沿横向布置，包括三个探头，一个收发一体探头，两个透射波接收探头。纵向检测单元沿纵向布置，包括两个探头，一个单向发射收发一体探头和一个透射波接收探头。

(2)所述的电路系统2包括微处理器3、发射电路4、信号调理电路5、数据采集电路6、存储电路7和显示电路8。微处理器3连接发射电路4，信号调理电路5连接数据采集电路6，数据采集电路6连接微处理器3，微处理器3连接存储电路7，微处理器3连接显示电路8。

本发明电磁超声SH波技术钢板自动检测方法，工作步骤如下：

步骤一：系统通电初始化；

步骤二：纵向检测单元开始工作，横向检测单元停止工作，钢板静止不动；微控制器产生对应SH波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms；

步骤三：发射电路对控制信号进行功率放大，驱动电磁超声检测单元在钢板中产生SH波；

步骤四：超声波在钢板中传播，遇到缺陷会发生反射、散射，收发一体探头接收反射波信号，透射波接收探头接收透射波信号；

步骤五：微控制器控制15μs的延时，避开发射信号的主冲击干扰；

步骤六：经过延时后，微控制器控制数据采集电路开始工作，将高速转换完的数据存储到微处理器内存单元中；数据采集电路采集纵向检测单元两路信号，一路收发一体探头的反射波接收信号和一路透射波接收探头的接收信号；

步骤七：微控制器内部数字信号处理模块对微处理器内存单元中的数据进行数字滤波处理后转存到存储电路中；

步骤八：微处理器内部数字信号处理模块对收发一体探头的反射波信号和透射波接收探头的接收信号进行实时处理；

步骤九：微处理器内部数字信号处理模块综合分析检测单元收发一体探头的反射波信号和透射波接收探头的接收信号，判断缺陷的位置和形状；

步骤十：微控制器将检测结果保存到存储电路中，包括检测单元的编号、缺陷的形状及位置；

步骤十一：待纵向检测单元往返运动一周后，纵向检测单元停止工作；横向检测单元开始工作，钢板匀速向前运动，微控制器产生对应SH波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms；重复步骤三到步骤十，步骤六中数据采集电路采集横向检测单元三路信号，一路收发一体探头的反射波信号和两路透射波接收探头的接收信号；步骤八和步骤九分析横向检测单元的三路信号，判断缺陷的位置和形状；

步骤十二：微控制器控制显示电路实时显示检测结果，待钢板向前运动1m距离后，返回运行步骤二。

本发明电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置，以电磁超声技术为核心，检测时无需声耦合剂，无需对试件进行预处理，因此可在各种恶劣环境(如高温、高速)下对钢板有效地进行检测，环境适应性较强，检测效率较高。本发明采用SH波对中、薄板进行检测，对钢板表面和内部的缺陷都较为敏感，而且接收信号纯净，能有效地检测出钢板中的各种缺陷。由于SH波在传播过程中衰减小，所以SH波检测距离远，采用较少的探头就能实现钢板的全面检测，大大提高了检测效率。本发明将超声透射法和反射法相结合，不仅能够检测出钢板中的各种缺陷，而且能够判断出缺陷的形状和位置，检测结果置信度较高。

本发明电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置，采用基于微处理器的数字信号处理技术对接收信号进行实时处理，具有较高的检测精度和实时性。本发明中探头采用横向和纵向布置相结合的方式，对纵向和横向缺陷都较为敏感，同时横向检测单元各分两排布置，纵向检测单元横向往返运动，消除检测盲区，检测结果更加全面。

本发明电磁超声SH波技术钢板自动检测方法及其装置，不仅适用于对中、薄板进行在线检测，而且适用于由中、薄板材料加工成的汽车、船舶和管道等的在役检测。

(四)附图说明

图1为本发明横向检测单元探头布置方式；

图2为本发明纵向检测单元探头布置方式；

图3为本发明电磁超声检测单元布置方式；

图4为本发明水平磁场曲折线圈SH波激发原理图；

图5为本发明周期性永磁铁阵列螺旋线圈SH波激发原理图；

图6为本发明硬件原理框图；

图7为本发明横向检测单元检测无缺陷钢板时工作示意图；

图8为本发明横向检测单元检测有缺陷钢板时工作示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1、图2，利用电磁超声技术可直接在被测钢板中激发出水平偏振剪切波，也称SH波(Shear Horizontal Wave)。SH波频散特性较Lamb波简单，且SH波经过缺陷或者端面反射后不易发生模式转换，接收信号纯净，适用于对各种缺陷的位置和形状进行检测。此外，由于电磁超声技术在检测时无需声耦合剂、无需对试件进行预处理，利用电磁超声技术产生的SH波可对各种恶劣环境下的中、薄板进行在线或在役检测。

为了实现中、薄板的电磁超声自动检测，本发明解决技术问题的方案是：设计一种电磁超声SH波技术钢板自动检测装置。该装置包括微处理器、发射电路、电磁超声检测单元、信号调理电路、数据采集电路、存储电路和显示电路7个部分。电磁超声检测单元包括横向检测单元和纵向检测单元。电磁超声横向检测单元由三个电磁超声探头组成，其中一个电磁超声探头工作于收发一体状态，其两侧各有一个电磁超声透射波接收探头。电磁超声收发一体探头既向钢板发射SH波，同时接收钢板中缺陷的反射回波信号，两侧的电磁超声透射波接收探头接收透射波信号，其布置方式如图1。电磁超声纵向检测单元由两个电磁超声探头组成，其中一个电磁超声工作于收发一体状态，且由相控阵技术控制超声波只沿一个方向传播，在超声波传播方向上有一个电磁超声透射波接收探头，其布置方式如图2。电磁超声探头和钢板之间存在0.5mm的间隙，且探头表面有一层0.5mm厚的耐磨层，用以保护电磁超声线圈不会因磨损而损坏。

实施例2，结合图3，微处理器周期性地产生SH波控制信号，激励检测单元中的收发一体探头在钢板中产生SH波。超声波在钢板中传播，遇到缺陷或者端面时发生反射、散射。反射信号和透射信号可分别由收发一体探头和透射波接收探头接收。基于电磁超声SH波技术的钢板自动检测装置在微处理器控制下对接收信号进行采集和数字信号处理。通过综合分析反射和透射信号即可判断出缺陷的形状及位置，检测结果可由显示电路实时显示。本发明中检测单元采用横向和纵向布置相结合的方式，对横向和纵向缺陷都较为敏感，同时横向检测单元分两排布置，消除检测盲区。纵向检测单元中收发一体探头采用相控阵技术，使SH波只沿一个方向传播，避免影响横向检测单元。收发一体探头接收反射波信号，透射波接收探头接收透射波信号。检测开始时，钢板静止不动，纵向检测单元工作，横向检测单元停止工作。纵向检测单元横向往返运动一周后，纵向检测单元停止工作，横向检测单元开始工作，钢板匀速向前运动1m距离。而后横向检测单元停止工作，钢板静止，纵向检测单元开始工作。纵向检测单元和横向检测单元周期性的交替工作，避免纵向检测单元和横向检测单元之间的相互影响。控制待检测钢板时动时停的运动状态，保证钢板的全面检测。

实施例3，结合图4、图5，目前有两种方案可以产生SH波。第一种方案是电磁超声线圈采用曲折线圈，静磁场为与线圈平行的水平磁场，激发方式如图4所示。其中曲折线圈采用有机玻璃骨架绕制而成，大大增强了探头的耐磨性。激发出SH波的波长与曲折线圈匝间距有关，设SH波波长为λ，则有

                      λ＝2l

式中l——曲折线圈匝间距。

实施例4，结合图5，产生SH波的第二种方案是电磁超声线圈采用螺旋线圈，静磁场为周期性永磁铁阵列结构，激发方式如图5所示。激发出的SH波的波长与周期性永磁铁的宽度有关，设SH波波长为λ，则有

                          λ＝2a

式中a——周期性永磁铁的宽度。

实施例5，结合图6，本发明电磁超声SH波技术钢板自动检测装置包括微处理器、发射电路、电磁超声检测单元、信号调理电路、数据采集电路、存储电路和显示电路7个部分。

实施例6，结合图7、图8，本发明基于电磁超声SH波技术的钢板自动检测装置，当横向检测单元经过没有缺陷位置时，收发一体探头向钢板发射SH波，此时没有反射到收发一体探头的回波，收发一体探头没有接收信号，两侧的透射波接收探头有接收信号，且波形基本相同，如图7所示。假设在被测钢板中存在一个缺陷，当横向检测单元经过缺陷位置时，收发一体探头向钢板发射SH波，遇到缺陷后会有反射回波，收发一体探头接收缺陷反射回波信号，一侧的透射波接收探头接收有衰减的透射波信号，另一侧的透射波接收探头接收没有衰减的透射波信号，波形会有差别，如图8所示。纵向检测单元工作原理与横向检测单元相同，只是少了一路透射波接收信号。综合分析收发一体探头接收缺陷的反射回波信号和透射波接收探头接收的透射波信号，可以判断出缺陷的位置和形状。

Claims (2)

1.一种电磁超声SH波技术钢板自动检测装置，它是由电磁超声检测单元(1)和电路系统(2)组成的，其特征在于：电磁超声检测单元(1)连接电路系统(2)，所述的电磁超声检测单元(1)包括两排固定不动的横向检测单元和一个沿横向往返运动的纵向检测单元，横向检测单元沿横向布置，包括三个探头，一个收发一体探头和两个透射波接收探头；纵向检测单元沿纵向布置，包括两个探头，一个单向发射收发一体探头和一个透射波接收探头，所述的电路系统(2)包括微处理器(3)、发射电路(4)、信号调理电路(5)、数据采集电路(6)、存储电路(7)和显示电路(8)，微处理器(3)连接发射电路(4)，信号调理电路(5)连接数据采集电路(6)，数据采集电路(6)连接微处理器(3)，微处理器(3)连接存储电路(7)，微处理器(3)连接显示电路(8)。

2.一种由权利要求1所述的电磁超声SH波技术钢板自动检测装置实现的钢板自动检测方法，工作步骤如下：

步骤一：系统通电初始化；

步骤二：纵向检测单元开始工作，横向检测单元停止工作，钢板静止不动；微控制器产生对应SH波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms；

步骤三：发射电路对控制信号进行功率放大，驱动电磁超声检测单元在钢板中产生SH波；

步骤四：超声波在钢板中传播，遇到缺陷会发生反射、散射，收发一体探头接收反射波信号，透射波接收探头接收透射波信号；

步骤五：微控制器控制15μs的延时，避开发射信号的主冲击干扰；

步骤六：经过延时后，微控制器控制数据采集电路开始工作，将高速转换完的数据存储到微处理器内存单元中；数据采集电路采集纵向检测单元两路信号，一路收发一体探头的反射波接收信号和一路透射波接收探头的接收信号；

步骤七：微控制器内部数字信号处理模块对微处理器内存单元中的数据进行数字滤波处理后转存到存储电路中；

步骤八：微处理器内部数字信号处理模块对收发一体探头的反射波信号和透射波接收探头的接收信号进行实时处理；

步骤九：微处理器内部数字信号处理模块综合分析检测单元收发一体探头的反射波信号和透射波接收探头的接收信号，判断缺陷的位置和形状；

步骤十：微控制器将检测结果保存到存储电路中，包括检测单元的编号、缺陷的形状及位置；

步骤十一：待纵向检测单元往返运动一周后，纵向检测单元停止工作；横向检测单元开始工作，钢板匀速向前运动，微控制器产生对应SH波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms；重复步骤三到步骤十，步骤六中数据采集电路采集横向检测单元三路信号，一路收发一体探头的反射波信号和两路透射波接收探头的接收信号；步骤八和步骤九分析横向检测单元的三路信号，判断缺陷的位置和形状；

步骤十二：微控制器控制显示电路实时显示检测结果，待钢板向前运动1m距离后，返回运行步骤二。

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