CN101398298A - 电磁超声测厚方法 - Google Patents

Abstract

一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，电磁超声换能器内的磁体为U型永磁体，线圈为“回”形PCB双层线圈，线圈置于永磁铁开口处且线圈导线有效部分与偏置磁场方向平行。测厚时，将电磁超声换能器置于被检测体上，线圈内通过高频正弦脉冲电流，根据磁致伸缩效应，被检测体局部伸缩变形产生振动从而激发出超声横波并垂直于被检测体表面向下传播。超声波在被检测体下表面发生反射，反射波被线圈接收。所接收的超声信号经过放大后被采集输入计算机。已知超声波在被检测体传播速度v，传播时间t，则被检测体厚度d为：d＝1/2×v×t。本发明实现了对铁磁性材料的厚度检测，具有非接触、无需耦合剂等优点，可用于高温环境或表面粗糙材料的检测。

Description

电磁超声测厚方法

技术领域

本发明涉及一种利用电磁超声换能器测量材料厚度的方法，用于对铁磁性材料的厚度变化、腐蚀缺陷状况进行检测。

背景技术

钢材在生产过程中容易出现夹渣、气泡等缺陷，在使用过程中也会由于受到腐蚀、应力等因素的影响而出现各种缺陷。钢材制品(如钢管道、钢容器)很容易在缺陷处发生破裂，造成巨大的经济损失和人员伤亡，所以必须有效检测钢材制品的腐蚀坑洞、薄厚不均等缺陷，及时采取措施补救。

通过检测材料的厚度来检测腐蚀坑洞及壁厚变化情况是最常用的方法。目前，常用的检测设备是压电超声测厚仪。但压电超声测厚仪需要通过耦合介质(水、甘油等)才能将超声波从压电超声换能器传入被测材料，使用不方便。另外，由于需要换能器与被测材料接触，其应用领域也受到限制，比如，压电超声测厚仪不能工作在高温环境(500度以上热钢板探伤)，无法检测表面粗糙材料等。

鉴于压电超声的应用限制，人们发明了电磁超声换能器。它是利用电磁感应的原理，直接在被检测体内激发超声波，具有非接触、无需耦合剂等优点。由于无需耦合剂，电磁超声可以适用于高温物体检测、表面粗糙材料探伤、天然气管道检测等多种工作环境。电磁超声换能器主要基于洛伦兹力和磁致伸缩效应两种机理研制。洛伦兹力机理存在于所有金属材料，但是对于铁磁性材料而言，磁致伸缩效应机理居于主导地位。所以洛伦兹力电磁超声换能器一般应用于非铁磁性材料(铝、铜等)，而铁磁性材料的检测主要是应用磁致伸缩效应机理的电磁超声换能器。

实用新型专利“电磁超声测厚仪”(申请号：93206367.5)涉及一种电磁超声测厚装置，该装置由脉冲发生器、电磁铁电磁超声换能器、接收放大电路、采样电路、计算机系统、显示器、报警输出电路、打印机和键盘控制电路等组成。该专利中，电磁超声换能器线圈为圆形，位于磁铁极靴下方，是基于洛伦兹力原理设计的，这种结构一般适用于检测非铁磁性材料。对于铁磁性材料的检测，由于磁致伸缩效应机理居主导地位，洛伦兹力相对较弱，所以需要根据磁致伸缩效应机理设计换能器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法。本发明的特征在于依次含有以下步骤：

步骤(1)，把U型永磁铁倒置于待检测铁磁体表面，并按设定的高度提离，使所述U型永磁体下被检测铁磁体的局部产生一个偏置磁场；

步骤(2)，把彼此绝缘的上下两层位置相同且互相串联的双层回形线圈置于所述U型永磁体的两个磁极之间，所述双层回形线圈的提离高度与所述U型永磁体的提离高度相同，该双层回形线圈的长度方向与所述U型永磁体在被检测铁磁体内产生的偏置磁场方向相同；

步骤(3)，在所述双层回形线圈内通入某一频率正弦脉冲电流，该正弦脉冲电流在所述被检测铁磁体内产生高频交变磁场并与所述偏置磁场叠加形成交变的合成磁场，在该被检测铁磁体局部产生磁致伸缩变形，激发出超声横波，在该被检测铁磁体内从上向下传播；

步骤(4)，当该超声横波的反射波到达所述被检测铁磁体上表面时被所述回形双层线圈接收，经过放大电路放大后，利用示波器读取超声发射波与超声反射波之间的时间差t。步骤(5)，按下式所述被检测铁磁体的厚度d： $d=\frac{1}{2}\×v\×t,$ v为超声波在所述被检测铁磁体内的传播速度，为已知值。

本发明具有非接触、无需耦合剂等优点，可用于高温环境或表面粗糙材料的检测。

附图说明

图1为电磁超声换能器结构示意图。图中，1—永磁铁；2—双层线圈；3—被检测体；4—提离间隙。

图2为电磁超声换能器线圈结构与放置方向示意图。图中，1—永磁铁；2—双层线圈；3—被检测体；5—两层线圈之间连接孔；6-第二层线圈；7-线圈有效部分长度。

图3为双层线圈每一层结构的俯视图。两层线圈在水平方向上是重合的，这样第一层与第二层线圈相同位置的导线电流方向相同。电流从第一层最上端流入，在“回”型线圈中心处通过连接孔5将电流导入第二层。在第二层沿导线流过后，最后从第二层最下端流出。图中5为同一个孔。图中，5—两层线圈之间连接孔；6-第二层线圈；7-线圈有效部分长度。

图4为被检测体内磁场方向示意图。图中：H_ω表示线圈中的高频电流在被检测体内感应的高频磁场；H₀表示永磁体在被检测体内产生的恒定偏置磁场；H表示由H_ω和H₀合成的磁场；则 $\stackrel{\→}{H}={\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{\ω}}+{\stackrel{\→}{H}}_0.$ 图中(1)(2)(3)(4)四个步骤代表磁场变化的一个周期。

图5为被检测体局部伸缩变形及振动方向示意图。在步骤(1)和(3)中，材料水平伸缩变形从而产生水平方向的振动。在步骤(2)和(4)中，材料不发生变形，恢复为原始形状。

图6为测厚装置框图。脉冲电源产生高频大功率脉冲电流并输入换能器线圈，从而在被检测体内激发出超声横波。超声横波向下表面传播并在下表面发生反射，超声反射波被换能器线圈接收。接收到的超声信号经过放大与滤波后，通过数据采集卡输入计算机通过MATLAB软件进行处理，计算出超声波传播时间。也可以直接利用示波器读取传播时间。

具体实施方式

本发明中，电磁超声换能器基于磁致伸缩原理设计，磁铁为U型钕铁硼永磁体，线圈为“回”型双层线圈。U型永磁体长40mm-70mm，宽30mm-50mm，高10mm-20mm；线圈长30mm-60mm，宽20mm-40mm，总厚度为0.3mm-1.5mm。U型永磁体置于被检测体上，提离高度为0.5mm-1mm，在被检测体内产生偏置磁场的磁感应强度为0.5T-1T。为了提高电磁超声换能器转换效率，设计了双层线圈来激发和接收超声波，上下两层线圈水平位置相同，这样第一层与第二层线圈相同位置处导线的电流方向相同。如图3所示，电流从第一层线圈最上端流入，在“回”型线圈中心处通过连接孔5将电流导入第二层。在第二层沿导线流过后，从第二层最下端流出。线圈采用PCB制作，线圈导线宽度0.2mm-0.5mm，导线厚度为0.1mm-0.5mm且两层线圈通过连接孔串联，两层线圈之间的绝缘夹层厚度为0.1mm-0.5mm。线圈位于U型永磁体两磁极之间，与被检测体的提离高度为0.5mm-1mm，且线圈导线方向与偏置磁场方向平行。

在线圈中通过高频(0.5MHz-5MHz)正弦脉冲(2周期-5周期)电流(10A-100A)，此高频电流在被检测体内感应出高频交变磁场，该交变磁场与永磁体提供的偏置磁场相叠加，形成一交变的合成磁场。根据磁致伸缩效应原理，铁磁性材料在磁化状态改变时会发生伸长或缩短的变化，所以被检测体中交变的合成磁场引起被检测体局部的伸缩变化产生振动，这样就激发出超声波。超声波在被检测体内向下表面传播，遇到下表面发生反射，反射波到达被检测体表面时使其发生振动。根据磁致伸缩逆效应，该振动导致其周围磁场发生变化，从而在线圈内感应出电压信号，这样线圈就接收到了超声反射信号。线圈接收到的超声信号经过放大电路放大后可以通过数据采集卡采集输入计算机，利用MATLAB等工具准确测量发射超声信号与反射超声信号的时间差，即超声从材料上表面传播到下表面又从下表面传播到上表面所耗费的传播时间。也可以通过数字示波器直接读取该传播时间。由于超声波在被检测体内传播速度为v是已知的(不同材料的被检测体波速不同)，测得传播时间为t，则超声波走过的路程f为：f＝v×t。由于f为被检测体厚度的两倍，所以被检测体厚度d为： $d=\frac{1}{2}\×v\×t.$ 在测厚时，只要查询超声波的波速并记录传播时间就可以计算出被检测体的厚度。

下面结合附图详细描述本发明的原理。

电磁超声换能器的结构如图1所示。U型磁铁置于被检测体上方，并在被检测体内产生水平方向的恒定偏置磁场H₀，调节提离高度，使偏置磁场的磁感应强度为0.5特斯拉-1特斯拉。线圈结构及其在磁铁下的位置如图2所示。线圈为双层PCB结构，图2中实线为第一层线圈，虚线表示第二层线圈，中间有0.1mm-0.5mm厚的绝缘夹层，通过连接孔将两层线圈串联在一起。如图3所示，高频正弦脉冲电流I_ω从线圈第一层最上端流入，在“回”型线圈中心处通过连接孔5将电流导入第二层，最后从第二层最下端流出。该电流在被检测体内感应出高频交变的磁场H_ω’H_ω与H₀叠加后在被检测体内形成了合成磁场H，H的大小和方向是周期性变化的。根据磁致伸缩效应原理，该合成磁场引起被检测体的周期性变形和振动，在被检测体内激发出超声波。

水平偏置磁场H₀、交变磁场H_ω及叠加形成的合成磁场H如图4所示。图中(1)(2)(3)(4)表示交变磁场H_ω变化的一个周期，也对应于合成磁场H变化的一个周期。假设，某一时刻交变磁场H_ω的方向向上且为最大值(图中(1)所示)，它与水平磁场H₀叠加的合成磁场是向右上方倾斜的；经过1/4周期后，H_ω变为0(图中(2)所示)，合成磁场也变为水平磁场H₀；再经过1/4周期，H_ω方向向下且为最大值(图中(3)所示)，合成磁场向右下方倾斜；1/4周期后又变为水平磁场H₀(图中(4)所示)，如此周而复始。在此合成磁场的作用下，由于磁致伸缩效应的存在，被检测体会发生伸缩变形而使其受到周期性的挤压与拉伸，从而引起被检测体局部振动产生超声横波。被检测体局部变形及振动方向示意图如图5所示。水平方向的伸缩振动在被检测体内激发出超声横波，沿垂直于被检测体表面向下传播。根据反射定律，超声波遇到介质交界面就会发生反射。根据磁致伸缩逆效应，反射回来的超声波在被检测体表面的伸缩振动会引起被检测体磁化状态的改变，从而在线圈中感应出电压信号，这样线圈就接收到了超声反射波。线圈接收到的超声信号经过放大电路放大后可以通过数据采集卡采集输入计算机，利用MATLAB等工具准确测量发射超声信号与反射超声信号的时间差，即超声从材料上表面传播到下表面又从下表面传播到上表面所耗费的传播时间。也可以通过数字示波器直接读取该传播时间。已知超声波在被检测体内传播速度为v，传播时间为t，则超声波走过的路程f为：f＝v×t。f为被检测体厚度的两倍，所以被检测体厚度d为： $d=\frac{1}{2}\×v\×t.$ 这样就可以计算出被检测体的厚度。

Claims (7)

1.一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，把U型永磁体倒置于待检测铁磁体表面，并按设定的高度提离，使所述U型永磁体下被检测铁磁体的局部产生一个偏置磁场；

步骤(2)，把彼此绝缘的上下两层位置相同且互相串联的双层回形线圈置于所述U型永磁体的两个磁极之间，所述双层回形线圈的提离高度与所述U型永磁体的提离高度相同，该双层回形线圈的长度方向与所述U型永磁体在被检测铁磁体内产生的偏置磁场方向相同；

步骤(3)，在所述双层回形线圈内通入某一频率正弦脉冲电流，该正弦脉冲电流在所述被检测铁磁体内产生高频交变磁场并与所述偏置磁场叠加形成交变的合成磁场，在该被检测铁磁体局部产生磁致伸缩变形，激发出超声横波，在该被检测铁磁体内从上向下传播；

步骤(4)，当该超声横波的反射波到达所述被检测铁磁体上表面时被所述回形双层线圈接收，经过放大电路放大后，利用示波器读取超声发射波与超声反射波之间的时间差t。

步骤(5)，按下式所述，被检测铁磁体的厚度d：

$d=\frac{1}{2}\×v\×t,$ v为超声波在所述被检测铁磁体内的传播速度，为已知值。

2.根据权利要求1所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所述的时间差t通过计算机用MATLAB工具包测量。

3.根据权利要求1所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所述的提离高度为0.5mm-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所述U型永磁体采用钕铁硼永磁体。

5.根据权利要求1所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所述双层回形线圈采用PCB制作，两层线圈之间用连接孔连接。

6.根据权利要求1所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所述正弦脉冲电流的频率在0.1MHz-10MHz之间。

7.根据权利要求1所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所述双层回形线圈的长度方向与所述U型永磁体在被检测铁磁体内产生的偏置磁场方向相同。

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