CN101398409B - 斜入射体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75mm以下厚度钢板进行全面快速检测、准确检测出各种类型缺陷的斜入射体波技术钢板自动检测方法及其装置，由电磁超声检测单元和电路系统组成。本发明采用斜入射体波模式对钢板进行检测，不仅对体积性缺陷较为敏感，而且还可检测裂纹等缺陷，因此检测结果更为全面。检测单元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。本发明将超声透射法和反射法相结合，不仅对缺陷具有较高的灵敏度，而且还可精确定位缺陷，因此检测结果置信度较高。检测钢板壁厚范围较广，最高可达75mm，满足了厚壁钢板检测的要求。

Description

斜入射体波技术钢板自动检测方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及超声波检测技术，具体说就是一种斜入射体波技术钢板自动检测方法及其装置。

(二)背景技术

钢板在工程建设、锅炉压力容器、造船、油气管道等行业中用量巨大。由于这些行业的特殊性，大部分钢板需经过检测后方能使用。在现有无损检测技术中，超声波检测是应用最广泛的技术之一。目前钢板超声检测设备大多由操作者用压电超声探头对钢板进行人工扫描检测。此类设备因对耦合剂的依赖仅能在常温下检测钢板，同时该技术需要对钢板表面进行一定的预处理，因此劳动强度大、检测效率低。

电磁超声检测技术兴起于上世纪六七十年代，目前已经逐步在国外得到了广泛应用。近年来，国内的一些发明专利中也开始采用电磁超声技术对钢板进行检测。如中国专利CN1051086A《电磁超声自动探伤技术》采用Lamb波对18mm以下的钢板进行探伤。由于Lamb波在厚壁钢板中激发难度较大，所以该探伤技术只能对中、薄板探伤，无法满足更高壁厚钢板探伤的要求。此外，Lamb波具有频散特性，在任意给定激发频率下可能存在多种模式，且同一模式的声波经过端面或者缺陷时也会发生频散而产生多种模式的超声波，因此使Lamb波检测变得较为复杂，装置的实用性受到限制。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以下的钢板进行在线检测。垂直入射体波虽然对夹杂和体积性缺陷较为敏感，但无法有效检测裂纹等缺陷。裂纹可由钢板工作中存在的疲劳应力、腐蚀等原因产生，能够导致钢板的突然失效。为了保证钢板良好的技术状态，检测装置必须能够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75mm以下厚度钢板进行全面快速检测、准确检测出各种类型缺陷的斜入射体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：所述的斜入射体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包括横向检测单元和纵向检测单元。横向检测单元包括三个电磁超声探头，一个收发一体探头，两个透射波接收探头。纵向检测单元包括三个电磁超声探头，一个收发一体探头，两个透射波接收探头。横向检测单元分两排横向布置，纵向检测单元分多排纵向交错布置。

(2)所述的电路系统2包括发射电路3、接收电路4、AD转换电路5、微控制器6、存储电路7和显示电路8；发射电路3连接微控制器6，接收电路4连接AD转换电路5，AD转换电路5连接微控制器6，微控制器6连接存储电路7，微控制器6连接显示电路8。

(3)所述的微控制器6由发射控制器9、FIFO10、数字信号处理模块11、CPU12和总线13组成；发射控制器9连接总线13，FIFO10连接总线13，数字信号处理模块11连接总线13，总线13连接CPU12。

本发明一种斜入射体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。发射控制器产生对应斜入射体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斜入射体波；

步骤四：超声波在钢板中传播，遇到缺陷会发生反射、散射等，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，使接收信号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AD转换电路开始工作，将高速转换完的数据存储到FIFO中；AD转换电路转换检测单元三路信号，一路收发一体探头的反射波接收信号，两路透射波接收探头的接收信号；

步骤七：微控制器判断有用信号是否全部采集完，判断结果为是，则停止AD转换，运行步骤八；判断结果为否，则继续AD转换；

步骤八：微控制器通过DMA技术将FIFO中的数据存储到存储电路中；

步骤九：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两路透射波接收探头的接收信号进行实时处理；

步骤十：微处理器内部数字信号处理模块综合分析收发一体探头的反射波接收信号和两路透射波接收探头的接收信号，判断缺陷的位置和形状；

步骤十一：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；

步骤十二：纵向检测单元停止工作，横向检测单元开始工作，发射控制器产生对应斜入射体波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms，重复步骤三到步骤十一；

步骤十三：微控制器控制显示电路实时显示检测结果，返回运行步骤二。

本发明具有以下优点：

(1)本发明斜入射体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，无需对试件预处理，因此可在各种恶劣环境(如高温、高速)下对钢板进行在线检测，环境适应性较强，检测效率较高。

(2)本发明采用斜入射体波模式对钢板进行检测，不仅对体积性缺陷较为敏感，而且还可检测裂纹等缺陷，因此检测结果更为全面。

(3)本发明检测单元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。

(4)本发明将超声透射法和反射法相结合，不仅对缺陷具有较高的灵敏度，而且还可精确定位缺陷，因此检测结果置信度较高。

(5)本发明采用基于微控制器的数字信号处理技术对接收信号进行在线处理，具有较高的检测精度和实时性。能够检测出长度30mm、深度为0.1mm的裂纹缺陷。检测钢板壁厚范围较广，最高可达75mm，满足了厚壁钢板检测的要求。

(四)附图说明

图1为本发明工作原理框图；

图2为本发明检测厚钢板无缺陷时工作示意图；

图3为本发明检测厚钢板有缺陷时工作示意图；

图4为本发明检测厚钢板时检测单元探头布置方式；

图5为本发明检测薄钢板时检测单元探头布置方式；

图6为本发明检测厚钢板时检测单元布置方式；

图7为本发明检测薄钢板时检测单元布置方式；

图8为本发明斜入射体波激发原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1，本发明斜入射体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)。所述的电路系统(2)包括发射电路(3)、接收电路(4)、AD转换电路(5)、微控制器(6)、存储电路(7)和显示电路(8)；发射电路(3)连接微控制器(6)，接收电路(4)连接AD转换电路(5)，AD转换电路(5)连接微控制器(6)，微控制器(6)连接存储电路(7)，微控制器(6)连接显示电路(8)。所述的微控制器(6)由发射控制器(9)、FIFO(10)、数字信号处理模块(11)、CPU(12)和总线(13)组成；发射控制器(9)连接总线(13)，FIFO(10)连接总线(13)，数字信号处理模块(10)连接总线(13)，总线(13)连接CPU(12)。

实施例2，结合图4、图5，本发明利用电磁超声技术可直接在被测钢板中产生与钢板表面成一定角度入射的体波，即斜入射SV波(Shear Vertical Wave)。斜入射SV波对钢板的分层、夹杂、孔形以及细小的裂纹等缺陷均较为敏感。此外，由于电磁超声技术在检测时无需声耦合剂、无需对试件预处理，因此利用其产生的斜入射体波可实时地对各种恶劣环境下的钢板进行在线或在役检测。

电磁超声横向、纵向检测单元都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斜入射体波，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。由于斜入射体波在钢板中传播时衰减较大，因此根据钢板的厚度确定斜入射体波的反射次数。当钢板较厚时，超声波只反射一次，如图4所示；当钢板较薄时，超声波可以反射多次，如图5所示。收发一体探头与透射波接收探头的距离随超声波反射次数而变。为防止横向检测单元和纵向检测单元之间的相互干扰，采用周期性交替工作的方式。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3，结合图6、图7，电路系统在微控制器控制下周期性地激励检测单元中的收发一体探头产生斜入射SV波。钢板中传播的SV波将在缺陷及端面处发生反射和散射，超声波的反射及透射信号可分别由电磁超声收发一体探头以及两个透射波接收探头接收。检测装置在微控制器控制下采集并存储检测单元中的接收信号。通过分析反射与透射信号即可判断出缺陷的形状及位置。检测结果将在微控制器控制下实时显示。为实现对钢板100％无盲区检测，本发明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，检测结果更加全面。当检测厚钢板时，由于斜入射体波衰减较大，超声波仅反射一次，所以收发一体探头与透射波接收探头距离近，纵向检测单元采用多排交替布置方式，如图6所示。当检测薄钢板时，超声波可以反射多次，这时纵向检测单元可减少为一个，横向往返运动，全面检测纵向缺陷，节省了探头数目同时提高了检测效率，如图7所示。

实施例4，结合图8，电磁超声斜入射体波探头由磁铁和电磁超声曲折线圈组成，工作频率约为1MHz，其激发原理如图8所示。探头的声束入射角度由声波的波长以及曲折线圈的匝间距决定。采用微控制器调节驱动信号频率可以改变斜入射体波的入射角度。通过连续扫频可以找到斜入射体波对缺陷最敏感的角度，使检测效果最优。设SV波的入射角为θ，则有

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2l}$

式中λ——声波的波长；

l——曲折线圈的匝间距。

实施例5，结合图1、图2、图3，本发明斜入射体波技术钢板自动检测方法为：系统通电初始化后，微控制器控制发射控制器产生对应斜入射体波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms。信号经过发射电路功率放大后变为电压峰峰值为600V以上，电流峰峰值为120A以上的脉冲串信号，该脉冲串信号驱动电磁超声发射线圈通过洛伦兹力和磁致伸缩力的作用在钢板中产生超声波。超声波在钢板中传播过程中，如果遇到缺陷或者端面，就会发生反射、散射等。电磁超声检测单元中收发一体探头接收反射回波信号，两个透射波接收探头接收透射波信号。反射、透射信号在电磁线圈内转化为电压信号，即超声回波信号。超声回波信号在未经处理时，是淹没在噪声中的微弱信号。接收电路由前置放大电路和滤波电路等组成，放大电路将各种缺陷的超声回波信号提取出来，滤波电路消除各种随机噪声，保证接收回波信号有较高的信噪比。AD转换电路对回波信号进行转换，将超声回波信号转化为数字信号。微控制器将数字信号采集到微控制器内部并进行数字信号处理，计算各种缺陷的位置和形状，将检测结果通过显示电路实时显示出来。

本发明斜入射体波技术钢板自动检测方法及其装置，当检测单元经过没有缺陷位置时，收发一体探头向钢板发射斜入射SV波，由钢板底表面反射回波，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。假设在被测钢板底面在一个缺陷，如图3所示。当检测单元经过缺陷位置时，收发一体探头向钢板发射斜入射体波，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，两路透射波波形会有差别。综合分析收发一体探头接收缺陷的反射回波信号和两个透射波接收探头的接收信号，可以判断出缺陷的形状和位置。

本发明斜入射体波技术钢板自动检测方法及其装置，不仅适用于对钢板进行在线检测，而且适用于由钢板材料加工成的管道、船舶和锅炉压力容器等的在役检测。

Claims (2)

1.一种斜入射体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)；

其中，所述的电磁超声检测单元(1)包括横向检测单元和纵向检测单元；横向检测单元包括三个电磁超声探头，一个收发一体探头和两个透射波接收探头；纵向检测单元包括三个电磁超声探头，一个收发一体探头和两个透射波接收探头；横向检测单元分两排横向布置，纵向检测单元分多排纵向交错布置；

所述的电路系统(2)包括发射电路(3)、接收电路(4)、AD转换电路(5)、微控制器(6)、存储电路(7)和显示电路(8)；发射电路(3)连接微控制器(6)，接收电路(4)连接AD转换电路(5)，AD转换电路(5)连接微控制器(6)，微控制器(6)连接存储电路(7)，微控制器(6)连接显示电路(8)；

所述的微控制器(6)由发射控制器(9)、FIFO(10)、数字信号处理模块(11)、CPU(12)和总线(13)组成；发射控制器(9)连接总线(13)，FIFO(10)连接总线(13)，数字信号处理模块(11)连接总线(13)，总线(13)连接CPU(12)。

2.一种使用权利要求1所述的斜入射体波技术钢板自动检测装置得出的斜入射体波技术钢板自动检测方法，其特征在于，工作步骤如下：

步骤一：电路系统通电初始化；

步骤二：纵向检测单元开始工作，横向检测单元停止工作；发射控制器产生对应斜入射体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斜入射体波；

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，使接收信号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AD转换电路开始工作，将高速转换完的数据存储到FIFO中；AD转换电路转换检测单元三路信号，一路收发一体探头的反射波接收信号，两路透射波接收探头的接收信号；

步骤七：微控制器判断有用信号是否全部采集完，判断结果为是，则停止AD转换，运行步骤八；判断结果为否，则继续AD转换；

步骤八：微控制器通过DMA技术将FIFO中的数据存储到存储电路中；

步骤九：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两路透射波接收探头的接收信号进行实时处理；

步骤十：微处理器内部数字信号处理模块综合分析收发一体探头的反射波接收信号和两路透射波接收探头的接收信号，判断缺陷的位置和形状；

步骤十一：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；

步骤十二：纵向检测单元停止工作，横向检测单元开始工作，发射控制器产生对应斜入射体波的超声波发射信号，发射重复周期为10ms，重复步骤三到步骤十一；

步骤十三：微控制器控制显示电路实时显示检测结果，返回运行步骤二。

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