CN101701809A - 一种电磁超声测厚仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可在各种恶劣环境下对试件厚度进行测量的电磁超声测厚仪及其测量方法。它是由微控制器、发射电路、电磁超声探头、接收开关、调理电路、回波处理系统、显示系统和键盘组成的。微控制器连接发射电路，发射电路连接电磁超声探头，电磁超声探头连接接收开关，接收开关连接微控制器，接收开关连接调理电路，调理电路连接回波处理系统，显示系统连接微控制器，键盘连接微控制器。本发明采用垂直入射体波进行测厚，测量精度是同频率压电超声测厚仪的2倍。电磁超声探头，采用脉冲电磁铁提供磁场，对各种金属试件都可以进行高效检测；采用收发分离式线圈激发和检测超声波，具有较小的测量盲区，测量厚度范围可达3mm～200mm。

Description

一种电磁超声测厚仪及其测量方法

(一)技术领域

本发明涉及超声波测厚技术，具体说就是一种电磁超声测厚仪及其测量方法。

(二)背景技术

金属板材在生产过程中不可避免地存在厚度不均和凹坑等缺陷，在使用过程中由于应力、腐蚀等因素也会产生各种缺陷。板材厚度检测是发现厚度不均、腐蚀、凹坑等缺陷的有效方法。目前，管道运输在国民经济中占有重要地位，但是随着管线增多、管龄增长，因腐蚀、磨损、意外损伤等原因造成的管线泄漏事故时有发生，严重威胁生命财产安全和生态环境。管道厚度检测对石油行业、化工行业、压力容器行业和油气高压远距离输送工程等更具有重要的作用。在众多无损检测技术中，超声检测以其低廉的成本、广泛的检测范围、相对较高的检测精度等优势获得了普遍应用。

目前，国内外主要采用传统的压电超声技术完成厚度测量。应用该技术检测时，为了保证超声能量顺利地由换能器传递到待测试件中，通常需要对其表面进行清洁、打磨等预处理并涂抹耦合剂(如油、水等)，严重影响了超声测厚的效率和应用范围。

电磁超声技术兴起于二十世纪六七十年代，目前已经逐步在国外得到了广泛应用。近年来，国内的一些专利中也开始采用电磁超声技术对厚度进行测量。如中国专利CN2128729Y《便携式测厚仪》采用了电磁超声原理测厚，该装置主要由脉冲发生器、探头、行程定位及探头保护装置、放大整形电路、采样电路、单片机系统等组成。中国专利CN101398298A《电磁超声测厚方法》基于磁滞伸缩效应机理，采用U型永磁体和“回形”PCB双层线圈设计了检测铁磁材料厚度的装置。这两项专利中，都采用了永磁铁提供磁场，不便于对铁磁性材料的厚度进行测量。中国专利CN2168234Y《电磁超声测厚仪》所涉及的测厚装置主要由脉冲发生器、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。该专利中的电磁铁电磁超声换能器使用了U形软铁，换能器尺寸较大，使用不便。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种无需声耦合剂、无需对试件表面进行预处理、可在各种恶劣环境下对试件厚度进行测量的电磁超声测厚仪及其测量方法。

本发明的目的是这样实现的：所述的电磁超声测厚仪，它是由微控制器1、发射电路2、电磁超声探头3、接收开关4、调理电路5、回波处理系统6、显示系统7和键盘8组成的。微控制器1连接发射电路2，发射电路2连接电磁超声探头3，电磁超声探头3连接接收开关4，接收开关4连接微控制器1，接收开关4连接调理电路5，调理电路5连接回波处理系统6，显示系统7连接微控制器1，键盘8连接微控制器1。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的电磁超声探头3为收发分离式探头，它包括外壳9、屏蔽层10、脉冲电磁铁11、双层PCB线圈12和保护层13；外壳9连接屏蔽层10，屏蔽层10连接脉冲电磁铁11，脉冲电磁铁11连接双层PCB线圈12，双层PCB线圈12连接保护层13。

(2)所述的脉冲电磁铁11不包含铁芯，在超声波的发射接收过程中可提供200μs的强磁场。

(3)所述的双层PCB线圈12采用板厚为0.5mm的PCB在双面进行制作，其中靠近脉冲电磁铁11的一面是发射线圈14，靠近保护层13的为接收线圈15。其中发射线圈14为线宽为1.5mm、直径为15mm的螺旋线圈，接收线圈15为线宽为0.5mm、直径为15mm的螺旋线圈。

(4)所述的回波处理系统6包括数据采集电路16、存储电路17、FIR带通滤波器18、相关检测器19、FIR低通滤波器20、回波位置提取电路21、往返时间生成器22；数据采集电路16连接存储电路17，存储电路17连接FIR带通滤波器18，FIR带通滤波器18连接相关检测器19，相关检测器19连接FIR低通滤波器20，FIR低通滤波器20连接回波位置提取电路21，回波位置提取电路21连接往返时间生成器22。

本发明一种电磁超声测厚方法，工作步骤如下：

步骤一：系统通电初始化；

步骤二：收发分离式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁产生持续时间为200μs的强磁场；接收开关关闭；

步骤三：发射电路产生的大功率超声波驱动信号加在发射线圈上，在待测试件中激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms；

步骤四：打开接收开关；超声波在待测试件中传播，遇到底面会发生反射、散射等，接收线圈接收反射回波信号；

步骤五：回波处理系统采集到回波信号，对其进行处理并提取超声波在试件中往返一次的时间Δt；

步骤六：微控制器读取默认声速或用户通过键盘输入的声速c，计算出试件的厚度h为：

步骤七：微控制器通过显示系统显示出厚度h；

步骤八：重复运行步骤二到步骤七。

本发明一种电磁超声测厚仪及其测量方法，以电磁超声技术为核心，检测时无需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理，因此可在各种恶劣环境(如高温、高速)下对试件厚度进行测量，环境适应性较强，检测效率较高。本发明采用垂直入射体波(横波)进行测厚，由于横波的传播速度约为纵波的一半，因此测量精度是同频率压电超声测厚仪的2倍。本发明所采用的电磁超声探头，采用脉冲电磁铁提供磁场，具有磁场持续时间短的特点，对铁磁性和非铁磁性的试件都可以进行高效检测；采用收发分离式线圈激发和检测超声波，具有较小的测量盲区，测量厚度范围可达3mm～200mm。

(四)附图说明

图1为本发明总体结构框图；

图2为本发明电磁超声探头结构框图；

图3为本发明双层PCB线圈的结构框图；

图4为本发明回波处理系统原理框图；

图5为本发明工作过程示意图。

(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，本发明一种电磁超声测厚仪，它是由微控制器(1)、发射电路(2)、电磁超声探头(3)、接收开关(4)、调理电路(5)、回波处理系统(6)、显示系统(7)和键盘(8)组成的，微控制器(1)连接发射电路(2)，发射电路(2)连接电磁超声探头(3)，电磁超声探头(3)连接接收开关(4)，接收开关(4)连接微控制器(1)和调理电路(5)，调理电路(5)连接回波处理系统(6)，显示系统(7)连接微控制器(1)，微控制器(1)连接键盘(8)。

本发明还有以下技术特征：

所述的电磁超声探头(3)为收发分离式探头，它包括外壳(9)、屏蔽层(10)、脉冲电磁铁(11)、双层PCB线圈(12)和保护层(13)，外壳(9)连接屏蔽层(10)，屏蔽层(10)连接脉冲电磁铁(11)，脉冲电磁铁(11)连接双层PCB线圈(12)，双层PCB线圈(12)连接保护层(13)。

所述的脉冲电磁铁(11)不包含铁芯，在超声波的发射接收过程中可提供200μs的强磁场，且上升和下降时间很短。

所述的双层PCB线圈(12)采用板厚为0.5mm的PCB在双面进行制作，其中靠近脉冲电磁铁(11)的一面是发射线圈(14)，靠近保护层(13)的为接收线圈(15)。其中发射线圈(14)为线宽为1.5mm、直径为15mm的螺旋线圈，接收线圈(15)为线宽为0.5mm、直径为15mm的螺旋线圈。

所述的回波处理系统(6)包括数据采集电路(16)、存储电路(17)、FIR带通滤波器(18)、相关检测器(19)、FIR低通滤波器(20)、回波位置提取电路(21)、往返时间生成器(22)，数据采集电路(16)连接存储电路(17)，存储电路(17)连接FIR带通滤波器(18)，FIR带通滤波器(18)连接相关检测器(19)，相关检测器(19)连接FIR低通滤波器(20)，FIR低通滤波器(20)连接回波位置提取电路(21)，回波位置提取电路(21)连接往返时间生成器(22)。

本发明一种电磁超声测厚方法，工作步骤如下：

步骤一：系统通电初始化；

步骤二：收发分离式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁产生持续时间为200μs的强磁场；接收开关关闭；

步骤三：发射电路产生的大功率超声波驱动信号加在发射线圈上，在待测试件中激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms；

步骤四：打开接收开关；超声波在待测试件中传播，遇到底面会发生反射、散射等，接收线圈接收反射回波信号；

步骤五：回波处理系统采集到回波信号，对其进行处理并提取超声波在试件中往返一次的时间Δt；

步骤六：微控制器读取默认声速或用户通过键盘输入的声速c，计算出试件的厚度h为：

步骤七：微控制器通过显示系统显示出厚度h；

步骤八：重复运行步骤二到步骤七。

实施例2，结合图4，本发明的回波处理系统(6)包括数据采集电路(16)、存储电路(17)、FIR带通滤波器(18)、相关检测器(19)、FIR低通滤波器(20)、回波位置提取电路(21)、往返时间生成器(22)；数据采集电路(16)连接存储电路(17)，存储电路(17)连接FIR带通滤波器(18)，FIR带通滤波器(18)连接相关检测器(19)，相关检测器(19)连接FIR低通滤波器(20)，FIR低通滤波器(20)连接回波位置提取电路(21)，回波位置提取电路(21)连接往返时间生成器(22)。数据采集电路将信号采集到存储器中，FIR带通滤波器对信号进行滤波以提高信噪比，相关检测器对信号进一步处理，通过FIR低通滤波器提取出信号的包络，回波位置提取电路在包络中查找各次回波所在位置，最后由往返时间生成器通过最小二乘数据拟合算法计算出超声波在试件中往返一次所需的时间。

Claims (6)

1.一种电磁超声测厚仪，它是由微控制器(1)、发射电路(2)、电磁超声探头(3)、接收开关(4)、调理电路(5)、回波处理系统(6)、显示系统(7)和键盘(8)组成的，其特征在于：微控制器(1)连接发射电路(2)，发射电路(2)连接电磁超声探头(3)，电磁超声探头(3)连接接收开关(4)，接收开关(4)连接微控制器(1)和调理电路(5)，调理电路(5)连接回波处理系统(6)，显示系统(7)连接微控制器(1)，微控制器(1)连接键盘(8)。

2.根据权利要求1所述的一种电磁超声测厚仪，其特征在于：所述的电磁超声探头(3)为收发分离式探头，它包括外壳(9)、屏蔽层(10)、脉冲电磁铁(11)、双层PCB线圈(12)和保护层(13)，外壳(9)连接屏蔽层(10)，屏蔽层(10)连接脉冲电磁铁(11)，脉冲电磁铁(11)连接双层PCB线圈(12)，双层PCB线圈(12)连接保护层(13)。

3.根据权利要求2所述的一种电磁超声测厚仪，其特征在于：所述的脉冲电磁铁(11)不包含铁芯，在超声波的发射接收过程中可提供200μs的强磁场。

4.根据权利要求2所述的一种电磁超声测厚仪，其特征在于：所述的双层PCB线圈(12)采用板厚为0.5mm的PCB在双面进行制作，其中靠近脉冲电磁铁(11)的一面是发射线圈(14)，靠近保护层(13)的为接收线圈(15)。其中发射线圈(14)为线宽为1.5mm、直径为15mm的螺旋线圈，接收线圈(15)为线宽为0.5mm、直径为15mm的螺旋线圈。

5.根据权利要求1所述的一种电磁超声测厚仪，其特征在于：所述的回波处理系统(6)包括数据采集电路(16)、存储电路(17)、FIR带通滤波器(18)、相关检测器(19)、FIR低通滤波器(20)、回波位置提取电路(21)、往返时间生成器(22)，数据采集电路(16)连接存储电路(17)，存储电路(17)连接FIR带通滤波器(18)，FIR带通滤波器(18)连接相关检测器(19)，相关检测器(19)连接FIR低通滤波器(20)，FIR低通滤波器(20)连接回波位置提取电路(21)，回波位置提取电路(21)连接往返时间生成器(22)。

6.一种电磁超声测厚方法，其特征在于：工作步骤如下：

步骤一：系统通电初始化；

步骤二：收发分离式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁产生持续时间为200μs的强磁场；接收开关关闭；

步骤三：发射电路产生的大功率超声波驱动信号加在发射线圈上，在待测试件中激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms；

步骤四：打开接收开关；超声波在待测试件中传播，遇到底面会发生反射、散射等，接收线圈接收反射回波信号；

步骤五：回波处理系统采集到回波信号，对其进行处理并提取超声波在试件中往返一次的时间Δt；

步骤六：微控制器读取默认声速或用户通过键盘输入的声速c，计算出试件的厚度h为：

步骤七：微控制器通过显示系统显示出厚度h；

步骤八：重复运行步骤二到步骤七。

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