CN102519406B - 基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法 - Google Patents

Abstract

基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法，它涉及水平切变导波测厚方法。它为解决现有采用电磁超声体波测厚法难以实现对厚度为10mm以下的金属试件进行测厚的问题。方法：一：计算水平切变导波的激发方程：二：绘制激发曲线；三：计算求解水平切变导波的群速度方程：四：在已知厚度的参考试件中激发和接收水平切变导波；绘制速度-厚度对应关系曲线；五：测出参考试件中最大和最小速度，根据速度-厚度对应关系得到传播速度；计算位置系数：六：测待测试件中最大和最小速度，再利用位置系数得到待测试件传播速度；七：通过速度-厚度对应关系曲线，由待测试件传播速度计算待测试件的厚度。它可以实现对厚度为10mm以下试件进行测厚目的。

Description

基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法

技术领域

本发明涉及一种水平切变导波测厚方法。

背景技术

超声无损检测技术，主要包括体波检测及导波检测，体波指的是横波或者纵波。如公开号为CN101398298A，发明名称为《电磁超声测厚方法》的中国发明专利；公开号为CN101701809A，发明名称为《一种电磁超声测厚仪机器测量方法》的中国发明专利，申请号为93206367.5，发明名称为《电磁超声测厚仪》的中国实用新型均是采用了体波的脉冲反射法对材料厚度进行测量；体波测厚的原理是通过电磁超声换能器在试件上端面激发体波，向试件下端面传播，并接收经过试件下端面反射回来的超声波，测量传播时间t，体波的传播速度恒定为已知传播速度c，传播路径是即为试件的厚度的两倍，因此通过公式得到厚度d＝c×t×0.5。但是采用电磁超声换能器的体波测厚存在局限性，对于厚度约为10mm以下的试件，尤其是铁磁性材料的试件，反射回波彼此重叠，导致难以分辨传播时间t，无法实现测厚的目的。因此，采用电磁超声体波测厚法难以实现对厚度为10mm以下的金属试件进行测厚。

发明内容

本发明为了解决现有采用电磁超声体波测厚法难以实现对厚度为10mm以下的金属试件进行测厚的问题，而提出的基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法。

基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法，它由如下步骤实现：

步骤一：计算待测试件1中水平切变导波的激发方程：

$\frac{4f^{\′2}}{{c_s}^2}-\frac{1}{L^{\′2}}=n^2,n\∈\{\mathrm{1,2,3}...\}$ 公式1

公式1中，参数c_s表示待测试件1的横波速度；参数L′表示L和d的比值，即为距厚比L′＝L/d；参数L表示电磁超声换能器的曲折线圈间距，参数d表示待测试件1的厚度；参数f′表示f和d的乘积，即为频厚积f′＝f×d，参数f表示电磁超声换能器的激发频率，参数(L′，f′)是电磁超声换能器的设定参数；参数n表示水平切变导波的模式，用SHn表示；当n＝1时为1模式水平切变导波，用SH1表示，同理依次得到SH2模式，SH3模式……SHn模式；

步骤二：根据步骤一所述激发方程绘制水平切变导波各模式的激发曲线；取SHn模式的工作点4(L_n′，f_n′)，所述工作点(L_n′，f_n′)位于激发曲线上的SHn模式的激发曲线上，参数L_n′表示SHn模式水平切变导波的距厚比，参数f_n′表示SHn模式水平切变导波的频厚积；当待测试件1厚度连续变化时，保持电磁超声换能器的线圈间距和激发频率不变，在激发曲线上得到一条工作点轨迹5；

步骤三：所述水平切变导波的群速度即为水平切变导波在待测试件1中的实际传播速度，计算求解水平切变导波的群速度方程：

$c_g=\frac{c_s^2}{2L^{\′}{f}^{\′}}$ 公式2

步骤四：采用步骤二所述SHn模式的参数的电磁超声换能器在已知厚度的参考试件中激发和接收水平切变导波；所述参考试件与待测试件1为同一材质；通过所述电磁超声换能器，在参考试件中产生SHn模式，再根据步骤一所述的激发方程和步骤三中群速度方程，绘制参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线；

步骤五：通过参考试件中接收到的水平切变导波信号，测出所述水平切变导波的最大传播速度c_max和最小传播速度c_min；所述参数c_max和c_min分别是SHn模式回波信号包络峰值下降-20dB时对应的最大传播速度和最小传播速度；再根据步骤四中得到的参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线得到在参考试件的已知厚度的传播速度c_g；并计算所述参考试件的SHn模式的位置系数γ；

步骤六：采用步骤四所述参数的电磁超声换能器在厚度未知的待测试件1中激发出SHn模式的水平切变导波，并根据接收到的水平切变导波的回波信号，测出SHn模式下水平切变导波的回波信号包络峰值下降-20dB处对应的最大传播速度c_max1和最小传播速度c_min1；再根据步骤五所述的位置系数γ，得到待测试件1中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁；

步骤七：通过步骤四所述的参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线，由待测试件1中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁计算出待测试件1的厚度d，实现对待测试件1的测厚目的。

本申请所述测厚方法可以实现基于电磁超声换能器对厚度为10mm以下的试件进行测厚目的。本申请所述基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法利用了导波的频散特性，水平切变导波的传播速度是随着电磁超声换能器的激发频率、待测试件1的厚度以及曲折线圈2的间距等因素变化而变化的。本申请所述测厚方法就是通过找出这种变化规律，得到待测试件1的厚度和水平切变导波传播速度之间的关系，通过测量水平切变导波传播速度来间接求得待测试件1的厚度。

导波测厚相比传统的体波测厚法，具有很高的检测效率。导波能由单点激发，长距离传播，能够对大型板材、管道、锅炉、钢轨、机翼等大型构件进行快速扫查检测。水平切变导波是一种常用的导波类型，其多模式和频散特性较为简单，声波衰减小，易由电磁超声换能器激发，适用于金属材料厚度的测量。本申请所述水平切变导波测厚方法，由电磁超声换能器完成水平切变导波的激发和接收，无需耦合剂，可以对长距离或深埋地下、有包覆层的金属板状和管状试件进行厚度测量，并可以用于高温高速高洁净度等特殊场合。

附图说明

图1为具体实施方式二所述电磁超声换能器的结构示意图，图中虚线表示水平切变导波的传播路径；图2为水平切变导波的激发曲线图；图3为水平切变导波的速度-厚度对应曲线图；图4为具体实施方式四中电磁超声换能器在参考试件中接收到的水平切变导波SH1模式回波的波形图；图5为水平切变导波图4取包络后的波形图；图6为具体实施方式四中电磁超声换能器在待测试件中激发SH1模式水平切变导波，接收到的水平切变导波回波波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法，它由如下步骤实现：

步骤一：计算待测试件1中水平切变导波的激发方程：

$\frac{4f^{\′2}}{{c_s}^2}-\frac{1}{L^{\′2}}=n^2,n\∈\{\mathrm{1,2,3}...\}$ 公式1

公式1中，参数c_s表示待测试件1的横波速度；参数L′表示L和d的比值，即为距厚比L′＝L/d；参数L表示电磁超声换能器的曲折线圈间距，参数d表示待测试件1的厚度；参数f′表示f和d的乘积，即为频厚积f′＝f×d，参数f表示电磁超声换能器的激发频率，参数(L′，f′)是电磁超声换能器的设定参数；参数n表示水平切变导波的模式，用SHn表示；当n＝1时为1模式水平切变导波，用SH1表示，同理依次得到SH2模式，SH3模式……SHn模式；

步骤二：根据步骤一所述激发方程绘制水平切变导波各模式的激发曲线；取SHn模式的工作点4(L_n′，f_n′)，所述工作点(L_n′，f_n′)位于激发曲线上的SHn模式的激发曲线上，参数L_n′表示SHn模式水平切变导波的距厚比，参数f_n′表示SHn模式水平切变导波的频厚积；当待测试件1厚度连续变化时，保持电磁超声换能器的线圈间距和激发频率不变，在激发曲线上得到一条工作点轨迹5；

步骤三：所述水平切变导波的群速度即为水平切变导波在待测试件1中的实际传播速度，计算求解水平切变导波的群速度方程：

$c_g=\frac{c_s^2}{2L^{\′}{f}^{\′}}$ 公式2

步骤四：采用步骤二所述SHn模式的参数的电磁超声换能器在已知厚度的参考试件中激发和接收水平切变导波；所述参考试件与待测试件1为同一材质；通过所述电磁超声换能器，在参考试件中产生SHn模式，再根据步骤一所述的激发方程和步骤三中群速度方程，绘制参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线；

步骤五：通过参考试件中接收到的水平切变导波信号，测出所述水平切变导波的最大传播速度c_max和最小传播速度c_min；所述参数c_max和c_min分别是SHn模式回波信号包络峰值下降-20dB时对应的最大传播速度和最小传播速度；再根据步骤四中得到的参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线得到在参考试件的已知厚度的传播速度c_g；并计算所述参考试件的SHn模式的位置系数γ；

步骤六：采用步骤四所述参数的电磁超声换能器在厚度未知的待测试件1中激发出SHn模式的水平切变导波，并根据接收到的水平切变导波的回波信号，测出SHn模式下水平切变导波的回波信号包络峰值下降-20dB处对应的最大传播速度c_max1和最小传播速度c_min1；再根据步骤五所述的位置系数γ，得到待测试件1中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁；

步骤七：通过步骤四所述的参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线，由待测试件1中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁计算出待测试件1的厚度d，实现对待测试件1的测厚目的。

本实施方式所述待测试件1为金属材料试件，所述电磁超声换能器在待测试件1和参考试件上的装设方式均相同；电磁超声换能器的参数设置均相同。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤五所述计算出所述参考试件的SHn模式的位置系数γ通过公式3得到：

$\mathrm{\γ}=\frac{(c_{\max }-c_g)\·(c_{\max }\·c_g+1)}{(c_g-c_{\min })\·(c_{\min }\·c_g+1)}$ 公式3。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤六所述根据步骤五所述的位置系数γ，得到待测试件1中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁中的求解方程采用公式4：

$\frac{(c_{\max 1}-c_1)\·(c_{\max 1}\·c_1+1)}{(c_1-c_{\min 1})\·(c_{\min 1}\·c_1+1)}-\mathrm{\γ}=0$ 公式4。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，应用于具体实施方式一所述基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法的电磁超声换能器，它由电磁超声换能器由曲折线圈2和U形磁铁3组成，所述曲折线圈2设置在待测试件11的上表面上，所述曲折线圈2位于U形磁铁3两个端部之间，所述U形磁铁3两个端部的极性相反；所述U形磁铁3倒扣放置在待测试件11的上表面上。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述曲折线圈2每相邻两个线圈之间的距离均为L。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式为采用具体实施方式一所述基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法对待测试件1测厚的实施例；

待测试件1和参考试件为板状试件，其材料为普通钢；参考试件厚度为7.29mm，长度为400mm。待测试件1厚度未知，待测试件1和参考试件两次端面反射后的传播路径长度为800mm；

普通钢中横波速度为3.2mm/μs，求解激发方程和群速度方程，绘制水平切变导波的激发曲线和速度-厚度对应曲线，如图2和图3所示。其采用电磁超声换能器的参数，L＝4.0mm，f＝0.46MHz。计算出在参考试件厚度为7.29mm中的工作点4为(0.55，3.36)，位于SH1模式曲线上，可以在参考试件中激发出SH1模式。由图4的速度-厚度对应曲线得出参考试件中的SH1模式传播速度c_g＝2.81mm/μs。

电磁超声换能器接收到水平切变导波的回波波形如图4所示。板状试件的电磁超声回波波形包括主冲击信号6，一次端面反射信号7和二次端面反射后的叠加信号8。取包络后的信号如图5所示。取二次端面反射信号的包络9，其峰值下降-20dB处的两点10和11对应此时最大传播速度c_max＝2.91mm/μs和最小传播速度c_min＝2.58mm/μs，即求出SH1模式的位置系数γ＝0.86。

将电磁超声换能器放置在待测试件上，保持电磁超声换能器的参数不变，此时工作点沿着激发曲线上的轨迹5移动，在待测试件1中激发和接收SH1模式，接收到的波形如图6所示。测出此时最大传播速度c_max1＝2.79mm/μs，最小传播速度c_min1＝2.44mm/μs。由步骤四中得到的γ＝0.86，计算出实际传播速度c₁＝2.67mm/μs。最后，通过图3的速度-厚度对应曲线，由c₁＝2.67mm/μs计算出待测试件1的厚度d₁＝6.08mm。完成测厚目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.基于电磁超声换能器的水平切变导波测厚方法，其特征在于它由如下步骤实现：

步骤一：计算待测试件(1)中水平切变导波的激发方程：

$\frac{4f^{\text{'}2}}{{c_s}^2}-\frac{1}{L^{\text{'}2}}=n^2,n\∈\{\mathrm{1,2,3}...\}$ 公式1

公式1中，参数c_s表示待测试件(1)的横波速度；参数L′表示L和d的比值，即为距厚比L′=L/d；参数L表示电磁超声换能器的曲折线圈间距，参数d表示待测试件(1)的厚度；参数f′表示f和d的乘积，即为频厚积f′=f×d，参数f表示电磁超声换能器的激发频率，参数(L′,f′)是电磁超声换能器的设定参数；参数n表示水平切变导波的模式，用SHn表示；当n=1时为1模式水平切变导波，用SH1表示，同理依次得到SH2模式，SH3模式……SHn模式；

步骤二：根据步骤一所述激发方程绘制水平切变导波各模式的激发曲线；取SHn模式的工作点(4)(L'_n,f'_n)，所述工作点(L′_n,f'_n)位于激发曲线上的SHn模式的激发曲线上，参数L'_n表示SHn模式水平切变导波的距厚比，参数f'_n表示SHn模式水平切变导波的频厚积；当待测试件(1)厚度连续变化时，保持电磁超声换能器的线圈间距和激发频率不变，在激发曲线上得到一条工作点轨迹(5)；

步骤三：所述水平切变导波的群速度即为水平切变导波在待测试件(1)中的实际传播速度，计算求解水平切变导波的群速度方程：

$c_g=\frac{c_s^2}{2L^{\text{'}}{f}^{\text{'}}}$ 公式2

步骤四：采用步骤二所述SHn模式的参数的电磁超声换能器在已知厚度的参考试件中激发和接收水平切变导波；所述参考试件与待测试件(1)为同一材质；通过所述电磁超声换能器，在参考试件中产生SHn模式，再根据步骤一所述的激发方程和步骤三中群速度方程，绘制参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线；

步骤五：通过参考试件中接收到的水平切变导波信号，测出所述水平切变导波的最大传播速度c_max和最小传播速度c_min；所述参数c_max和c_min分别是SHn模式回波信号包络峰值下降-20dB时对应的最大传播速度和最小传播速度；再根据步骤四中得到的参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线得到在参考试件的已知厚度的传播速度c_g；并计算所述参考试件的SHn模式的位置系数γ，位置系数

步骤六：采用步骤四所述参数的电磁超声换能器在厚度未知的待测试件(1)中激发出SHn模式的水平切变导波，并根据接收到的水平切变导波的回波信号，测出SHn模式下水平切变导波的回波信号包络峰值下降-20dB处对应的最大传播速度c_max1和最小传播速度c_min1；再根据步骤五所述的位置系数γ，得到待测试件(1)中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁，所述传播速度c₁采用公式

实现；

步骤七：通过步骤四所述的参考试件中水平切变导波的速度-厚度对应关系曲线，由待测试件(1)中SHn模式下水平切变导波的传播速度c₁计算出待测试件(1)的厚度d，实现对待测试件(1)的测厚目的。

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