CN108613646B - 针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头及方法 - Google Patents

针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头及方法 Download PDF

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Abstract

一种针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头及方法，该探头包括永磁体、激励线圈、检出线圈阵列组以及柔性材料骨架；激励线圈在永磁体的底部中心位置；检出线圈阵列组由多个检出线圈组成，多个检出线圈环绕分布在激励线圈周围构成检出线圈阵列；永磁体产生较强的恒定磁场，当激励线圈通入脉冲激励电流时，试件的上表面会产生涡流，涡流在永磁体的恒定磁场作用下会产生洛伦兹力，引发质点振动，进而在试件上表面产生超声波；超声波在导电材料中传播，遇到粗糙的金属下表面便会被反射出多束超声回波，反射回来的多束超声回波分别被环绕分布在激励线圈周围的阵列检出线圈接收，经过信号处理可计算出导电材料粗糙表面处的厚度分布。

Description

针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头及方法
技术领域
本发明涉及一种针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头及方法。
背景技术
随着近年来我国对核电事业的大力投入，核电站数量和装机容量持续增加。然而，2011年发生的福岛核电站事故再次证明，核电安全问题需得到社会各界人士的高度关注。在核电站安全管理中，定期无损检测是确保系统安全运行的重要手段。核电站的一些关键部件由于生产、使用时产生的拉应力状态及轻水堆核电站水环境影响而容易造成缺陷，同时在弯管和节流孔处经长期液体冲击腐蚀可能出现管壁凹凸不平无规则的局部减薄现象。这些都会对核电结构的安全及可靠性造成严重威胁。传统电磁超声检测方法特征是检出线圈只有一个，缺点是检出效率低，检出线圈空间分辨率低，只适用于下表面为光滑表面的试件的测厚，不适用于定量下表面为粗糙表面的试件的厚度。
本发明在传统方法的基础上，主要针对凹凸不平无规则的管壁减薄现象设计了一种改进型阵列电磁超声共振探头及测厚方法，检出线圈的数量增多，接收反射信号的范围大大增加，显著提高了探头的检出效率。并且，不仅能够定量光滑表面试件的厚度，还能有效定量粗糙表面试件的厚度。同时，由于检出线圈的直径小，这有利于提高对试件检测的空间分辨率，即提高了检测灵敏度。因此，本发明有效地解决了在检测粗糙表面试件的厚度时存在的回波由于漫反射而无法被接收到的问题，适用于粗糙表面结构的厚度定量评估。该探头及方法可同等适用于薄板及管道厚度的定量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头及方法，该发明检测灵敏度高，能够有效地定量粗糙表面试件的厚度分布。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头，包括永磁体1、柔性材料骨架2和线圈3；所述线圈3包括一个激励线圈5以及由多个检出线圈阵列嵌套组成的检出线圈阵列组；检测时，线圈3位于试件4表面，永磁体1正下方是激励线圈5，激励线圈5正下方是检出线圈阵列组，永磁体1和线圈3由柔性材料骨架2固定成一体。
所述永磁体1由两个大小相同正负极相反的矩形磁铁贴合组成，每个矩形磁铁的长为20mm，宽为10mm，高为20mm；所述激励线圈5的直径为10mm，线圈匝数为40；所述检出线圈阵列组中的每个检出线圈大小均相同，直径为10mm，线圈匝数为40。
所述检出线圈阵列组由内外两层检出线圈阵列组成。
所述内层检出线圈阵列由四个检出线圈组成，外层检出线圈阵列由十二个检出线圈组成。
永磁体1和激励线圈5的尺寸能够根据需要，改变，检出线圈阵列组中检出线圈的尺寸、数量和匝数也能够根据需要增减。
所述的阵列电磁超声共振探头进行测厚的方法，
首先，激励线圈5通入规定超声频率的脉冲激励电流，在试件4的上表面将产生涡流，这些涡流在永磁体1的恒定磁场作用下产生洛伦兹力，引发质点振动，进而在试件4中产生波长为λ的超声波；该超声波是横波，超声波在试件4中传播遇到下表面将被反射出多束超声回波，反射回来的多束超声回波分别被环绕分布在激励线圈5周围的检出线圈阵列组接收；当超声波的波长λ满足nλ＝2d时便能产生电磁超声共振现象，共振频率fn为
式中，v为超声波的传播速度，d为试件的厚度，n为超声波在试件中往返传播时波长的倍数，fn为共振频率；
当n＝1时，对应的共振频率为f1；此时，试件的厚度d根据式(2)计算出；
为了进一步提高当n＝1时，共振频率f1的计算精度，将n个波长的波谱沿着频率轴进行叠加，则信号振幅的最大波峰出现在共振频率处；基于此，共振频率f1根据下式计算，
式中，x(f)为波谱方程，arg max为取所给方程的最大参数值；如此，便能定量出试件4被检位置的厚度；
其次，电磁超声共振探头在试件4的上表面进行扫描，激励线圈5通入脉冲激励信号，检出线圈阵列组的每个检出线圈实时接收当前位置的反射超声信号，对每个检出线圈的检出信号进行信号处理，计算出试件4每个位置的厚度分布，通过信号处理显示出试件4的粗糙表面构型。
本发明和现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明由于检出线圈设计成阵列的形式，不仅能够检测出光滑表面试件的厚度，还解决了在检测粗糙表面试件的厚度分布时存在的超声回波由于漫反射而无法被接收到的问题，具有广泛的应用前景。
2、本发明检出线圈的数量明显增加，接收反射信号的范围大大增加，显著提高了探头的检出效率，不仅能够定量光滑表面试件的厚度，还能有效定量粗糙表面试件的厚度分布。
3、同时由于检出线圈的直径减小了一半，这有利于提高对试件检测的空间分辨率，即提高了检测灵敏度。
因此，本发明能够有效解决在检测粗糙表面试件的厚度分布时存在的回波由于漫反射而无法被接收到的问题。
附图说明
图1为本发明探头的结构示意图。
图2为本发明探头中线圈的结构示意图。
图3为电磁超声共振原理示意图。
图4为电磁超声测厚系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本实施例一种针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头，包括永磁体1、柔性材料骨架2和线圈3。所述线圈3包括一个圆形激励线圈5和16个圆形检出线圈，编号为6-21；其中，内层4个检出线圈6-9和外层12个检出线圈10-21构成内外两个检出线圈阵列；检测时，线圈3位于试件4表面，永磁体1正下方是激励线圈5，激励线圈5正下方是检出线圈阵列组，永磁体1和线圈3由柔性材料骨架2固定成一体。所述检出线圈阵列能够检测出试件4的厚度，并能够通过信号处理显示出试件4的粗糙表面构型。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体1由两个大小相同正负极相反的矩形磁铁贴合组成，每个矩形磁铁的长为20mm，宽为10mm，高为20mm；所述激励线圈5的直径为10mm，线圈匝数为40；所述检出线圈阵列组中的每个检出线圈大小均相同，直径为10mm，线圈匝数为40。
本发明的工作原理为：本发明是为了实现试件4的板壁减薄的准确定量评估而设计的一种针对粗糙表面金属测厚的改进型阵列电磁超声共振探头，电磁超声共振法的基本原理是超声波在试件中的全厚度共振，如图3所示。特别注明，本发明同样适用于管状结构管壁减薄的定量评估。
首先，激励线圈5接通规定超声频率的脉冲激励电流，在试件4(导电材料)的表面附近将产生涡流，这些涡流在永磁体1的恒定磁场作用下产生洛伦兹力，引发质点运动，进而在试件4中将产生波长为λ的超声波。该超声波是横波，超声波在试件4中传播遇到下表面将被反射出多束超声回波，反射回来的多束超声回波分别被环绕分布在激励线圈5周围的检出线圈接收。当波长λ满足nλ＝2d时便可产生电磁超声共振现象，共振频率fn为
式中，v为超声波的传播速度，d为试件厚度，n为超声波在试件中往返传播时波长的倍数，fn为共振频率。
当n＝1时，对应的共振频率为f1。此时，试件的厚度d可根据式(2)计算出。
为了进一步提高共振频率f1的计算精度，将n个波长的波谱沿着频率轴进行叠加，则信号振幅的最大波峰应出现在共振频率处。基于此，共振频率f1可根据下式计算，
式中，x(f)为波谱方程，arg max为取所给方程的最大参数值。如此，便可定量出试件4被检位置的厚度。
其次，电磁超声共振探头在试件4的上表面进行扫描，激励线圈5通入脉冲激励信号，检出线圈阵列组的每个检出线圈实时接收当前位置的反射超声信号，对每个检出线圈的检出信号进行信号处理，计算出试件4每个位置的厚度分布，通过信号处理显示出试件4的粗糙表面构型。
如图4所示，为电磁超声测厚系统示意图，其反映了具体的实施过程。
电磁超声信号发生器给激励线圈施加一定频率的脉冲激励电流，在试件4的表面附近将产生涡流，这些涡流在永磁体1的恒定磁场作用下产生洛伦兹力，引发质点运动，进而在试件4中将产生波长为λ的超声波。该超声波是横波，超声波在试件4中传播遇到下表面将被反射出多束超声回波，反射回来的多束超声回波分别被环绕分布在激励线圈周围的阵列检出线圈接收。检出信号经过信号放大器放大后传输给滤波器进行信号滤波降噪处理，降噪后的信号在示波器上显示其波形图。然后通过数据采集分析系统提取数据并进行处理，以获得缺陷参数信息，从而定量试件4减薄位置处的厚度分布。

Claims (5)

1.一种针对粗糙表面金属测厚的阵列电磁超声共振探头进行测厚的方法，该阵列电磁超声共振探头包括永磁体(1)、柔性材料骨架(2)和线圈(3)；所述线圈(3)包括一个激励线圈(5)以及由多个检出线圈阵列嵌套组成的检出线圈阵列组；检测时，线圈(3)位于试件(4)表面，永磁体(1)正下方是激励线圈(5)，激励线圈(5)正下方是检出线圈阵列组，永磁体(1)和线圈(3)由柔性材料骨架(2)固定成一体；
其特征在于：所述测厚的方法如下：
首先，激励线圈(5)通入规定超声频率的脉冲激励电流，在试件(4)的上表面将产生涡流，这些涡流在永磁体(1)的恒定磁场作用下产生洛伦兹力，引发质点振动，进而在试件(4)中产生波长为λ的超声波；该超声波是横波，超声波在试件(4)中传播遇到下表面将被反射出多束超声回波，反射回来的多束超声回波分别被环绕分布在激励线圈(5)周围的检出线圈阵列组接收；当超声波的波长λ满足nλ＝2d时便能产生电磁超声共振现象，共振频率fn为
式中，v为超声波的传播速度，d为试件的厚度，n为超声波在试件中往返传播时波长的倍数，fn为共振频率；
当n＝1时，对应的共振频率为f1；此时，试件的厚度d根据式(2)计算出；
为了进一步提高当n＝1时，共振频率f1的计算精度，将n个波长的波谱沿着频率轴进行叠加，则信号振幅的最大波峰出现在共振频率处；基于此，共振频率f1根据下式计算，
式中，x(f)为波谱方程，arg max为取所给方程的最大参数值；如此，便能定量出试件(4)被检位置的厚度；
其次，电磁超声共振探头在试件(4)的上表面进行扫描，激励线圈(5)通入脉冲激励信号，检出线圈阵列组的每个检出线圈实时接收当前位置的反射超声信号，对每个检出线圈的检出信号进行信号处理，计算出试件(4)每个位置的厚度分布，通过信号处理显示出试件(4)的粗糙表面构型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述永磁体(1)由两个大小相同正负极相反的矩形磁铁贴合组成，每个矩形磁铁的长为20mm，宽为10mm，高为20mm；所述激励线圈(5)的直径为10mm，线圈匝数为40；所述检出线圈阵列组中的每个检出线圈大小均相同，直径为10mm，线圈匝数为40。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述检出线圈阵列组由内层检出线圈阵列和外层检出线圈阵列组成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述内层检出线圈阵列由四个检出线圈组成，外层检出线圈阵列由十二个检出线圈组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：永磁体(1)和激励线圈(5)的尺寸能够根据需要改变，检出线圈阵列组中检出线圈的尺寸、数量和匝数也能够根据需要增减。
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