CN111351453B - 一种基于电磁超声波的智能测厚装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁超声波的智能测厚装置，它的组成包括：组合式电磁超声换能器(1)，智能控制模块(2)，超声发射模块(3)，超声接收模块(4)，虚拟仪器(5)，其特征在于：智能控制模块(2)连接虚拟仪器(5)，同时控制超声发射模块(3)和组合式电磁超声换能器(1)。本发明的技术效果：1)采用组合式电磁超声换能器使得测厚装置扩大检测范围，提高测厚精度；2)自动实现不同结构线圈、磁体与不同被测式样的最佳组合，不同结构的电磁超声换能器，使得测厚装置应用范围进一步扩大，测厚精度进一步提高；3)采用智能控制模块使得测厚装置能够自动实现高精度检测，最大限度减少人为造成的误差。

Description

一种基于电磁超声波的智能测厚装置

技术领域

本申请涉及电磁超声技术领域，具体而言，涉及一种电磁超声测厚装置。

背景技术

电磁超声检测作为无损检测领域的一个重要分支，已经被广泛应用于钢铁、电力、石油、交通运输、医疗等领域。电磁超声换能器是电磁超声检测中超声波激发和接收的核心部件。

电磁超声换能器由三个部分组成——提供偏置磁场的磁体、产生脉冲磁场的线圈以及在其内部激发和传播超声波的被测式样。线圈和磁体的不同组合方式，可产生多种类型和模式的超声波。

不同结构的电磁超声换能器，通过改变偏置磁场的大小和方向、高频电流的大小及其频率、线圈的形状和尺寸，可以控制其产生的超声波的类型、强弱、频率及其传播方向等参数，同时，也改变接收超声波的工作带宽等参数。

综上所述，不同结构线圈、磁体与不同被测式样的组合，可在被测试件内部激发出不同类型或模式的超声波，并有电磁超声换能器不同的应用。

发明内容

针对上述情况，本发明提出的一种智能装置，能够自动实现不同结构线圈、磁体与不同被测式样的最佳组合，不同结构的电磁超声换能器，使得测厚装置应用范围扩大，测厚精度进一步提高。具体技术方案如下：

一种基于电磁超声波的智能测厚装置，它的组成包括：组合式电磁超声换能器1，智能控制模块2，超声发射模块3，超声接收模块4，虚拟仪器5。智能控制模块2连接虚拟仪器5，同时控制超声发射模块3和组合式电磁超声换能器1。

智能控制模块2的控制核是一个32位微处理器，接受来自虚拟仪器5的被测试件的测量深度和被测试件的材料属性的输入信号，微处理器内置优化算法，微处理器输出信号是控制组合式电磁超声换能器1的探头选择执行机构和超声发射模块3的输出频率,探头选择执行机构根据微处理器发出的输出信号，在组合式电磁超声换能器1中选择不同结构线圈、永磁体与不同被测试件的组合。

组合式电磁超声换能器1组成包括：匹配电路，被测试件，三种结构的偏平线圈，三种结构的永磁体。

三种结构的偏平线圈分别为回折线圈、螺旋线圈和跑道线圈。

三种结构的永磁体分别为垂直偏置、水平偏置和周期性偏置。

超声发射模块3组成包括：输出滤波调谐电路，激励信号产生，驱动控制电路。

超声接收模块4组成包括：限幅、前置差分放大、选频放大、比例放大与滤波电路。

微处理器内置优化算法是BP神经网络。

本发明的技术效果：1)采用组合式电磁超声换能器使得测厚装置扩大检测范围，提高测厚精度；2)自动实现不同结构线圈、磁体与不同被测式样的最佳组合，不同结构的电磁超声换能器，使得测厚装置应用范围进一步扩大，测厚精度进一步提高；3)采用智能控制模块使得测厚装置能够自动实现高精度检测，最大限度减少人为造成的误差。

附图说明

图1基于电磁超声的智能测厚装置组成图。

图2智能控制模块组成图。

图3电动执行器原理框图。

图4电磁超声换能器。

图5超声发射模块图。

图6超声接收模块图。

图7发射电路全桥逆变原理图。

图8电磁超声换能器的线圈结构图。

图9电磁超声换能器的磁体结构图。

图中：1为组合式电磁超声换能器，2为智能控制模块，3为超声发射模块，4为超声接收模块，5为虚拟仪器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

1.装置的整体情况

1)一种基于电磁超声波的智能测厚装置，它的组成包括：组合式电磁超声换能器1，智能控制模块2，超声发射模块3，超声接收模块4，虚拟仪器5。智能控制模块2连接虚拟仪器5，同时控制超声发射模块3和组合式电磁超声换能器1。如图1所示。

2)智能控制模块2的控制核是一个32位微处理器，接受来自虚拟仪器5的被测试件的测量深度和被测试件的材料属性的输入信号，微处理器内置优化算法，微处理器输出信号是控制组合式电磁超声换能器1的探头选择执行机构和超声发射模块3的输出频率,探头选择执行机构根据微处理器发出的输出信号，在组合式电磁超声换能器1中选择不同结构线圈、永磁体与不同被测试件的组合。如图2所示。

3)组合式电磁超声换能器1组成包括：匹配电路，被测试件，三种结构的偏平线圈，三种结构的永磁体。如图4所示。

4)三种结构的偏平线圈分别为回折线圈、螺旋线圈和跑道线圈。如图8所示。

5)三种结构的永磁体分别为垂直偏置、水平偏置和周期性偏置。如图9所示。

6)超声发射模块3组成包括：输出滤波调谐电路，激励信号产生，驱动控制电路。如图5所示。

7)超声接收模块4组成包括：限幅、前置差分放大、选频放大、比例放大与滤波电路。如图6所示。

8)微处理器内置优化算法是BP神经网络。

2.电动执行器

电动执行器分角行程、直行程两大类。根据信号制和全行程时间的不同，又分基型品种和多个派生品种。在自动控制系统中，它们和不同型号电动操作器配用，可实现过程参数的自动控制，控制系统的手动/自动双向无扰切换，中途限位及远方手操等功能。

电动执行器由伺服放大器和伺服机构两大部件配套组成。图3为电动执行器原理框图。它是一个位置自动控制系统。来自控制仪表的控制信号和由位置发送器返回的阀位反馈信号的偏差，经伺服放大器进行功率放大，然后驱动伺服电机，使减速器推动调节机构朝减小偏差方向转动，输出轴最后稳定在与控制信号相对应的转角位置上，电动操作器的作用是进行控制系统的手动/自动切换及远方手动操作。

其组成包括：伺服放大器，电动操作器，伺服机构，伺服电机，减速器，位置发送器。

3.电磁超声换能器

永磁体可以提供高达1T的恒定偏置磁场。匹配电路使换能器的转换效率提高。被测工件为铁磁性材料或导体，超声发射电路包括功率放大器、脉冲产生电路和频率调节器。功率放大器为脉冲产生电路进行充电，频率调节器调节产生的窄脉冲的脉宽和正弦波的频率，该电路核心器件是可编程逻辑器件(FPGA)，可以通过在线编程调节任意频率的波形，电磁超声换能器接收超声回波信号后，经过放大、滤波、数据采样，进入PC，经过数字信号滤波，进行厚度的求值运算。放大滤波后的波形也可以通过示波器进行观察。测厚装置结构如图3所示。

4.电磁超声换能器的线圈和磁体

试件内产生超声波的动力来源于洛伦兹力和磁致伸缩力，在洛伦兹力机理电磁超声换能器中，待测试件所受的洛伦兹力与偏置磁场以及试件内的涡流成正比，对于磁致伸缩机理电磁超声换能器，待测试件所受磁致伸缩力与待测试件工作点的压磁系数和动态磁场对坐标的导数成正比。这两个力的大小和方向均与静态磁场和动态磁场的大小和方向有关。对回折线圈电磁超声换能器来说，力的方向决定了试件内产生的超声波的模式，力的大小决定了产生的超声波幅值的大小。

1)线圈折间距对电磁超声换能器性能的影响

在回折线圈的设计过程中，一般需满足导波的波长与线圈结构的匹配条件，即

D＝(2n+1)λ,n＝0,1,2,…

其中，D为回折线圈的空间周期；λ为导波的波长，一般取n＝0，即D＝λ。其目的是采用回折线圈的空间周期性特点通过对超声波的叠加或抵消来增强所要激发的超声波模式的信号，减弱其他模式的超声波信号。

导波的波长与频率间满足关系

D＝λ＝c/f

其中，c为选定模式超声波的相速度。

通过改变线圈的折间距，研究折间距的变化对电磁超声换能器特性的影响。在激励频率为310kHz,激励A。模式Lamb波时对应的回折线圈的空间周期D＝6.5mm，分别改变激发和接收线圈的空间周期，观察接收线圈接收到的信号的变化，当增大和减小接收线圈的空间周期时，接收信号的幅值都会减小，且信号的波形也会发生变化。可见，改变激发线圈和接收线圈的空间周期对接收信号有相同的影响。

因此，在进行回折线圈的设计时，保证激发线圈和接收线圈具有相同的空间周期，且该周期与所要激发的超声波模式的波长相匹配时，可实现该种模式超声波的最大效率激发和接收。

2)线圈回折数对电磁超声换能器性能的影响

回折线圈的多折结构可增强所要激发的超声波模式的信号，减弱其他模式的超声波信导。保证线圈的激励电流不变，分别改变激发线圈和接收线團的回折数，观察接收信号的变化情况。

当激发线圈折数增加时,由于线圈回折结构的调节作用，导波接收信号的幅值增加，信号波包宽度增加。因此，在进行回折线圈折数选择时，需综合考虑线圈回折数变化的影响，当需要较大的信号辐值和较小的其他模式信号干扰来提高检测灵敏度而不需考虑信号波包的寬度时，可增加回折线圈的回折数；当需要信号波包宽度较窄来提高检测信号的分辨率时，可减少的回折线圈的回折数。一般情况下需要兼顾这两个方面来设计回

不同结构线圈、磁体与不同被测试件的组合，可在被测试件内部激发出不同类型或模式的超声波，并有不同的应用。回折形线圈与方形永磁体组合，可在非铁磁试件内激发出Lamb波；回折形线圈与马蹄形永磁体结合，可分别在铁磁试件和非铁磁试件中激发出Lamb波和Raylcigh波，具体能激发出哪种类型的超声波，与线圈的尺寸和激励信号的频率等有关，还可能在铁磁试件中激发出SH模式的导波。螺旋形线圈和跑道形线圈则主要用于在铁磁试件中激发体波，用于对被测试件厚度的测量，而它们与方形永磁体组合，可能产生横波，或与马蹄形永磁体组合，能产生纵波。跑道形线圈与周期性永磁体组合，可在铁磁和非铁磁材料中激发出和接收到SH导波。

不同结构的电磁超声换能器，通过改变偏置磁场的大小和方向、高频电流的大小及其频率、线圈的形状和尺寸，可以控制其产生的超声波的类型、强弱、频率及其传播方向等参数，同时，也可改变接收超声波的工作带宽等参数。

为在被测试祥表面和近表层形成强偏置磁场，需要采用高场强的磁性材料制作磁铁，具体地，既可采用永磁铁，也可采用电磁铁。采用电磁铁的好处，是其磁场强度容易被调节，用在交流磁化场合时，其形成的磁场具有一定的趋肤效果，能够增强偏置磁场的强度。采用永磁体的优点，是磁铁体积小，可使整个电磁超声换能器结构紧凑。要注意的是，虽然使用永磁铁可使电磁超声换能器结构较为紧凑，但同时会受到温度和磁场强度的限制。对于电磁超声换能器所需的磁体，须要进行合理设计，以产生较强的磁场以及合适的磁场方向。磁体的结构有方形、马蹄形和周期性永磁体。

电磁超声换能器用线圈主要有螺旋形、跑道形、折线形线圈，先后经历了排线、薄膜、导线、印刷电路等制作工艺的改进。

能够增强偏置磁场的强度。采用永磁体的优点，是磁铁体积小，可使整个电磁超声换能器结构紧凑。要注意的是，虽然使用永磁铁可使电磁超声换能器结构较为紧凑，但同时会受到温度和磁场强度的限制。对于电磁超声换能器所需的磁体，须要进行合理设计，以产生较强的磁场以及合适的磁场方向。

5.发射电路全桥逆变原理

线圈激励需用一个高压大功率发射电路为线圈提供激励，发射电路要产生高频的正弦信号或脉冲信号，根据现有技术及电磁超声测厚的要求，采用全桥逆变功率放大电路产生正弦波，采用单个开关管对电容进行充放电以产生高压窄脉冲。

全桥逆变功率放大发射电路的原理如图7所示，220V工频交流市电通过一个可调变压器接人整流桥，通过全桥整流变为直流，为逆变电路提供输入电压，在交流输入端，四个二极管组成的全桥整流电路把交流电压转变为最高可达400V的直流电压。全桥逆变电路输出电压的峰值接近于输入端的直流电压，而半桥电路的输出电压峰值只有前端整流后的直流电压一半左右。相对于半桥逆变电路来讲，全桥电路的效率要高。电感L₁为整流后的滤波环节，可以滤掉整流过程中产生的高频尖刺脉冲，后端的电容C为大容量的高压充电电容，使输入端形成比较稳定的直流电压。F₁为可熔断保险丝，防止开关管中通过的电流过流，起到限制通过开关管平均电流的作用。全桥逆变电路主要包括驱动模块、逆变模块和调谐滤波模块三部分。信号产生模块产生的脉冲信号驱动能力有限，首先需要经过驱动模块放大后再驱动功率开关管；逆变模块选用高频高压电力电子大功率开关管，通过控制开关管的开通和关断，输出对称方波脉冲；最后.经过调谐模块将其调谐为近似正强脉冲。其中，缓冲电路用于吸收开关管导通和关断过程中产生的尖脉冲和噪声。

6.虚拟仪器

内置于便携式电脑内的虚拟仪器软件模块是由计算机的部分系统软件，工具软件和专为虚拟生物医学测量仪器设计的医学应用软件三部分组成的。主要功能是实现对整个仪器的有效管理，特别是生物医学信号的处理分析、存储、显示、打印等功能。最后提供友好的人机交互界面；实现比普通专用生物医学测量仪器更方便、快捷、可靠的操作；以及图形化的结果显示和自动化统计分析功能等。

虚拟生物医学测量仪器硬件接口设计实质上是面向计算机总线的设计，因此必须遵循计算机系统总线的标准。

一种是专用于笔记本电脑的PCMCIA(Personal Computer Memory CardInternational Association)总线，适用于移动环境下的生物医学仪器设计。

LabVIEW是美国NI公司研制的采用图形编程的虚拟仪器系统软件，它主要包括数据采集、实时控制、数据分析和数据显示等功能，它提供了一种新的编程语言：G语言，这是一种完全采用图形方式进行软件模块化设计的崭新方法。

LabVIEW由前面板、流程方框图和图标/连接器组成。其中前面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口。LabVIEW的程序语言是图形化，其程序采用了数据流驱动。

LabVIEW的核心是软件模块VI(借用Virtual Instrumentation缩写字头命名)，VI有一个人机对话的用户界面—前面板(front panel)和类似于源代码功能方面的方框图(diagram)。前面板接受来自方框图的命令。在VI的前面板中，控件(controls)模拟输入仪器的输入装置并把数据提供给VI的方框图；而指示器(indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或者产生的数据。

用LabVIEW编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上的适当位置；然后用导线(wires)连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单算术功能，高级的采集和分析VI以及实现用来存储和检索数据文件输入输出功能和网络功能。

用LabVIEW编制出图形化VI是分层次和模块化的。将之用于顶层程序。也可以用作其他程序或者子程序的子程序。一个VI用在其他VI中，称之为subVI,subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为了一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级子任务的组合，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。

图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。创建虚拟仪器的过程共分三步：

(1)虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。

(2)虚拟仪器从流程图中接收命令(用G语言创建)。流程图是一个编程问题的图形化解决方案。流程图也是虚拟仪器的源代码。

(3)一个虚拟仪器的图标和连接就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或者子程序中的子程序(子仪器)。

7.BP神经网络智能算法

BP网络是通过将网络输出误差反馈回传来对网络参数进行修正，从而实现网络的映射能力。业已证明，具有一个隐层的3层BP网络可以有效地逼近任意连续函数，这个3层网络包括输入层、隐层和输出层。考虑到实际应用当中对于网络预测泛化性能的要求，网络设计应坚持尽可能减小网络复杂性的原则。3层BP网络模型预测混沌时间序列，输入层节点只传递输入信号到隐层，隐层采用双曲正切S型函数对数据处理后送给输出节点，输出节点是简单的线性函数。BP网络的训练方法很多，这里采用Levengerg_Marquardt训练方法，训练中的误差性能函数设为每次批处理后误差的平方和。对于一个给定的混沌时间序列，其具体的预测步骤如下：

(1)为了便于预测，首先对获得的混沌时间序列进行归一化处理。归一化方法为：

(2)选择合适的m和τ重构系统的状态相空间，依据预测步长要求构造训练数据。输入数据为：Y(k)＝[y(k),y(k-τ),L,y(k-(m-1)τ)]，k＝1,2,L,N，输出数据为y(k+Δt)，k＝1,2,L,N。

(3)设计BP网络结构。网络的输入节点数目为重构相空间的维数m，根据具体情况选择合适的隐节点数目，因为每次只是预测出一个数据点，输出节点为单节点。

(4)依次输入训练数据Y_k和对应的理想输出数据y(k+Δt)，对BP网络进行训练。训练结束以后就可以利用该网络进行预测。

(5)为了衡量BP网络的预测精度，对训练数据和测试数据分别采用均方误差(MSE)和相对误差(Perr)作为评测标准：

Claims (7)

1.一种基于电磁超声波的智能测厚装置，它的组成包括：组合式电磁超声换能器(1)，智能控制模块(2)，超声发射模块(3)，超声接收模块(4)，虚拟仪器(5)，智能控制模块(2)连接虚拟仪器(5)，同时控制超声发射模块(3)和组合式电磁超声换能器(1)，其特征在于：所述智能控制模块(2)的控制核是一个32位微处理器，接受来自虚拟仪器(5)的被测试件的测量深度和被测试件的材料属性的输入信号，微处理器内置优化算法，微处理器输出信号是控制组合式电磁超声换能器(1)的探头选择执行机构和超声发射模块(3)的输出频率,探头选择执行机构根据微处理器发出的输出信号，在组合式电磁超声换能器(1)中选择不同结构线圈、永磁体与不同被测试件的组合。

2.根据权利要求1所述的智能测厚装置，其特征在于：所述组合式电磁超声换能器(1)组成包括：匹配电路，被测试件，三种结构的偏平线圈，三种结构的永磁体。

3.根据权利要求2所述的智能测厚装置，其特征在于：所述三种结构的偏平线圈分别为回折线圈、螺旋线圈和跑道线圈。

4.根据权利要求2所述的智能测厚装置，其特征在于：所述三种结构的永磁体分别为垂直偏置、水平偏置和周期性偏置。

5.根据权利要求1所述的智能测厚装置，其特征在于：所述超声发射模块(3)组成包括：输出滤波调谐电路，激励信号产生，驱动控制电路。

6.根据权利要求1所述的智能测厚装置，其特征在于：所述超声接收模块(4)组成包括：限幅、前置差分放大、选频放大、比例放大与滤波电路。

7.根据权利要求1所述的智能测厚装置，其特征在于：所述微处理器内置优化算法是BP神经网络。

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