专利名称：电磁超声板材自动探伤方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波检测技术，具体说就是一种电磁超声板材自动探伤方法及其装置。
(二)
背景技术：
随着载人航天、探月工程、国产大飞机、航空母舰、高速铁路等项目的顺利开展和 日渐成熟，我国金属板材需求量迅速增加。然而，由于加工工艺限制，金属板材在生产过程 中不可避免地存在分层、夹渣、裂纹和氧化膜等缺陷。作为控制产品质量的必要环节，生产 中必须通过无损检测技术及时剔除超标的残次品。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金属板材的无损检测。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金属板材中，通常需要对表面进行清 洁、打磨等预处理，且要求换能器与板材间必须充满纯净的耦合剂(如油、水等)。此类设备 需要对表面进行预处理并依赖耦合剂，因此劳动强度大、检测效率低。 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，国内的一些发明专利中也开始采用电磁超声技术对金属板材进行探伤。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 高壁厚板材探伤的要求。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》采用带铁芯的电磁铁为探伤线圈提供磁场，形成两个探伤区， 对40mm以下的钢板进行在线检测。由于铁芯的存在，电磁铁提供的磁场持续时间较长，影 响了探伤的效率。每个探头两个探伤区的存在也不利于缺陷的定位。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种对厚度在100mm以下的金属板材进行全面快速检测、 准确检测出各种类型缺陷的电磁超声板材自动探伤方法及其装置。 本发明的目的是这样实现的所述的电磁超声板材自动探伤装置，它是由发射器、 扫查系统、接收器、数据采集系统和回波信号处理系统组成的，发射器连接扫查系统，扫查 系统连接接收器，接收器连接数据采集系统，数据采集系统连接回波信号处理系统，回波信 号处理系统分别连接扫查系统和数据采集系统。
本发明还有以下技术特征 (1)所述的发射器包括发射控制器、驱动电路、升压电路和功率放大电路，发射控
制器分别连接驱动电路和升压电路，功率放大电路分别连接升压电路和驱动电路。
(2)所述的扫查器包括定位系统、微控制器、步进马达、舵机、车体、固定装置和电磁超声探头，定位系统连接微控制器，微控制器分别连接步进马达和舵机，步进马达、舵机 连接车体，车体连接固定装置，固定装置连接电磁超声探头。 (3)所述的电磁超声探头包括脉冲电磁铁、双螺旋线圈和保护层，脉冲电磁铁连接 双螺旋线圈，双螺旋线圈连接保护层，电磁超声探头为收发一体式探头，脉冲电磁铁不包含 铁芯。 (4)所述的接收器包括接收模拟开关、模拟滤波器、高增益低噪声放大器和电平变 换电路，接收模拟开关连接模拟滤波器，模拟滤波器连接高增益低噪声放大器，高增益低噪 声放大器连接电平变换电路。 (5)所述的回波信号处理系统包括回波信号处理模块、微控制器、存储单元和液 晶，回波信号处理模块连接微控制器，微控制器分别连接存储单元和液晶，回波信号处理模 块采用FPGA实现。 本发明一种电磁超声板材自动探伤方法，工作步骤如下
步骤一 系统通电初始化； 步骤二 收发一体式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁产生持续时间为200 ii s的 强磁场；接收模拟开关关闭； 步骤三发射器产生的大功率超声波驱动信号加在双螺旋探伤线圈上，在待测板 材中激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms ; 步骤四超声波在待测板材中传播，遇到缺陷会发生反射、散射等，打开接收模拟 开关，收发一体探头接收缺陷和底面的反射波信号； 步骤五数据采集系统的高速AD将调理后的反射波信号采集到FPGA中；
步骤六FPGA内部的数字信号处理模块利用缺陷和底面的反射波综合判断缺陷 的有无和大小，若判断结果为"是"则运行步骤七，若判断结果为"否"则运行步骤八；
步骤七微控制器将缺陷的大小和位置存入存储单元中并在液晶上显示出来；
步骤八扫查装置在待测板材上匀速向前运动； 步骤九当扫查装置运行到待测板材的边缘时，横向移动2cm，重复运行步骤二到 步骤八； 步骤十扫查装置将待测板材检测完毕后，液晶显示出整块板材上的缺陷分布情况。
本发明电磁超声板材自动探伤方法及其装置，以电磁超声技术为核心，检测时无 需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理，因此可在各种恶劣环境(如高温、高速)下对板 材进行在线检测，环境适应性较强，检测效率较高。采用垂直入射体波进行探伤，可对较大 厚度的板材进行检测。本发明所采用的电磁超声探伤探头，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板材都可以进行高效检测。本发明将底面 和缺陷的回波相结合，减小了检测盲区，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。采用基于FPGA的数字信号处理模块对接收信号进行在线 处理，具有较高的检测精度和实时性。检测板材壁厚范围较广，最高可达100mm，满足了厚壁 板材检测的要求。
图1为本发明总体结构框5
图2为本发明发射器结构框图； 图3为本发明扫查器结构框图； 图4为本发明收发一体式电磁超声探头结构框图； 图5为本发明接收器结构框图； 图6为本发明回波信号处理系统原理框图； 图7为本发明检测原理框图； 图8为本发明扫查路径示意图。
具体实施例方式
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至图6 ，本发明 一种电磁超声板材自动探伤装置，它是由发射器 (1)、扫查系统(2)、接收器(3)、数据采集系统(4)和回波信号处理系统(5)组成的，发射器
(1) 连接扫查系统(2)，扫查系统(2)连接接收器(3)，接收器(3)连接数据采集系统(4)， 数据采集系统(4)连接回波信号处理系统(5)，回波信号处理系统(5)分别连接扫查系统
(2) 和数据采集系统(4)。 本发明还有以下技术特征 所述的发射器(1)包括发射控制器(6)、驱动电路(7)、升压电路(8)和功率放大 电路(9)，发射控制器(6)分别连接驱动电路(7)和升压电路(8)，功率放大电路(9)分别 连接升压电路(8)和驱动电路(7)。 所述的扫查器(2)包括定位系统(10)、微控制器(11)、步进马达(12)、舵机(13)、 车体(14)、固定装置(15)和电磁超声探头(16)，定位系统(10)连接微控制器(ll)，微控制 器(11)分别连接步进马达(12)和舵机(13)，步进马达(12)、舵机(13)连接车体(14)，车 体(14)连接固定装置(15)，固定装置(15)连接电磁超声探头(16)。 所述的电磁超声探头(16)包括脉冲电磁铁(17)，双螺旋线圈(18)和保护层 (19)，脉冲电磁铁(17)连接双螺旋线圈(18)，双螺旋线圈(18)连接保护层(19)，电磁超声 探头(16)为收发一体式探头，脉冲电磁铁(17)不包含铁芯。 所述的接收器(3)包括接收模拟开关(20)、模拟滤波器(21)、高增益低噪声放大 器(22)和电平变换电路(23)，接收模拟开关(20)连接模拟滤波器(21)，模拟滤波器(21) 连接高增益低噪声放大器(22)，高增益低噪声放大器(22)连接电平变换电路(23)。
所述的回波信号处理系统(5)包括回波信号处理模块(24)、微控制器(25)、存储 单元(26)和液晶(27)，回波信号处理模块(24)连接微控制器(25)，微控制器(25)分别连 接存储单元(26)液晶(27)，回波信号处理模块采用FPGA实现。
本发明一种电磁超声板材自动探伤方法，工作步骤如下
步骤一 系统通电初始化； 步骤二 收发一体式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁产生持续时间为200 ii s的 强磁场；接收模拟开关关闭； 步骤三发射器产生的大功率超声波驱动信号加在双螺旋探伤线圈上，在待测板 材中激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms ; 步骤四超声波在待测板材中传播，遇到缺陷会发生反射、散射等，打开接收模拟开关，收发一体探头接收缺陷和底面的反射波信号； 步骤五数据采集系统的高速AD将调理后的反射波信号采集到FPGA中；
步骤六FPGA内部的数字信号处理模块利用缺陷和底面的反射波综合判断缺陷 的有无和大小，若判断结果为"是"则运行步骤七，若判断结果为"否"则运行步骤八；
步骤七微控制器将缺陷的大小和位置存入存储单元中并在液晶上显示出来；
步骤八扫查装置在待测板材上匀速向前运动； 步骤九当扫查装置运行到待测板材的边缘时，横向移动2cm，重复运行步骤二到 步骤八； 步骤十扫查装置将待测板材检测完毕后，液晶显示出整块板材上的缺陷分布情 况。 实施例2，结合图7，本发明电磁超声板材自动探伤方法及其装置，采用垂直入射 体波对板材进行检测。无缺陷时，只有底面的回波；有缺陷时，既有底面回波又有缺陷回波。 在检测浅层缺陷时，缺陷回波会被主冲击淹没，而这时底面回波会有较大的衰减，因此可用 底面回波判断出浅层缺陷的有无。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，因此利用其产生的垂直入射体波可实时地对各种恶劣环境下的板材进行在线或在 役检测。 实施例3，结合图8，本发明电磁超声板材自动探伤方法及其装置，对待测板材 (28)的整体检测过程扫查装置放置在待测板材(28) —侧的边缘处，系统通电初始化后， 开始沿边缘匀速移动，与此同时收发一体式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁开始工作，产 生持续时间为200 ii s的强磁场，接收模拟开关关闭。发射器产生的大功率超声波驱动信号 加在双螺旋探伤线圈上，在待测板材(28)中激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms。接 下来打开接收模拟开关。超声波在待测板材(28)中传播，遇到缺陷及底面会发生反射、散 射等，收发一体探头接收缺陷和底面的反射波信号。数据采集系统的高速AD将调理后的反 射波信号采集到FPGA中。FPGA内部的数字信号处理模块利用缺陷和底面的反射波综合判 断缺陷的有无和大小。液晶实时显示出回波信号的波形，如果发现缺陷则将缺陷的位置记 录下来。当扫查器运行到板材的边缘时，横向移动2cm，重复运行以上步骤，采用逐行扫查的 方式对整块待测板材(28)进行检测。扫查器将板材检测完毕后，液晶显示出整块板材上的 缺陷分布情况。
权利要求
一种电磁超声板材自动探伤装置，它是由发射器(1)、扫查系统(2)、接收器(3)、数据采集系统(4)和回波信号处理系统(5)组成的，其特征在于发射器(1)连接扫查系统(2)，扫查系统(2)连接接收器(3)，接收器(3)连接数据采集系统(4)，数据采集系统(4)连接回波信号处理系统(5)，回波信号处理系统(5)分别连接扫查系统(2)和数据采集系统(4)。
2. 根据权利要求1所述的一种电磁超声板材自动探伤装置，其特征在于所述的发射 器(1)包括发射控制器(6)、驱动电路(7)、升压电路(8)和功率放大电路(9)，发射控制器 (6)分别连接驱动电路(7)和升压电路(8)，功率放大电路(9)分别连接升压电路(8)和驱 动电路(7)。
3. 根据权利要求1所述的一种电磁超声板材自动探伤装置，其特征在于所述的扫查 器(2)包括定位系统(10)、微控制器(11)、步进马达(12)、舵机(13)、车体(14)、固定装置 (15)和电磁超声探头(16)，定位系统(10)连接微控制器(ll)，微控制器(11)分别连接步 进马达(12)和舵机(13)，步进马达(12)、舵机(13)连接车体(14)，车体(14)连接固定装 置(15)，固定装置(15)连接电磁超声探头(16)。
4. 根据权利要求3所述的一种电磁超声板材自动探伤装置，其特征在于所述的电磁 超声探头(16)包括脉冲电磁铁(17)，双螺旋线圈(18)和保护层(19)，脉冲电磁铁(17)连 接双螺旋线圈(18)，双螺旋线圈(18)连接保护层(19)，电磁超声探头(16)为收发一体式 探头，脉冲电磁铁(17)不包含铁芯。
5. 根据权利要求1所述的一种电磁超声板材自动探伤装置，其特征在于所述的接收 器(3)包括接收模拟开关(20)、模拟滤波器(21)、高增益低噪声放大器(22)和电平变换电 路(23)，接收模拟开关(20)连接模拟滤波器(21)，模拟滤波器(21)连接高增益低噪声放 大器(22)，高增益低噪声放大器(22)连接电平变换电路(23)。
6. 根据权利要求1所述的一种电磁超声板材自动探伤装置，其特征在于所述的回 波信号处理系统(5)包括回波信号处理模块(24)、微控制器(25)、存储单元(26)和液晶 (27)，回波信号处理模块(24)连接微控制器(25)，微控制器(25)分别连接存储单元(26) 液晶(27)，回波信号处理模块采用FPGA实现。
7. —种电磁超声板材自动探伤方法，其特征在于工作步骤如下 步骤一系统通电初始化；步骤二 收发一体式电磁超声探头内部的脉冲电磁铁产生持续时间为200 i！ s的强磁 场；接收模拟开关关闭；步骤三发射器产生的大功率超声波驱动信号加在双螺旋探伤线圈上，在待测板材中 激发垂直入射体波，发射重复周期为10ms ;步骤四超声波在待测板材中传播，遇到缺陷会发生反射、散射等，打开接收模拟开关， 收发一体探头接收缺陷和底面的反射波信号；步骤五数据采集系统的高速AD将调理后的反射波信号采集到FPGA中；步骤六FPGA内部的数字信号处理模块利用缺陷和底面的反射波综合判断缺陷的有 无和大小，若判断结果为"是"则运行步骤七，若判断结果为"否"则运行步骤八；步骤七微控制器将缺陷的大小和位置存入存储单元中并在液晶上显示出来；步骤八扫查装置在待测板材上匀速向前运动；步骤九当扫查装置运行到待测板材的边缘时，横向移动2cm，重复运行步骤二到步骤八；步骤十扫查装置将待测板材检测完毕后，液晶显示出整块板材上的缺陷分布情况。
全文摘要
本发明涉及超声波检测技术，具体说就是一种电磁超声板材自动探伤方法及其装置。本发明采用垂直入射体波进行探伤，可对较大厚度的板材进行检测。本发明所采用的电磁超声探伤探头，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板材都可以进行高效检测。本发明将底面和缺陷的回波相结合，减小了检测盲区，不仅对缺陷具有较高的灵敏度，而且还可精确定位缺陷。本发明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)下对板材进行在线检测，环境适应性较强，检测效率较高。
文档编号G01N29/04GK101706476SQ20091007319
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者宫佳鹏, 康磊, 段伟亮, 王淑娟, 翟国富, 许霁, 邱玉 申请人:哈尔滨工业大学