专利名称：一种电磁超声测厚仪及其测量方法
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》基于磁滞伸縮效应机理，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l，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l，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IO，屏蔽层lO连接脉冲电磁铁ll，
3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200 s
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200i! s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At; 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/2:会cxAf ; 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。
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4为本发明回波处理系统原理框 图5为本发明工作过程示意图。
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l，结合图l，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(l)，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(IO)，屏蔽层(10)连接脉冲电磁铁(ll)，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200 ii s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200i！ s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At ; 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为力二^cx A" 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。
权利要求
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l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(IO)，屏蔽层(10)连接脉冲电磁铁(ll)，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200 ii s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O. 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l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. —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200 i！ s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At ;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 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。
全文摘要
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。
文档编号G01B17/02GK101701809SQ20091007319
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者信鹏皓, 宫佳鹏, 康磊, 张晓辉, 段伟亮, 王淑娟, 翟国富 申请人:哈尔滨工业大学