专利名称：电磁超声测厚方法
技术领域：
本发明涉及一种利用电磁超声换能器测量材料厚度的方法，用于对铁磁性材料的厚度 变化、腐蚀缺陷状况进行检测。
技术背景钢材在生产过程中容易出现夹渣、气泡等缺陷，在使用过程中也会由于受到腐蚀、应 力等因素的影响而出现各种缺陷。钢材制品(如钢管道、钢容器)很容易在缺陷处发生破 裂，造成巨大的经济损失和人员伤亡，所以必须有效检测钢材制品的腐蚀坑洞、薄厚不均 等缺陷，及时采取措施补救。通过检测材料的厚度来检测腐蚀坑洞及壁厚变化情况是最常用的方法。目前，常用的 检测设备是压电超声测厚仪。但压电超声测厚仪需要通过耦合介质(水、甘油等)才能将 超声波从压电超声换能器传入被测材料，使用不方便。另外，由于需要换能器与被测材料 接触，其应用领域也受到限制，比如，压电超声测厚仪不能工作在高温环境(500度以上 热钢板探伤)，无法检测表面粗糙材料等。鉴于压电超声的应用限制，人们发明了电磁超声换能器。它是利用电磁感应的原理， 直接在被检测体内激发超声波，具有非接触、无需耦合剂等优点。由于无需耦合剂，电磁 超声可以适用于高温物体检测、表面粗糙材料探伤、天然气管道检测等多种工作环境。电 磁超声换能器主要基于洛伦兹力和磁致伸縮效应两种机理研制。洛伦兹力机理存在于所有 金属材料，但是对于铁磁性材料而言，磁致伸縮效应机理居于主导地位。所以洛伦兹力电 磁超声换能器一般应用于非铁磁性材料(铝、铜等)，而铁磁性材料的检测主要是应用磁 致伸縮效应机理的电磁超声换能器。实用新型专利"电磁超声测厚仪"(申请号93206367.5)涉及一种电磁超声测厚装置， 该装置由脉冲发生器、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，电磁超声换能器线圈 为圆形，位于磁铁极靴下方，是基于洛伦兹力原理设计的，这种结构一般适用于检测非铁 磁性材料。对于铁磁性材料的检测，由于磁致伸缩效应机理居主导地位，洛伦兹力相对较 弱，所以需要根据磁致伸縮效应机理设计换能器。

发明内容
本发明的目的在于提供一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法。本发明的特征 在于依次含有以下步骤-步骤(l)，把U型永磁铁倒置于待检测铁磁体表面，并按设定的高度提离，使所述U 型永磁体下被检测铁磁体的局部产生一个偏置磁场；步骤(2)，把彼此绝缘的上下两层位置相同且互相串联的双层回形线圈置于所述U型 永磁体的两个磁极之间，所述双层回形线圈的提离高度与所述U型永磁体的提离高度相同， 该双层回形线圈的长度方向与所述U型永磁体在被检测铁磁体内产生的偏置磁场方向相 同；步骤(3)，在所述双层回形线圈内通入某一频率正弦脉冲电流，该正弦脉冲电流在所 述被检测铁磁体内产生高频交变磁场并与所述偏置磁场叠加形成交变的合成磁场，在该被 检测铁磁体局部产生磁致伸縮变形，激发出超声横波，在该被检测铁磁体内从上向下传播；步骤(4)，当该超声横波的反射波到达所述被检测铁磁体上表面时被所述回形双层线 圈接收，经过放大电路放大后，利用示波器读取超声发射波与超声反射波之间的时间差t。步骤(5)，按下式所述被检测铁磁体的厚度d: d = ixvxt， v为超声波在所述被检2测铁磁体内的传播速度，为已知值。本发明具有非接触、无需耦合剂等优点，可用于高温环境或表面粗糙材料的检测。


图l为电磁超声换能器结构示意图。图中，l一永磁铁；2 —双层线圈；3 —被检测体； 4一提离间隙。图2为电磁超声换能器线圈结构与放置方向示意图。图中，l一永磁铁；2 —双层线圈； 3 —被检测体；5 —两层线圈之间连接孔；6-第二层线圈；7-线圈有效部分长度。图3为双层线圈每一层结构的俯视图。两层线圈在水平方向上是重合的，这样第一层 与第二层线圈相同位置的导线电流方向相同。电流从第一层最上端流入，在"回"型线圈中心处通过连接孔5将电流导入第二层。在第二层沿导线流过后，最后从第二层最下端流 出。图中5为同一个孔。图中，5 —两层线圈之间连接孔；6-第二层线圈；7-线圈有效部分长度。图4为被检测体内磁场方向示意图。图中H^表示线圈中的高频电流在被检测体内 感应的高频磁场；H。表示永磁体在被检测体内产生的恒定偏置磁场；H表示由H。和H。合 成的磁场；则<formula>formula see original document page 4</formula>图中(1) (2) (3) (4)四个步骤代表磁场变化的一个周期。
图5为被检测体局部伸縮变形及振动方向示意图。在步骤(1)和(3)中，材料水平 伸縮变形从而产生水平方向的振动。在步骤(2)和(4)中，材料不发生变形，恢复为原 始形状。图6为测厚装置框图。脉冲电源产生高频大功率脉冲电流并输入换能器线圈，从而在 被检测体内激发出超声横波。超声横波向下表面传播并在下表面发生反射，超声反射波被 换能器线圈接收。接收到的超声信号经过放大与滤波后，通过数据采集卡输入计算机通过 MATLAB软件进行处理，计算出超声波传播时间。也可以直接利用示波器读取传播时间。
具体实施方式
本发明中，电磁超声换能器基于磁致伸缩原理设计，磁铁为U型钕铁硼永磁体，线圈 为"回"型双层线圈。U型永磁体长40mm-70mm，宽30mm-50mm，高10mm-20mm;线 圈长30mm-60mm，宽20mm-40mm，总厚度为0.3mm-1.5mm。 U型永磁体置于被检测体 上，提离高度为0.5mm-lmm，在被检测体内产生偏置磁场的磁感应强度为0.5T-1T。为了 提高电磁超声换能器转换效率，设计了双层线圈来激发和接收超声波，上下两层线圈水平 位置相同，这样第一层与第二层线圈相同位置处导线的电流方向相同。如图3所示，电流 从第一层线圈最上端流入，在"回"型线圈中心处通过连接孔5将电流导入第二层。在第 二层沿导线流过后，从第二层最下端流出。线圈采用PCB制作，线圈导线宽度 0.2mm-0.5mm，导线厚度为0.1mm-0.5mm且两层线圈通过连接孔串联，两层线圈之间的绝 缘夹层厚度为0.1mm-0.5mm。线圈位于U型永磁体两磁极之间，与被检测体的提离高度为 0.5mm-lmm，且线圈导线方向与偏置磁场方向平行。在线圈中通过高频(0.5MHz-5MHz)正弦脉冲(2周期-5周期)电流(IOA-IOOA)， 此高频电流在被检测体内感应出高频交变磁场，该交变磁场与永磁体提供的偏置磁场相叠 加，形成一交变的合成磁场。根据磁致伸縮效应原理，铁磁性材料在磁化状态改变时会发 生伸长或縮短的变化，所以被检测体中交变的合成磁场引起被检测体局部的伸縮变化产生 振动，这样就激发出超声波。超声波在被检测体内向下表面传播，遇到下表面发生反射， 反射波到达被检测体表面时使其发生振动。根据磁致伸縮逆效应，该振动导致其周围磁场 发生变化，从而在线圈内感应出电压信号，这样线圈就接收到了超声反射信号。线圈接收 到的超声信号经过放大电路放大后可以通过数据采集卡采集输入计算机，利用MATLAB 等工具准确测量发射超声信号与反射超声信号的时间差，即超声从材料上表面传播到下表 面又从下表面传播到上表面所耗费的传播时间。也可以通过数字示波器直接读取该传播时 间。由于超声波在被检测体内传播速度为v是已知的(不同材料的被检测体波速不同)，测得传播时间为t，则超声波走过的路程f为f=vxt。由于f为被检测体厚度的两倍， 所以被检测体厚度d为d = ^XVxt。在测厚时，只要査询超声波的波速并记录传播时间2就可以计算出被检测体的厚度。下面结合附图详细描述本发明的原理。电磁超声换能器的结构如图l所示。U型磁铁置于被检测体上方，并在被检测体内产 生水平方向的恒定偏置磁场H。，调节提离高度，使偏置磁场的磁感应强度为0.5特斯拉-l特斯拉。线圈结构及其在磁铁下的位置如图2所示。线圈为双层PCB结构，图2中实线为 第一层线圈，虚线表示第二层线圈，中间有0.1mm-0.5mm厚的绝缘夹层，通过连接孔将两层线圈串联在一起。如图3所示，高频正弦脉冲电流L从线圈第一层最上端流入，在"回"型线圈中心处通过连接孔5将电流导入第二层，最后从第二层最下端流出。该电流在被检测体内感应出高频交变的磁场H^ Hw与H。叠加后在被检测体内形成了合成磁场H， H的大小和方向是周期性变化的。根据磁致伸縮效应原理，该合成磁场引起被检测体的周期性 变形和振动，在被检测体内激发出超声波。水平偏置磁场H。、交变磁场H^及叠加形成的合成磁场H如图4所示。图中(1) (2)(3) (4)表示交变磁场H"变化的一个周期，也对应于合成磁场H变化的一个周期。假设，某一时刻交变磁场I^的方向向上且为最大值(图中(1)所示)，它与水平磁场H。叠加的合成磁场是向右上方倾斜的；经过l/4周期后，H。变为0 (图中(2)所示)，合成磁场也变为水平磁场H。；再经过l/4周期，Hw方向向下且为最大值(图中(3)所示)，合成磁场向右下方倾斜；1/4周期后又变为水平磁场H。(图中(4)所示)，如此周而复始。在此合成磁场的作用下，由于磁致伸縮效应的存在，被检测体会发生伸縮变形而使其受到周 期性的挤压与拉伸，从而引起被检测体局部振动产生超声横波。被检测体局部变形及振动 方向示意图如图5所示。水平方向的伸縮振动在被检测体内激发出超声横波，沿垂直于被 检测体表面向下传播。根据反射定律，超声波遇到介质交界面就会发生反射。根据磁致伸 縮逆效应，反射回来的超声波在被检测体表面的伸縮振动会引起被检测体磁化状态的改 变，从而在线圈中感应出电压信号，这样线圈就接收到了超声反射波。线圈接收到的超声 信号经过放大电路放大后可以通过数据采集卡采集输入计算机，利用MATLAB等工具准 确测量发射超声信号与反射超声信号的时间差，即超声从材料上表面传播到下表面又从下 表面传播到上表面所耗费的传播时间。也可以通过数字示波器直接读取该传播时间。己知 超声波在被检测体内传播速度为V，传播时间为t，则超声波走过的路程f为f = vxt。 f为被检测体厚度的两倍，所以被检测体厚度d为d = |xvxt。这样就可以计算出被检测体的厚度。
权利要求
1. 一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(1)，把U型永磁体倒置于待检测铁磁体表面，并按设定的高度提离，使所述U型永磁体下被检测铁磁体的局部产生一个偏置磁场；步骤(2)，把彼此绝缘的上下两层位置相同且互相串联的双层回形线圈置于所述U型永磁体的两个磁极之间，所述双层回形线圈的提离高度与所述U型永磁体的提离高度相同，该双层回形线圈的长度方向与所述U型永磁体在被检测铁磁体内产生的偏置磁场方向相同；步骤(3)，在所述双层回形线圈内通入某一频率正弦脉冲电流，该正弦脉冲电流在所述被检测铁磁体内产生高频交变磁场并与所述偏置磁场叠加形成交变的合成磁场，在该被检测铁磁体局部产生磁致伸缩变形，激发出超声横波，在该被检测铁磁体内从上向下传播；步骤(4)，当该超声横波的反射波到达所述被检测铁磁体上表面时被所述回形双层线圈接收，经过放大电路放大后，利用示波器读取超声发射波与超声反射波之间的时间差t。步骤(5)，按下式所述，被检测铁磁体的厚度dv为超声波在所述被检测铁磁体内的传播速度，为已知值。
2. 根据权利要求l所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所 述的时间差t通过计算机用MATLAB工具包测量。
3. 根据权利要求l所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所 述的提离高度为0.5mm-2mm。
4. 根据权利要求l所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所 述U型永磁体采用钕铁硼永磁体。
5. 根据权利要求l所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所 述双层回形线圈采用PCB制作，两层线圈之间用连接孔连接。
6. 根据权利要求l所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所 述正弦脉冲电流的频率在O.lMHz-lOMHz之间。
7. 根据权利要求l所述的一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，所 述双层回形线圈的长度方向与所述U型永磁体在被检测铁磁体内产生的偏置磁场方向相 同。
全文摘要
一种利用电磁超声检测铁磁性材料厚度的方法，其特征在于，电磁超声换能器内的磁体为U型永磁体，线圈为“回”形PCB双层线圈，线圈置于永磁铁开口处且线圈导线有效部分与偏置磁场方向平行。测厚时，将电磁超声换能器置于被检测体上，线圈内通过高频正弦脉冲电流，根据磁致伸缩效应，被检测体局部伸缩变形产生振动从而激发出超声横波并垂直于被检测体表面向下传播。超声波在被检测体下表面发生反射，反射波被线圈接收。所接收的超声信号经过放大后被采集输入计算机。已知超声波在被检测体传播速度v，传播时间t，则被检测体厚度d为d＝1/2×v×t。本发明实现了对铁磁性材料的厚度检测，具有非接触、无需耦合剂等优点，可用于高温环境或表面粗糙材料的检测。
文档编号G01B17/02GK101398298SQ20081022640
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年11月10日
发明者叶朝峰, 张永生, 珅 王, 伟 赵, 郝宽胜, 黄松岭 申请人:清华大学