电磁超声测厚方法与系统的研究

摘要

在工业生产中为了确保各种刚性管道的质量，对材料各处的壁厚进行精确测量是非常必要的。常规压电超声测厚技术要求换能器与工件之间必须使用耦合剂，对工件表面质量要求高，这种检测技术不利于实现高速自动测厚。而电磁超声测厚方法与工件非接触，无需耦合剂，检测速度快，检测设备机械结构相对简单，成为人们研究的热点。随着计算机技术、数字化技术和检测技术迅速发展，研究数字化电磁超声壁厚检测技术已成为电磁超声检测发展的必然趋势。
　　 本文对电磁超声波的基本理论进行了研究，并制作实验用的EMAT换能器。因横波可作测厚的波型，根据外加磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率能决定换能器产生的波型，选定了由永磁铁和跑道形线圈合理组合来激发所需的横波。同时采用传输线变压器来实现阻抗匹配。
　　 为了提高电磁超声的转换效率，在硬件上采用单位冲激信号激励方式，由三极管组成的快速驱动电路和功率VMOS管产生高压窄脉冲来激励换能器；利用两级高频接收电路对回波信号进行了去噪、放大、滤波处理；采用脉宽提取电路从模拟回波信号中整形出分辨率很高的厚度数字信号。建立FPGA+DSP平台实现了高速数字信号采集和处理，在软件上FPGA实现信号发生器和高速计数器等功能；DSP采用C语言编写小波阈值算法对信号进行处理，使壁厚信号具有很高的信噪比。为了实时检测管材壁厚，开发了可视化检测界面来显示管道壁厚信息。
　　 初步的测试结果表明：电磁超声测厚系统无需耦合剂的特点，能应用于管道在线无损检测。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1课题的提出和意义

1.2国内外电磁超声壁厚检测技术的研究现状

1.3 电磁超声壁厚检测技术的发展前景

1.4本课题的主要研究工作和创新点

1.5本文的章节安排

第二章 电磁超声的原理与换能器的设计

2.1 电磁超声检测原理

2.1.1 电磁超声基本原理

2.1.2电磁超声测厚原理

2.2电磁超声换能器的设计

2.2.1偏置磁场

2.2.2测厚线圈

2.2.3测厚换能器的设计

2.3换能器的阻抗匹配

2.4本章小结

第三章电磁超声测厚系统设计方案概述

3.1 本系统与传统检测系统方案比较

3.1.1 用程控增益放大电路取代模拟放大

3.1.2用FPGA取代中小规模集成电路

3.1.3用DSP取代单片机/通用处理器

3.2电磁超声测厚系统总体设计

3.3本章小结

第四章 电磁超声测厚系统硬件部分

4.1硬件系统

4.2 电磁超声激励模块

4.2.1信号发生器

4.2.2驱动电路

4.2.3高压开关电路

4.3信号接收预处理模块

4.3.1前置放大电路

4.3.2带通滤波电路

4.3.3程控自动增益电路

4.3.4脉宽提取电路

4.4数据处理模块

4.4.1 FPGA与DSP芯片介绍

4.4.2数据采集与处理

4.5硬件电路板和实物图

4.6本章小结

第五章 电磁超声测厚系统软件设计

5.1 FPGA的软件设计流程与开发工具

5.1.1 FPGA的软件设计流程

5.1.2 FPGA开发工具和开发语言

5.2 FPGA在电磁超声测厚系统中的软件设计

5.2.1前端控制模块

5.2.2数据采集与预处理

5.3数据处理单元中DSP的软件设计

5.3.1去噪算法的实现

5.3.2 DSP的主程序流程

5.4可视化界面设计

5.4.1 检测界面的设计

5.4.2初步测试实验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录 FPGA控制模块源程序

攻读硕士学位期间发表的论文