用于测量试件壁厚的电磁超声传感器及其测量方法

摘要

本发明公开了一种用于测量试件壁厚的电磁超声传感器及其测量方法，该传感器包括：上壳体；与上壳体相互对接组合且其底部具有二级阶梯孔的下壳体；设置在下壳体底部最深的阶梯孔内的激励平面线圈；设置在下壳体底部次深的阶梯孔内并与所述激励平面线圈同轴层叠的接收平面线圈；依次设置在接收平面线圈上的屏蔽层和磁铁件；以及安装在上壳体上通过绝缘导线分别与两个平面线圈相连、用于连接测厚仪相连以便执行对试件壁厚的测量的接头。通过上述设计的双线圈及其他元件的布置，使得两个平面线圈在空间上不再相互干涉，使得传感器具有高激励效率、高接收灵敏度和高信噪比，同时降低测量盲区。

说明书

技术领域

本发明属于超声无损检测领域，更具体地，涉及一种用于测量譬如钢 管等试件的壁厚的电磁超声传感器及其测量方法。

背景技术

随着用户对无缝钢管等产品质量要求的提高，生产过程中对钢管等进 行连续壁厚测量的要求越来越迫切，需要一种非接触的壁厚测量技术。另 一方面，为保障承压设备的可靠运行，其在役测厚需求也越来越多，需要 一种适用于高温的测厚技术。作为一种满足上述需求的方法，电磁超声测 厚在实践运用中越来越受到重视。

电磁超声传感器是一种在金属上产生和接收超声波的装置，作为电磁 超声测厚中的传感元件，负责电信号和超声信号的转换，其性能对测量有 直接影响。电磁超声传感器主要由线圈和永久磁铁或电磁铁两个主要部分 构成。永久磁铁或电磁铁在金属内部产生一个稳定的偏置磁场，通以交变 电流的激励线圈会在试件内部产生与电流同频的涡流。金属中运动的带电 粒子将受到洛伦兹力F作用：

F＝J×B

其中J为电涡流密度，B为偏置磁场强度。在带电粒子和原子的相互作 用下，在金属内部产生超声波。当超声波传播到电磁超声传感器的传感区 域时，由于偏置磁场的作用，振动会在试件中产生涡流。接收线圈感应到 涡流产生的磁场变化，进而输出与超声波对应的电信号。

线圈作为电磁超声传感器的敏感元件，其设计直接影响电磁超声传感 器的性能。激励线圈和接收线圈都应尽可能地靠近被测试件，远离试件会 减弱线圈在试件中产生和接收涡流的能力。激励线圈的设计应能与试件形 成高效的耦合，并能承受高功率，以在试件中产生高能量的超声波。接收 线圈的设计应对磁场变化十分敏感，以便于感应微弱的信号。两者的设计 要求是有区别的。

一种电磁超声传感器设计是采用单线圈，其特征在于线圈既用于激励 又用于接收。由于复用线圈，因此两个线圈与试件的距离均可以降到最低， 但是线圈需要同时兼顾激励和接收的要求，性能不能达到最佳。同时单线 圈电磁超声传感器需要配合使用双工电路，阻止激励脉冲损坏接收电路。 但双工电路会衰减接收信号，并限制信号带宽。此外双工电路还易引发振 荡，增大测量盲区。

为规避这些问题，另一种设计是采用独立的激励线圈和接收线圈的双 线圈设计。中国专利CN99118154.9公开了一种改进的主脉冲信号过载矫正 电磁声换能器，其采用分开的激励线圈和接收线圈设计降低电磁超声传感 器的盲区，但该专利为减小两个线圈之间的耦合而设计的屏蔽会削弱接收 线圈检测超声波的能力，同时该专利没有涉及到激励线圈和接收线圈设计 中的区别。中国专利CN93206367.5公开了一种电磁超声测厚仪，其使用双 线并绕的方法制成几何尺寸和匝数均一致的激励和接收线圈，使两线圈距 离试件的距离一致，但对于同样的线径和线圈尺寸，该专利的激励线圈和 接收线圈匝数均只有单线圈传感器的一半，进而导致激励和接收效率大幅 下降。此外，中国专利CN200910073194.7也公开了一种电磁超声测厚仪及 其测量方法，其传感器的激励和接收线圈分别制作在0.5mm厚印制电路板 的两面，接收线圈一面靠近被测试件，两个线圈匝数不同但直径一致，但 该专利使用的是没有铁芯的脉冲电磁铁，需要配合脉冲电源使用，增加了 使用复杂度，同时其线圈设计在使用永久磁铁磁化时效果较差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于测量试件壁厚 的电磁超声传感器及其相应的测量方法，通过针对激励线圈和接受线圈的 不同工作要求对它们的设置方式与其他方面进行具体优化，由此能够实现 提高传感器的换能效率、增强传感器的灵敏度，以及提高信号信噪比等技 术效果。

为了实现本发明的上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用 于测量试件壁厚的电磁超声传感器，该电磁超声传感器包括：

上壳体；

下壳体，该下壳体与上壳体相互对接组合，且其底部具有二级阶梯孔；

激励平面线圈，该激励平面线圈设置在下壳体底部最深的阶梯孔内， 用于在放置于下壳体下方的试件内产生涡流；

接收平面线圈，该接收平面线圈设置在下壳体底部次深的阶梯孔内并 与所述激励平面线圈同轴层叠，用于感应试件中涡流产生的磁场变化并输 出电信号；

屏蔽层，该屏蔽层设置在所述接收平面线圈上，用于屏蔽所述激励平 面线圈上部的电磁场；

磁铁件，该磁铁件设置在所述屏蔽层上，用于产生垂直于试件表面的 偏置磁场；以及

接头，该接头安装在上壳体上，通过绝缘导线分别与所述激励平面线 圈和接收平面线圈相连，用于连接测厚仪以便执行对试件壁厚的测量。

通过上述设计的双线圈及其他元件的布置，获得一种有效的布局方式， 使得两个平面线圈在空间上不再相互干涉，同时不影响传感效果，有利于 提高激励效率和接收灵敏度，进而能够提高传感器的换能效率。

作为进一步优选地，所述接收平面线圈的轴向投影面积大于所述激励 平面线圈的轴向投影面积，且前者为后者的1.5～2倍。

通过两个平面线圈的轴向投影面积之间关系的进一步设定，能够提高 接收平面线圈的灵敏度，同时较大的轴向有效投影面积也易于增加线圈匝 数，进而增强线圈的感应电压。

作为进一步优选地，所述磁铁件的极化面面积大于所述激励平面线圈 的轴向投影面积，且前者为后者的2～4倍。

通过对磁铁件极化面面积与激励平面线圈的轴向投影面积之间关系的 进一步设定，能够保证传感器的传感区域磁场均匀。

作为进一步优选地，所述接收平面线圈并联有两个反向的二极管，以 便限制所述接收平面线圈输出的电压幅值。

通过对接收平面线圈连接二极管的设定，可以有效限制接收平面线圈 所输出的电压幅值，由此能够减少电磁脉冲的能量，加快脉冲的衰减，减 小传感器的测量盲区。

作为进一步优选地，所述上壳体由导电性金属制成并与所述接头的导 电外壳接触相连，由此与该接头连接至所述接收平面线圈的端子相连，该 端子通过电缆与测厚仪的电路地连接。

通过将上壳体的材料限定为导电性金属并使其连接测厚仪的电路地的 设定，能够有效屏蔽外界电磁环境对接收平面线圈的干扰，减小信号中的 噪声。

作为进一步优选地，所述下壳体由非导电性的耐磨损耐高温塑料制成， 且其直径为所述激励平面线圈直径的2倍。

通过将下壳体的材料限定为非导电性的高性能材料且设定其直径，可 以避免激励平面线圈在下壳体或其附近产生涡流，减少激励损耗，并起到 保护线圈的作用。

作为进一步优选地，所述下壳体的阶梯孔各级的深度分别与其容纳的 平面线圈的厚度相等。

通过对容纳平面线圈的阶梯孔各级深度的进一步限定，可以使平面线 圈更为完全地贴合所处的阶梯孔，由此能够有效地避免线圈在阶梯孔中的 移动或变形，进而避免由此产生的耦合效率的下降。

按照本发明的另一方面，提供了相应的对试件壁厚进行测量的方法， 该方法包括下列步骤：

将所述传感器的接头通过导线与电磁超声测厚仪相连，将电磁超声测 厚仪通过USB电缆与主控计算机相连；

将待测量的试件放置在电磁超声传感器的下壳体下方，并使其靠近所 述激励平面线圈和接收平面线圈；

设置电磁超声测厚仪，开启功率放大器输出交变电流至激励平面线圈， 同时采集接收平面线圈输出的电信号。

采集结束后将数据传输至主控计算机，主控计算机对数据进行处理， 计算得到试件的壁厚并显示在主控计算机的显示屏上，由此完成对试件壁 厚的测量过程。

按照本发明的电磁超声传感器及其相应的测量方法，通过将传感器使 用双线圈设计并对其设置方式等方面进行改进，使得传感器具有高激励效 率、高接收灵敏度和高信噪比，同时能够抑制激励时的干扰脉冲，有效降 低传感器的测量盲区。

附图说明

图1为按照本发明的电磁超声传感器的剖视图；

图2为使用本发明的电磁超声传感器的电磁超声测厚系统的示意图；

图3为平面线圈直径为20mm的单线圈电磁超声传感器检波信号波形 图；

图4为采用本发明设计但激励平面线圈和接收平面线圈直径均为20mm 的双线圈电磁超声传感器检波信号波形图；

图5为采用本发明设计但激励平面线圈直径20mm，接收平面线圈直径 25mm的双线圈电磁超声传感器检波信号波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为按照本发明的电磁超声传感器的剖视图。如图1所示，一种用 于测量试件壁厚的电磁超声传感器，包括接头1、例如为永久磁铁或电磁铁 的磁铁件2、屏蔽层3、接收平面线圈4、激励平面线圈5、绝缘导线8、下 壳体6、上壳体7以及二极管9。聚四氟乙烯塑料制成的下壳体6为一杯状 结构，下端面为超声传感区域，杯壁外侧有螺纹，杯壁内侧有引线槽，杯 内底部有二级阶梯孔。孔底部壁厚很小，以减少线圈至试件的距离。激励 平面线圈5安装在下壳体杯内侧底部最深的阶梯孔中，孔深与线圈厚度相 同。接收平面线圈4一侧紧贴激励平面线圈5并与之同轴，安装在次深的 阶梯孔中，形成激励平面线圈5和接收平面线圈4轴向层叠的结构。接收 平面线圈4的另一侧为屏蔽层3和磁铁件2，屏蔽层3垫在磁铁件2下方， 由此隔开接收平面线圈4和磁铁件2。磁铁件2靠近接收平面线圈的面为极 化面，激励平面线圈5和接收平面线圈4分别连接绝缘导线8，绝缘导线8 连接接头1，接头1安装在上壳体7上。

上壳体7通过螺纹与下壳体6连接并容纳及固定磁铁件2、屏蔽层3、 接收平面线圈4、激励平面线圈5、绝缘导线8和二极管9。上壳体7与接 头1的导电外壳通过接触连接，由此与接头1连接至接收平面线圈4的一 个端子相连，该端子通过电缆与电磁超声测厚仪11的电路地连接。

上壳体7内部为三级的阶梯孔，最浅的孔内壁加工有螺纹，用于和下 壳体6连接，较深的孔用于容纳永久磁铁2，使用较深的孔与最深的孔之间 的台阶面轴向定位永久磁铁2，最深的孔用于容纳接头1的接线端子、二极 管9和部分绝缘导线8。上壳体7和下壳体6连接后，上壳体7包裹了整个 下壳体的侧面，下壳体6只有底面露出。激励平面线圈5、接收平面线圈4 各自被下壳体6的二级阶梯孔所定位。激励平面线圈5和接收平面线圈4 分别连接绝缘导线8，绝缘导线8沿下壳体6的引线槽引出至磁铁件2上方 并连接到接头1。连接接收平面线圈4的绝缘导线8可以连接两个并联反向 的二极管9。铝合金材料的上壳体7上端加工有安装孔。接头1穿过该安装 孔，由此固定在上壳体7上。

本发明的电磁超声传感器使用垂直横波进行测厚，传感区域为下壳体6 正下方。磁铁件2用于产生垂直于试件表面的偏置磁场，以激励出垂直于 试件表面传播的横波。激励平面线圈5安装在下壳体最底部，距离试件距 离近，因此耦合效率高。接收平面线圈4距离试件略远，但结构设计不受 激励线圈约束。在接收平面线圈4和试件之间有激励平面线圈5阻隔，但 对接收灵敏度影响小。虽然接收平面线圈4距离试件略远产生信号衰减， 但综合传感效果不受明显影响，且激励平面线圈和接收平面线圈空间上不 再干涉，有利于优化设计。

接收平面线圈4的轴向投影面积被设定为大于激励平面线圈5的轴向 投影面积。所谓轴向投影面积，是指线圈沿中心轴线投影到垂直于轴线的 平面上的面积。激励平面线圈的轴向投影面积越大，两线圈之间的轴向投 影面积的比值越大。接收平面线圈4采用比激励平面线圈5大的轴向投影 面积的设计，可获得更高的灵敏度。同时较大的轴向有效投影面积也易于 增加线圈匝数，进而增强线圈的感应电压。但接收平面线圈4轴向投影面 积过大时，通过线圈的磁场方向不再一致，信号幅值不再增强，甚至会使 信号衰减。因此通过实际对比研究，将接收平面线圈4的轴向投影面积设 定为激励平面线圈5的轴向投影面积的1.5～2倍，实践中证明能够取得更 好的效果。

激励平面线圈5和接收平面线圈4均可采用平面螺旋线线圈。例如， 激励平面线圈5直径20mm，接收平面线圈4直径25mm，两者轴向投影面积 比为1.6。除平面螺旋线线圈外，还可以使用回字形线圈或吕字形线圈。无 论哪种形状的线圈，增大接收平面线圈4的轴向投影面积均能有效增强信 号。线圈可以使用绝缘铜线绕制或者使用印制电路板制作。

磁铁件2的极化面面积设定为大于激励平面线圈5的轴向投影面积， 这样可以保证传感器传感区域磁场均匀。过小的磁铁件极化面面积会使试 件内部的垂直磁场不均匀，降低超声波的激励效率并产生其他模态。过大 的磁铁件极化面面积对传感器没有有利效果，同时会使传感器体积庞大， 使用不便。因此，通过研究，优选磁铁件2的极化面面积是激励平面线圈5 的轴向投影面积的2～4倍，譬如3倍，这种设计更有利于提供均匀的垂直 偏置磁场。

接收平面线圈4可以并联连接有两个反向的二极管9，由此能够限制接 收平面线圈4感应输出的电压幅值。电磁超声传感器接收到的信号中，除 激励线圈工作时接收平面线圈和激励平面线圈直接耦合接收的电磁脉冲 外，超声信号远小于二极管9的导通电压，因此二级管9能够减少电磁扰 脉冲的能量，加快电磁脉冲的衰减，减小传感器的测量盲区，但不影响正 常的超声信号。

良好接地的上壳体7覆盖了整个探头的上面和侧面，屏蔽外界电磁环 境对接收平面线圈4的干扰，减小信号中的噪声。此外，塑料制成的下壳 体6中不会产生涡流，避免了壳体中产生涡流造成的激励能量损耗，同时 固定、保护了线圈，提供电磁场穿过窗口。金属制成的上壳体7与激励平 面线圈有下壳体6侧壁隔开，与激励平面线圈5的耦合弱，也避免消耗激 励能量。

图2为使用上述电磁超声传感器的一套电磁超声测厚系统的示意图。 如图2中所示，整个测厚系统由电磁超声传感器10，电磁超声测厚仪11和 主控计算机12三部分组成。电磁超声测厚仪11包含程控信号源13、功率 放大器14、宽带信号调理电路15和信号采集电路16四个部分。主控计算 机12通过USB电缆连接电磁超声测厚仪11。程控信号源13输出端连接功 率放大器14。门控功率放大器14的输出端和宽带信号调理电路15的输入 端通过四芯电缆连接到电磁超声传感器10。宽带信号调理电路15的输出端 连接信号采集电路16。将电磁超声传感器10放置在试件上后，使用主控计 算机12控制电磁超声测厚仪11内的程控信号源13发生信号并接收信号采 集电路16输出的数据。主控计算机12将数据进行处理后就能在屏幕上显 示试件的厚度。

图3为平面线圈直径为20mm的单线圈电磁超声传感器检波信号波形 图。图4为采用本发明设计但激励平面线圈和接收平面线圈直径均为20mm 的双线圈电磁超声传感器检波信号波形图。图5为采用本发明设计但激励 平面线圈直径20mm，接收平面线圈直径25mm的双线圈电磁超声传感器检波 信号波形图。

在上述附图中，附图标记M₁为激励线圈和接收线圈直接耦合产生的电 磁脉冲，N为双工电路产生的干扰，S₁为试件底面第一次反射的回波，S₂为 试件底面第二次反射的回波，S₃、S₄、S₅依次类推。

对比图3和图4可见，虽然双线圈电磁超声传感器中的接收线圈距离 试件略远，但对信号影响较小。其对应回波信号的幅值仅略低于单线圈电 磁超声传感器。但其电磁脉冲的持续时间和噪声均明显减小。传感器的信 噪比和测量盲区优于单线圈电磁超声传感器。

对比图4和图5可见，两种传感器仅接收平面线圈的设计不一致，图5 传感器的接收平面线圈的轴向投影面积更大。两种对比的结果表明接收平 面线圈更大的轴向投影面积有利于增强信号幅值。综合图3、图4、图5的 信号波形，结果表明，本发明设计的电磁超声测厚传感器具有激励效率和 接收灵敏度高，信噪比好，测量盲区小的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。