[发明专利]用于测量试件壁厚的电磁超声传感器及其测量方法

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；