基于电磁超声的铝合金厚板缺陷检测装置

能器结构 简单 ， 够方 便激 发 出多种类 型 的超声 波 ， 能 扩展 了 电 磁超声检测技术 的应用场合 。如 今 电磁超声技 术在 测厚 “』 、 管道检测 和轮对 检测 等领域 中都 已经得到 了广 泛应 用。 文 中以铝合金 厚板 缺陷检测为工程 背景 ， 计一种 基于 电磁超 设 声 的铝合金厚 板缺陷检测装置 。 １ 缺 陷检测原理 电 磁 超 声 换 能 器 （ ｌ ｔ ｍ ｇｅ ｃ ｃｕｔ ｔ ｎｄ ｃｒ ｅｅ ｒ ａｎｔ ａｏ ｓｃ ｒ ｓｕｅ ， ｃｏ ｉ ｉ ａ
０ 引 言
Ｅ Ｔ 由线圈 、 ＭＡ ） 磁铁 和待测试件 ３部分组成 。当发射线圈通有 高频交变 电流时 ， 会在试件的集肤深度 内产 生与之方 向相反 的 涡流 ， 涡流在外加静态 偏置 磁场作 用下 ， 引起 质点周 期性运 动
铝合金技术被 列为 国 防科 技关 键技 术及 重点 发展 的基 础 技术 … 。由于铝合金厚 板加 工技术的局 限 ， 在铝 合金板材 中会
发射电路控制器 、 采集 电路控制器 、 据存储 和数 据处 理模块 数 由ＦＧ Ｐ Ａ实现 ，３ ２ ４ ￥ Ｃ ４ ０及其外 围电路 主要 完成对 ４０×６０彩 ８ ４ 色． Ｆ Ｔ ｉ Ｆｌ ｒ ｓ ｔ ） Ｔ Ｔ（ ｈ ｉ Ｔａ ｉｏ 液晶的显示控 制 ， ｎ ｍ ｎ ｓｒ 装置的总体原理
框 图 如 图 ３所 示 。
声 中， 以要设计 低 噪声高增 益 的接收 电路 ， 所 确保 接收 回波 信
号具有较高信 噪 比。文 中采 用低 噪声 运算放 大器 构成 多级 放
大电路结 构 ， 增益可达 ８ Ｂ 接收 电路原理框 图如 图 ６所示 。 Ｏｄ ．
图 ６ 接 收 电 路 原 理框 图
验表 明 ： 该装置 能够有效检 测 出直径 Ｉ２ｍ 埋深 １ ６ ｍ的平底孔缺 陷， ． ｍ、 ０— ０ ｍ 符合铝合金厚板缺 陷检测 需求 ， 具有 良好 的
工 程 应 用价 值 。
关键词 ：电磁超声 ； 铝合金厚板 ： 现场可编程 门阵列
中图分类号 ： Ｇ １ ．８ Ｔ １５ ２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ２—１４ （０ ２ ０ ０ １ ０ １０ ８ １ ２ １ ）６— ０ ３— ３
！Ｉ超声波
Ｉ ｌ
应 用电磁超声技术 进行 检测 时 ， 无需 声耦 合 剂 、 无需 对待
测试件 表面进行预处理 ， 可直接对 高温 、 高速 、 面粗糙 等恶劣 表
ｌ Ｖ 图 １ 电磁 超 声 换 能 器 工 作 原 理 图
条件下 的试件直接进行检测 ， 提高 了检 测效率 Ｊ 。电磁超声换
２ ３ Ｆ ＧＡ 及 其 外 围 电路 设 计 ． Ｐ
ＦＧ Ｐ Ａ负责控制 Ａ Ｃ采 样 、 制发射 电路 工作 、 Ｄ 控 数据 存储
和数据处理 ， 其原理框 图如 图 ７所示 。
控 制信号
图 ３ 装 置 的 总体 原 理 框图 ２１ Ｅ Ａ ． Ｍ Ｔ探 头 设 计
Ｅ Ｔ探头包 含磁 铁和线 圈 ２个部分 。磁铁在 Ｅ Ａ ＭＡ Ｍ Ｔ中占
（ｎｔｕｅｏ ｌａ ｙＡｐ ａ ａｕ ， ｒｉ ｎ ｔｕｅｏ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｈａｂｎ１ ００ ， ｈｎ ） Ｉ ｓ ｔｔ ｆ ｉ ｒ ｐ ｒｔｓＨａｂｎＩｓ ｔｔ ｆ ｃ ｎ ｌｇ ， ｒ ｉ ５ ０ １ Ｃ ｉａ ｉ Ｍｉｔ ｉ Ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｖ ｅ ｏ ｓ ｆ ｃｅ ｃ ｆｔ ｄ ｔ ｎ ｌ ｉｚ ｅｅ ｔ ｃｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｔ ｅ ｆ ｗ ｅｅ ｔ ｎ ｆ ｌ ｆｔ ｉｋ ａｕ ｎ ｍ ｌｔ ， ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｉｗ ｆｉ ｕ ｆ ｉｎ ｙ ｏ ａ ｉ ｏ ａ ｅ ｏ ｌ ｃｒ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｉ ｈ ａ ｄ ｔｃ ｉ ｅｄ ｏ ｃ ｌ ｍｉ ｕ ｐ ａ ｅ ａ ｎ ｉ ｒ ｉ ｐ ｉ ｌ ｏ ｉ ｈ
测 以保证质量 。
换能器激发 出超 声 波。但是 在超声 探 头和被 检试 件之 间需 要
感 电 应 流＼
＼
、
＼ ＿Ｏ Ｉ ｒ ）ｘ
●。 隧
声耦 合剂且对被检试件表 面清洁度要求 严格 ， 而降低 了检测 从
效率 ， 以应 用在高温 、 难 高速 等无 损检 测场合。
质子振动 ▲ Ｉ
出现多种类型 的缺 陷 （ 如夹层 、 裂纹等 ） 限制 了铝合金厚板 进 ，
一
和 弹性形变 ， 这种振 动 以波 的形式 传播 出去就形 成 了超声波 ，
其工作原理如 图 １ 所示 。
线圈
磁铁 试件
（Ｘ Ｘ Ｘ ３ ） ｏ ｏ ｏ ｏｆ ｏ
。
步 的应用 和发展 ， 因此铝合金厚 板在 出厂之前要进 行严格 检 目前广泛采用传 统的压 电超声检 测技术 ， 以压 电晶体作 为
位准确 、 探伤灵敏度高 ， 因此采用反射法进行缺陷检测。
２ 装 置 硬 件 设 计
基于 电磁超声 的铝 合金 厚板 缺陷 检测 装置 主要 由 Ｅ Ｔ ＭＡ
１ ４
Ｉ ｓｒ ｍ ｅ ｔＴｅ ｈｎｑｕ ｎ ｅ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｃ ｉ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎｓ ｒ
刁 。
图 ２ 脉 冲 反 射法 原 理 图
图 ７ Ｆ ＧＡ 及 其 外 围 电 路原 理 框 图 Ｐ
采用 自相关 算法对数据进 行处理 ， 提取 出微 弱 电磁 超声 信 号的信息 ， 可有效判断和定位铝合 金厚板 中的缺陷 。 自相关算
法由ＦＧ Ｐ Ａ实现 ， 主要模块使用 Ｖ ｒｏ 语言构建 。 ｅｉ ｇ ｌ
场 。铷铁硼 磁铁 具有 高 剩 磁 、 矫顽 力 以及 高 磁 能 积 ， 使 高 可
ｄ ｓｉｃ ｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｉ ｃｕ ｉ ｇ ｏ ｅ ａ ｉｎ ｗ ｔ ｏ ｔｃ ｕ ｌｎ ｎ ｉｈ ｅｆ ｉｎ ｙ ａ ｄ Ｓ ｎ Ｔ ｅ ｄ ｖｃ ｉｌ ｎ ｌｄ ｓ ａ ＭＡＴ ｉｔ ｔａ ｖ ａ ｅ ｎ ｌ ｄ ｎ ｐ ｒ ｔ ｉ ｕ ｏ ｐａ ｔ ａ ｄ ｈｇ ｆ ｃ ｅ ｃ ｎ Ｏ ｏ ． ｈ ｅ ｉｅ ｍａｎ ｙ ｉ ｃｕ ｅ ｎ Ｅ ｎ ｎ ｏ ｈ ｉ ｐ ｏ ｅ， ｉ ｈ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ａ ｄ ｈｇ ｏ ｒｔ ｓ ｔ ｒ ａｌ ｗ ｎ ｉｅａ ｄ ｈ ｇ ａｎ ｒ ｃ ｉｅ ， Ｐ Ａ ｎ ｔ ｅ ｐ ｅ ａ ｉ ｕ ｔ ａ ｄ ａ ｌ — ｒ ｂ ａ ｈ ｇ ｑ ｅ ｃ ｎ ｉ ｈ ｐ ｗｅ ｒ ｍｉ ｅ ， ｏ ｏｓ ｎ ｉ ｈ ｇ ｉ ｅ ｅ ｖ ｒ Ｆ Ｇ ａ ｄ ｉ ｐ ｒ ｈ ｒ ｌ ｒ ｉ ｎ ｉ ｒ ｎ ａ ｔ ｓ ｉ ｃｃ ｓ ｑ ｕ ｄ ｃｙ ｔ ｉｐ ａ ｏ ｔｏ ｉｃ ｉ ｂ ｓ ｄ ｏ ￥ Ｃ ４ ０ Ｅｘ ｅ ｍｅ ｔｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔｔｅ ｄ ｖｃ ａ ｆ ｃｉｅｙ ｄ ｔｃ ａ ｏ ｔｍｅ ｉ ｒ ｓａ ｄ ｓ ｌｙ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｕｔ ａ ｅ ｎ ３ ２ ４ ． ｐ ｒ ｎ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗｓ ｔ ａ ｈ ｅ ｉｅ ｃ ｎ ｅｆ ｔ ｌ ｅ ｅ ｔｆ ｔｂ ｔ ｌ ｃ ｉ ｅ ｖ ｉ ｏ ｄ ｈ ｌｓ ｗ ｏ ｅ ｄ ａ ｔ ｒｉ １ ２ ｍｍ ， ｎ ｈ ｅ ｔ ａ ｇ ｓｆｏ １ ｏｅ ｈ ｓ ｉｍｅ ｅ ｓ ． ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｐ ｈ ｒ ｎ ｅ ｒ ｍ ０ ｍｍ ０ ｍｍ， ｉ ｈ ｍｅ ｔ ｔ ｅ ｆ ｗ ｄ ｔｃｉ ｎ ｒｑ ｉ ｍｅ ｔ ａ ｄ ｈ ｓ ｔ ６ ｏ ｗｈ ｃ ｅｓ ｈ ａ ｅｅ ｔ ｅ ｕ ｒ ｌ ｏ ｅ ｎｓ ｎ ａ ｇ ｅ ｔｐ ｔｎ ｉ ｎ ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｐ ｌ ａ ｉｎ ． ｒ ａ ｏ ｅ ｔ ｉ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ａ ｐ ｉ ｔ ｓ ｌ ａ ｉ ｃ ｏ Ｋ ｅ ｒ ｓ ｌ ｃｒ ｍａ ｅｉ ｃ ｕ ｔ ；ｈ ｃ ｕ ｎ ｍ ｌ ｔ ｆｅｄ ｐ ｏ ａ ｙ ｗｏ ｄ ：ｅｅ ｔ ｏ ｇ ｔ ａ ｏ ｓ ｃ ｔ ｉ ｋ ａ ｍｉ ｕ ｐ ａｅ； ｌ ｒ ｇ ｍｍａ ｌ ａｅ ａ ｒｙ ｎ ｃ ｉ ｌ ｉ ｒ ｂ ｅ ｇ ｔ ｒａ
图 ５ 发 射 电路 原 理 框 图
探 头 、 射 电路 、 发 接收 电路 、 集 电路 、Ｐ Ａ及其 外 围 电路 和 采 ＦＧ
Ｅ Ｔ接收到的 回波信 号一 般 为几 十 Ｖ， 且淹 没 在 噪 ＭＡ 而
￥ Ｃ ４ ０（ ３ ２４ 基于 Ａ Ｍ ２ Ｔ内核） 其外 围电路 等几部 分组 成 。 Ｒ ９０ 及
１００ ） ５ ０ １ （ 哈尔 滨工业大学军用电器研究所 ， 黑龙江哈尔滨
摘要 ： 针对传统的压 电超 声技术 应用在铝 合金 厚板缺 陷检测 中存在 的不足 ， 计 了一种基 于 电磁超 声的铝合金 厚板 设
缺 陷检 测装置。该装置具有无 需声耦舍 剂 ， 检测效 率高等优 点。装置主要 包括 电磁 超声探 头 、 高频 大功率发射 电路 、 噪 低 声 高增 益接 收 电路 、Ｐ Ａ （ Ｆ Ｇ 现场可编程 门阵列 ） 其外 围电路 和 ￥ Ｃ ４ ０液晶控制 电路 。在铝制标准试件 上进行测试试 及 ３ ２４
基金项 目： 国防科技工业技术基础科研项 目（ １２ １Ｔ ０ ） Ｚ６ ０ ０ ０ ２ 收稿 日期 ：０ １— ８—０ 收修改稿 日期 ：０ ２— ２— ０ ２１ ０ ６ ２ １ ０ ２
缺陷检测方法有 反射法 和透射 法。透射 法是 通过检 测接
收回波信号的衰减程 度判 断缺 陷有无 。其 缺点是 需要使用 两 个相互对准 的探头 ， 不利于装置的小型化 ， 探伤灵敏度低 。
２ ２薤 ０１
仪
表 技 术 与 传 感 器
２０ｌ ２
第 ６期
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
Ｎｏ ６ ．
基 于 电磁超 声 的铝 合 金 厚板 缺 陷检 测 装置
梁 慧敏 ， 昌鹏 ， 赵 张晓辉 ， 康 磊 ， 国富 翟
反射法工作原理 如图 ２所 示 。假设 超声波声 速 为 Ｃ缺 陷 ，
回波距离 主冲击 的时间问隔为 ｔ缺 陷埋深 为 Ｓ 则有 Ｓ＝（ ， ， Ｃ Ｘ ｔ／ ， ）２ 通过 缺陷回波 出现 时刻可 以准确 定位 缺陷 位置 ， 由缺 陷 回波 幅值可 以定性估计 出缺 陷大小 。反 射法操作 方便 、 陷定 缺
Ｆｌ ａｗ ｔｃ ｉ ｎ Ｄｅ ｉｅ ｆ ｒ Ｔｌ ｃ Ａｌ ｍ ｉ ｍ ａ ｅ Ｂａ ｅ ｎ ＥＭ Ａ Ｔ Ｄｅ ｅ ｔｏ ｖ ｃ ０ ｌ ｋ ｕ ｎｕ Ｐｌｔ ｓ ｄ ｏ ｉ
Ｌ ＡＮＧ Ｈｕ ・ ｎ， ＨＡＯ Ｃ ａ ｇ ｐ ｎ ， ＨＡ Ｉ ｉｍｉ Ｚ ｈ ｎ —ｅ ｇ Ｚ ＮＧ ａ — ｕ ， Ｘｉｏ ｈ ｉ ＫＡＮＧ Ｌ ｉ Ｚ ｅ ， ＨＡＩＧｕ — ｏｆ ｕ
ｌ ｅ ｔ ｎｄ ｖ ｅｆ ｉｋａｕ ｉｕ ｌｔ ｂ ｓｄｏ ｌ ｔ ｍａｎ ｔ ｃｕｔ ａ ｓｕ ｅ Ｅ Ｔ ｗ ｓ ｅｉ ｄ Ｉ ｈｄｓｖｒ ｆｗ ｄｔｃ ｏ ｅｉ ｒｔ ｃ ｌｍ ｎｍ ｐａ ａｅ ｎｅ ｃｒ ｇｅ ｃａｏｓｃｔ ｎｄ ｃｒ（ ＭＡ ） ａ ｄｓ ｅ ．ｔ ａ ｅｅ ａ ｅｉ ｃ ｏ ｈ ｅ ｅ ｏ ｉ ｉｒ ｇ ｎ ｌ ａ
有非常重要 的作用 ， 场 强度 的平 方 与 Ｅ Ｔ的信 噪 比成正 磁 ＭＡ
比 ］ 因此磁场强度增加会引起 Ｅ Ｔ换能 效率显著增加 。常 ， ＭＡ 用 的磁铁形式有 永磁铁 和 电磁 铁 ２种 。电磁铁难 以实现检 测 装 置小 型化 和低功 耗 的设计 要求 ， 以选用 永磁 铁来 提供 磁 所