多通道電磁超聲測厚系統(tǒng)

王旻玥，康宜華，葉志堅(jiān)，王宇翔

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司，湖北武漢 430074)

0 引言

管道(或板材)厚度精確快速測量具有廣泛的應(yīng)用前景。電磁超聲測厚具有無需耦合劑、非接觸、耐高溫等特點(diǎn)［1］，得到了眾多學(xué)者關(guān)注。S.Dixon等設(shè)計(jì)了一種電磁超聲測厚系統(tǒng)［2］，可用于鋁板測厚，精度達(dá)0.2%;曹建海等設(shè)計(jì)了基于MCS－51單片機(jī)的電磁超聲測厚系統(tǒng)［3］，測量精度達(dá)到0.5%;劉天華等開發(fā)了一套EMAT測距測厚系統(tǒng)［4］，測量精度達(dá)到0.1 mm，可用于在線測量火車車輪輪緣、鋼板厚度;段偉亮等設(shè)計(jì)了基于FPGA的電磁超聲測厚系統(tǒng)［5］，分辨力可達(dá)0.1 m。但以上研究均為單通道測厚，對管道全覆蓋快速掃描存在局限。為此，本文提出一種利用單脈沖激勵(lì)電磁超聲、多板卡級聯(lián)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)16通道以上的多通道電磁超聲測厚，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可通過上位機(jī)完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、超聲回波顯示和厚度監(jiān)測等功能，適用于自動化超聲測厚。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

電磁超聲測厚系統(tǒng)主要由電磁超聲換能器(EMAT)、電磁超聲測厚儀、上位機(jī)3部分組成。測厚儀內(nèi)部包括信號激勵(lì)與接收、信號處理和顯示模塊等，如圖1所示。EMAT受激勵(lì)信號的影響，通過一系列電磁效應(yīng)，產(chǎn)生超聲波并轉(zhuǎn)化為電信號。測厚儀采集到信號，經(jīng)過濾波等處理，直接顯示超聲回波脈沖波形和計(jì)算得到的被測件厚度，同時(shí)將波形數(shù)據(jù)和厚度數(shù)據(jù)送至上位機(jī)進(jìn)行分析處理。整個(gè)系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了多通道超聲回波數(shù)據(jù)的高速采集、運(yùn)算、存儲、顯示等功能。

圖1 電磁超聲測厚系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 硬件功能實(shí)現(xiàn)

2.1EMAT 測厚

本文根據(jù)電磁超聲測量原理，利用永磁體加平面螺旋線圈制作EMAT，以洛倫茲力為主導(dǎo)機(jī)制力激發(fā)超聲橫波測厚，如圖2所示。當(dāng)高頻電流通過線圈時(shí)，空氣和金屬中感生出交變磁場，從而在工件的趨膚層內(nèi)感生渦流，在外磁場作用下產(chǎn)生交變的洛倫茲力，使得工件的材料晶格發(fā)生彈性振動，產(chǎn)生超聲波。同時(shí)，在交變磁場和外加磁場的作用下，鐵磁性工件產(chǎn)生的宏觀形變也會激發(fā)超聲波。超聲波脈沖在工件內(nèi)來回反射，線圈感應(yīng)到一系列回波脈沖信號。由兩次相鄰回波脈沖的時(shí)間間隔t得工件厚度:

式中c為超聲波在工件中傳播的聲速。

由于電磁超聲換能效率較低，要激發(fā)出超聲波一般采用猝發(fā)式脈沖串來給電磁超聲探頭加載激勵(lì)，因?yàn)檫@種方法產(chǎn)生的電流密度大，易于激發(fā)出更高的能量。但是這樣會導(dǎo)致脈寬較大，帶來更大的盲區(qū)范圍。因此本文為實(shí)現(xiàn)管道壁厚的精確測量，采用單脈沖激勵(lì)的方式，信號發(fā)生電路產(chǎn)生方波脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路和MOS管開關(guān)電路產(chǎn)生高壓窄脈沖來激勵(lì)EMAT工作，激勵(lì)電路的原理如圖3所示。

圖2 EMAT工作原理

圖3 單脈沖激勵(lì)電路原理

2.2 控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)快速測厚，電磁超聲測厚儀采用ARM(STM32F407ZGT6)與FPGA(EP3C16Q240C8N)構(gòu)成控制系統(tǒng)核心，將ARM高效的處理能力與FPGA配置靈活的特點(diǎn)結(jié)合起來。ARM通過PS方式配置FPGA，實(shí)現(xiàn)電磁超聲測厚儀的信號實(shí)時(shí)采集、高速處理及測量結(jié)果顯示等功能。

電磁超聲測厚系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。主控制板上的FPGA根據(jù)ARM的控制指令輸出觸發(fā)信號給多通道EMAT激勵(lì)模塊。該模塊包含4張數(shù)據(jù)采集板，每張采集板4個(gè)通道，分別采集該通道的EMAT回波信號。各通道接收到采樣信號，經(jīng)過前置放大、濾波等信號調(diào)理電路，將數(shù)據(jù)送至采集板上的FPGA(EP3C10E144I7N)。主控制板上的FPGA通過片選4張采集板上的FPGA，獲取采樣數(shù)據(jù)并緩存，再傳輸給ARM處理并計(jì)算出工件厚度。最后回波信號和厚度值通過ARM控制顯示在電磁超聲測厚儀的液晶屏上。同時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信傳遞至上位機(jī)，供上位機(jī)軟件作進(jìn)一步處理。

圖4 電磁超聲測厚系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)多通道EMAT激勵(lì)模塊時(shí)，采用4張采集板級聯(lián)的方式進(jìn)行組合。各采集板上的通道通過時(shí)鐘控制依次循環(huán)工作。圖5中以2張采集板上的8個(gè)通道為例，來說明串行、并行工作方式的區(qū)別。4張采集板串行工作時(shí)，16個(gè)通道依次交替工作時(shí)，每次只有一個(gè)通道處于有效工作狀態(tài)，單通道采樣頻率為f=125 MHz。這種方式對通道間探頭空間布置要求不高，但重復(fù)頻率卻會隨著板卡數(shù)量增加而下降。當(dāng)檢測速度快時(shí)可將板卡切換為并行工作方式，單通道重復(fù)頻率可提高為之前的4倍。

圖5 板卡工作方式

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)與測厚儀之間的通信軟件采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具，利用基于UDP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)與測厚儀的通信。UDP協(xié)議與TCP協(xié)議相比，數(shù)據(jù)傳輸效率更高，實(shí)時(shí)性更好［6］，能適應(yīng)電磁超聲測厚通信高速大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。上位機(jī)創(chuàng)建套接字，綁定本地IP及端口，設(shè)定服務(wù)器端(即測厚儀)IP及端口，即可開始通信。上位機(jī)將控制指令以數(shù)據(jù)報(bào)的形式發(fā)送給服務(wù)器端。

上位機(jī)和測厚儀建立連接后，可在軟件界面上選擇顯示各通道超聲回波波形，根據(jù)波形調(diào)整厚度計(jì)算相關(guān)的參數(shù)和設(shè)置，或直接調(diào)取之前保存的參數(shù)文件，避免每次開機(jī)逐個(gè)設(shè)置儀器通道參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行標(biāo)定，對被測件的厚度設(shè)置上下門限。在檢測過程中，被測件厚度變化過大超出門限設(shè)置的范圍則報(bào)警并標(biāo)記。整個(gè)檢測過程的數(shù)據(jù)保存在文件中，方便以后讀取和細(xì)化分析。多通道獲取信號后可進(jìn)行融合處理得到更準(zhǔn)確的厚度。圖6為上位機(jī)程序流程圖。

圖6 程序流程圖

4 試驗(yàn)測試及應(yīng)用

對電磁超聲測厚系統(tǒng)精度進(jìn)行測試分析，將單通道多次測得的厚度與CTS－3020型壓電超聲儀(測量分辨力0.1 mm)測得厚度、游標(biāo)卡尺測得厚度進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 電磁超聲系統(tǒng)測厚、壓電超聲儀測厚、游標(biāo)卡尺測厚數(shù)據(jù)對比 mm

由表1可知，電磁超聲系統(tǒng)測得厚度準(zhǔn)確，瞬時(shí)值跳變范圍不超過0.03 mm。根據(jù)《JJF 1126—2004超聲波測厚儀校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，系統(tǒng)示值誤差在范圍內(nèi)(以游標(biāo)卡尺讀數(shù)作為被測件厚度標(biāo)稱值H)，系統(tǒng)分辨力達(dá)到0.1 mm。

將電磁超聲測厚系統(tǒng)應(yīng)用于自動化鋼管測厚裝備，對快速直線前進(jìn)鋼管測厚。直徑Φ73 mm的油管測得管壁厚度為4.91 mm，上位機(jī)軟件界面如圖7所示，信號基本保持穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

電磁超聲測厚系統(tǒng)利用ARM與FPGA控制系統(tǒng)運(yùn)行，采用單脈沖激勵(lì)EMAT產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)多通道超聲回波數(shù)據(jù)的高速采集、運(yùn)算、存儲、顯示等功能。系統(tǒng)具有高性能、低成本、體積小、低功耗的特點(diǎn)。上位機(jī)軟件使用基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與測厚系統(tǒng)的連接，數(shù)據(jù)傳輸效率高，實(shí)時(shí)性好。軟件完成超聲回波信號的處理和顯示管道厚度變化的監(jiān)測等功能，適合自動化測厚應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)接口通信，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的測厚系統(tǒng)開發(fā)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 油管壁厚變化

［1］HIRAO M，OGI H，YASUI H.Contactless measurement of bolt axial stress using a shear－ wave electromagnetic acoustic transducer.NDT＆ E International，2001，34(3):179 －183.

［2］DIXON S，ECWARDS C，PALMER S B.High accuracy non － contact ultrasonic thickness gauging of aluminium sheet using electromagnetic Acoustic Transducers.Ultrasonics，2001(39):445 －453.

［3］曹建海，嚴(yán)拱標(biāo)，韓曉楓.電磁超聲測厚系統(tǒng)原理及其應(yīng)用——一種新型超聲測厚法.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36(1):88－91.

［4］劉天華，喬學(xué)亮，陳建國.EMAT測距測厚的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn).測控技術(shù)，2005，24(4):20 －22.

［5］段偉亮，康磊，張曉輝，等.基于FPGA的電磁超聲測厚系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2010(4):14－16.

［6］趙飛，葉震.UDP協(xié)議與TCP協(xié)議的對比分析與可靠性改進(jìn).計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006(9):219－221.