儲(chǔ)罐底板電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)研制

張翱龍，呂 馳，王俊杰，饒臻浩，李 濤，武新軍

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.中國石油化工股份有限公司天津分公司 裝備研究院，天津 300271)

0 引言

儲(chǔ)罐是石油、化工等領(lǐng)域重要儲(chǔ)存容器，是使用最為廣泛的壓力容器之一，其設(shè)備制造監(jiān)督、檢驗(yàn)及后續(xù)維護(hù)等對(duì)儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行具有重要影響。常壓儲(chǔ)罐在役時(shí)間較長，儲(chǔ)存的介質(zhì)主要為原油或污水，伴隨著儲(chǔ)罐服役年限增長，近年來不少常壓儲(chǔ)罐都出現(xiàn)過一些問題，儲(chǔ)罐底板腐蝕是最為常見的安全隱患之一[1]。常規(guī)的漏磁檢測(cè)技術(shù)難以對(duì)儲(chǔ)罐底板厚度進(jìn)行精確測(cè)量，并且難以識(shí)別大面積均勻腐蝕減薄缺陷，容易造成漏檢、誤檢[2-5]；而壓電超聲技術(shù)需要耦合劑，難以實(shí)現(xiàn)大面積檢測(cè)。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)具有測(cè)厚精度高、不需要耦合劑、非接觸等優(yōu)點(diǎn)[6]，在儲(chǔ)罐底板檢測(cè)方面有廣闊應(yīng)用前景。目前電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于儲(chǔ)罐底板檢測(cè)仍需攻克相關(guān)難題，一方面，由于儲(chǔ)罐底板面積大，檢測(cè)量龐大，而現(xiàn)有電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)多采用A/D采樣方式測(cè)厚，回波數(shù)據(jù)量大，信號(hào)處理復(fù)雜，只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)厚，難以實(shí)現(xiàn)多通道掃查式厚度測(cè)量[7]；另一方面，儲(chǔ)罐底板厚度范圍變化大，并且所用材料多為熱軋鋼板，晶粒粗大[8]，導(dǎo)致高頻電磁超聲激勵(lì)時(shí)，超聲衰減快，難以對(duì)厚板進(jìn)行測(cè)量，而低頻激勵(lì)時(shí)回波信號(hào)分辨率低，難以對(duì)薄板進(jìn)行測(cè)厚[9]。

針對(duì)上述問題，研制了一套儲(chǔ)罐底板電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過硬件電路把回波信號(hào)處理成只包含回波包絡(luò)波峰的脈沖聲時(shí)回波信號(hào)，無需A/D采樣，極大減少了電磁超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸處理量，厚度計(jì)算簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)掃查式厚度測(cè)量。同時(shí)，為了增強(qiáng)該系統(tǒng)在儲(chǔ)罐底板材料上的適應(yīng)性，通過研究探頭接收線圈，改變接收信號(hào)特性，在探頭低頻激勵(lì)時(shí)實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)高分辨率獲取，進(jìn)而在材料晶粒粗大的情況下實(shí)現(xiàn)大范圍板厚測(cè)量。該系統(tǒng)在儲(chǔ)罐底板所采用的16MnR熱軋鋼板上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)罐底板大范圍掃查式高精度、高靈敏度厚度測(cè)量。

1 基本原理

電磁超聲探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括永磁體、屏蔽銅板、接收線圈、激勵(lì)線圈和被測(cè)試件。傳感器工作時(shí)，永磁體提供偏置磁場(chǎng)，激勵(lì)線圈通以高頻交變電流，其周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，在試件表面趨膚深度內(nèi)形成感應(yīng)渦流。在偏置磁場(chǎng)的作用下，試件表面會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)力或應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)并在試件中傳播形成超聲波。超聲波接收過程為：接收線圈通過感應(yīng)試件內(nèi)部微觀粒子振動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生的磁場(chǎng)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)拾取[10]。屏蔽銅板用于隔離磁鐵中的聲波干擾[11]。

圖1 電磁超聲探頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electromagnetic acoustic transducer

探頭發(fā)射的超聲波在被測(cè)構(gòu)件上下表面間來回反射形成一系列脈沖回波，并被探頭接收，回波信號(hào)如圖2所示。回波信號(hào)主要包括阻塞區(qū)、多個(gè)脈沖回波和噪聲。其中，回波信號(hào)衰減主要包含兩個(gè)方面：由被測(cè)試件材料特性決定的多個(gè)脈沖回波峰值衰減α1，由線圈特性決定的單個(gè)回波衰減α2。其衰減過程均符合指數(shù)衰減規(guī)律，其公式如下：

(1)

式中,U1為信號(hào)峰值，V；U0為起始幅值，V；α1為峰值衰減系數(shù)，主要受材料特性影響；t為聲波傳播時(shí)間，ms；U2為單個(gè)回波振蕩幅值，V；w為振蕩角頻率，rad/s；α2為振蕩衰減系數(shù)，主要受線圈特性影響；t′為單個(gè)波包持續(xù)時(shí)間，ms。

圖2 電磁超聲回波信號(hào)Fig.2 Electromagnetic acoustic echo signal

傳統(tǒng)A/D采樣方式將回波信號(hào)完全采集進(jìn)而求取脈沖回波時(shí)間間隔，而回波信號(hào)中的阻塞區(qū)、噪聲、脈沖回波的振蕩以及負(fù)半軸信號(hào)，對(duì)于測(cè)厚而言是冗余數(shù)據(jù)，會(huì)增大數(shù)據(jù)處理量。為減小數(shù)據(jù)量，濾除多余回波信號(hào)(如圖2所示),設(shè)定一定閾值，使回波信號(hào)幅值大于閾值的信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑∮陂撝档男盘?hào)變?yōu)榈碗娖?，其公式如下?/p>

(2)

式中,V為輸出脈沖電壓，V;U為回波信號(hào)幅值，V;T為閾值電平，V。

由此，回波信號(hào)被截取轉(zhuǎn)化為僅包含回波聲時(shí)信息的脈沖電平信號(hào)(如圖3所示)，極大減小數(shù)據(jù)傳輸和處理量。為進(jìn)一步減小數(shù)據(jù)傳輸量，將閾值設(shè)置環(huán)節(jié)放置在接收模擬電路中，最終實(shí)現(xiàn)無需A/D轉(zhuǎn)換，僅通過FPGA芯片I/O口即可獲取回波信號(hào)聲時(shí)信息，其流程如圖4所示。首先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)可通過上位機(jī)調(diào)節(jié)；然后，采用比較器設(shè)置一定閾值，與放大后的回波信號(hào)進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)閾值大小和回波信號(hào)放大倍數(shù)，進(jìn)一步將回波信號(hào)處理成圖3所示的實(shí)時(shí)脈沖信號(hào)；最后，F(xiàn)PGA芯片I/O口采集回波聲時(shí)脈沖信號(hào)，根據(jù)數(shù)字脈沖間隔處理計(jì)算得到聲時(shí)值。

圖3 回波聲時(shí)脈沖信號(hào)

圖4 回波信號(hào)處理流程

由圖5可以看出，回波信號(hào)具有單個(gè)回波包含多個(gè)振蕩信號(hào)和多個(gè)回波隨著傳播衰減的特點(diǎn)。單閾值截取過程中，如果閾值設(shè)置過小，容易造成截取多個(gè)振蕩信號(hào)，從而導(dǎo)致厚度計(jì)算錯(cuò)誤；如果閾值設(shè)置過大，容易造成截取有效回波數(shù)目不足，從而導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)厚度計(jì)算。考慮到儲(chǔ)罐底板厚度范圍變化大，不同厚度回波信號(hào)特性不同，在同一閾值設(shè)置下難以實(shí)現(xiàn)大范圍的厚度測(cè)量，而在檢測(cè)過程中手動(dòng)設(shè)置閾值大小將增加檢測(cè)工作量。因此，本文通過電磁超聲傳感器線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得回波能夠在大范圍板厚變化中保持穩(wěn)定，以提高檢測(cè)系統(tǒng)適應(yīng)性。

圖5 閾值選取Fig.5 Threshold selection

針對(duì)線圈對(duì)回波信號(hào)影響規(guī)律研究，電磁超聲探頭激勵(lì)采用諧振激勵(lì)方式，諧振激勵(lì)的傳感器工作頻率與線圈匝數(shù)相關(guān)，匝數(shù)越少、激勵(lì)頻率越高，回波信號(hào)分辨率越高；接收信號(hào)的回波特性與接收線圈匝數(shù)相關(guān)，為提高接收回波信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而增大探頭提離，因此接收線圈所需匝數(shù)遠(yuǎn)大于激勵(lì)線圈匝數(shù)。由于激勵(lì)和接收過程的線圈匝數(shù)差異較大，單線圈結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是難以同時(shí)滿足激勵(lì)和接收對(duì)匝數(shù)的需求，因此采用雙線圈結(jié)構(gòu)。一方面，儲(chǔ)罐底板材料較多采用16MnR熱軋?zhí)间摪澹谥圃爝^程中為節(jié)省成本，一般不做進(jìn)一步細(xì)化晶粒處理，因此儲(chǔ)罐底板晶粒較為粗大；另一方面，儲(chǔ)罐底板厚度變化范圍較大，小厚度下，電磁超聲測(cè)厚需要提高激勵(lì)頻率以提高信號(hào)分辨率；大厚度下，由于高頻信號(hào)在粗晶材料中衰減較快，因此需要減小激勵(lì)頻率，減小聲波衰減。因此，提高信號(hào)在低頻下的分辨率是提高探頭適應(yīng)性的關(guān)鍵。由于激勵(lì)頻率較低，本研究中通過減小波包寬度的方式提高信號(hào)分辨率，通過接收線圈特性研究，選擇合適接收線圈匝數(shù)，調(diào)節(jié)激勵(lì)線圈、接收線圈和永磁體間距，改變電磁超聲探頭信號(hào)特點(diǎn)[12]，加快單個(gè)回波的振蕩衰減速率，提高信號(hào)分辨率以適應(yīng)大范圍板厚測(cè)量。

2 檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)上述檢測(cè)原理研制的HEMAT-A型儲(chǔ)罐底板電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)如圖6,7所示，主要包括儲(chǔ)罐底板掃查器、信號(hào)激勵(lì)接收控制器、運(yùn)動(dòng)控制器和計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)。

儲(chǔ)罐底板掃查器以輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)、從動(dòng)輪輔助運(yùn)動(dòng)、采樣控制輪用來實(shí)現(xiàn)測(cè)量板厚與位置對(duì)應(yīng)，搭載4通道電磁超聲傳感器、信號(hào)激勵(lì)接收控制器、計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)、電池盒和運(yùn)動(dòng)控制器。計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)內(nèi)安裝上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件通過USB傳輸線發(fā)送命令給信號(hào)激勵(lì)接收控制器，信號(hào)激勵(lì)接收控制器產(chǎn)生高壓脈沖、通過4通道BNC插頭傳輸?shù)?通道電磁超聲傳感器，4通道電磁超聲傳感器接收儲(chǔ)罐底板回波信號(hào)、通過4通道BNC插頭傳輸?shù)叫盘?hào)激勵(lì)接收傳感器，信號(hào)激勵(lì)接收控制器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理得到儲(chǔ)罐底板厚度值，采樣控制輪產(chǎn)生的編碼信號(hào)觸發(fā)儲(chǔ)罐底板厚度值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行儲(chǔ)罐底板掃查厚度繪制。運(yùn)動(dòng)控制器用于控制輪轂電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)把在0～5 m/min之間進(jìn)行速度無級(jí)調(diào)節(jié)。

圖6 HEMAT-A型儲(chǔ)罐底板電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)樣機(jī)Fig.6 The prototype of HEMAT-A electromagnetic acousticthickness measurement system for tank floor

圖7 儲(chǔ)罐底板電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 儲(chǔ)罐底板掃查器

根據(jù)前述原理，結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)制作了儲(chǔ)罐底板電磁超聲探頭。根據(jù)探頭尺寸，設(shè)計(jì)并制作儲(chǔ)罐底板掃查器，主要包括4通道電磁超聲傳感器、采樣控制輪、輪轂電機(jī)和從動(dòng)輪。輪轂電機(jī)和從動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)掃查器運(yùn)動(dòng)，采樣控制輪將水平移動(dòng)距離轉(zhuǎn)換成等間隔脈沖信號(hào)。4通道電磁超聲傳感器由4個(gè)電磁超聲探頭組成，4個(gè)探頭并列安裝，每個(gè)探頭寬度70 mm，探頭之間間隔8 mm 寬度作為安裝距離，掃查寬度為304 mm。

2.2 信號(hào)激勵(lì)接收控制器

信號(hào)激勵(lì)接收控制器系統(tǒng)框圖如圖7所示，該系統(tǒng)主要包括數(shù)字電路部分和模擬電路部分兩大電路模塊。數(shù)字電路模塊主要完成激勵(lì)控制、程控放大命令的解析發(fā)送以及回波信號(hào)的接收、計(jì)算和傳輸，模擬電路主要完成高電壓脈沖激勵(lì)、回波信號(hào)調(diào)理、信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)化等。

在激勵(lì)過程中，計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)通過USB將命令傳輸?shù)郊?lì)控制模塊，控制信號(hào)發(fā)生電路發(fā)射諧波脈沖，經(jīng)功率放大電路放大后，激勵(lì)出高壓激勵(lì)信號(hào)到電磁超聲傳感器的激勵(lì)線圈。在接收過程中，電磁超聲傳感器接收儲(chǔ)罐底板弱回波信號(hào)，經(jīng)放大電路放大和濾波電路濾波后，得到濾除噪聲的放大回波信號(hào)，放大濾波回波信號(hào)經(jīng)比較電路比較后得到僅包含回波峰值的回波聲時(shí)脈沖信號(hào)。計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)可通過程控放大模塊發(fā)送命令控制放大電路的放大倍數(shù)和比較電路的比較電壓，放大倍數(shù)和比較電壓的設(shè)置是采集前針對(duì)被測(cè)試板的標(biāo)定過程。標(biāo)定時(shí)，首先和測(cè)量過程一致，得到放大濾波回波信號(hào)，經(jīng)回波采樣模塊直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)顯示波形，根據(jù)波形幅值特性，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和比較器比較電壓。采樣控制輪通過編碼器將位移轉(zhuǎn)換為等間距編碼脈沖信號(hào)，經(jīng)編碼脈沖模塊計(jì)數(shù)換算成位移，進(jìn)而確定不同板厚所對(duì)應(yīng)的位置。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制器

檢測(cè)系統(tǒng)采用輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)力矩大，調(diào)節(jié)簡便。運(yùn)動(dòng)控制器通過轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)控制輪轂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃查器的無級(jí)調(diào)速，該裝置解決了儲(chǔ)罐底板檢測(cè)時(shí)吸附力大造成的人員疲勞及相關(guān)安全隱患等問題。

2.4 計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)主要包括電磁超聲測(cè)厚軟件，軟件基于Windows平臺(tái)MFC開發(fā)，其總體框架如圖8所示。

圖8 電磁超聲測(cè)厚軟件框架

根據(jù)電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)的需求，電磁超聲測(cè)厚軟件分為參數(shù)標(biāo)定、厚度測(cè)量和結(jié)果分析三大功能模塊。實(shí)現(xiàn)的主要功能有：A/D采樣設(shè)置、等時(shí)間采樣設(shè)置、程控放大設(shè)置、聲速設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與保存、主機(jī)參數(shù)設(shè)置、等空間采樣設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取與分析。具體系統(tǒng)操作流程為：檢測(cè)前先進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)需要主機(jī)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)置，包括激勵(lì)周期、脈沖寬度、延遲時(shí)間和聲速設(shè)置。標(biāo)定分為兩個(gè)過程，首先是程控放大倍數(shù)標(biāo)定，在A/D采樣設(shè)置狀態(tài)下，分別在最大和最小厚度試板上進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)回波波形調(diào)節(jié)放大電路倍數(shù)和比較器電壓值，使其能夠在被測(cè)板厚范圍內(nèi)測(cè)量；然后是聲速標(biāo)定，在等時(shí)間采樣設(shè)置狀態(tài)下，在標(biāo)準(zhǔn)板上進(jìn)行厚度測(cè)量，根據(jù)聲時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)厚度標(biāo)定聲速。標(biāo)定完成后，退出A/D采樣模式，根據(jù)標(biāo)定值設(shè)置主機(jī)參數(shù)，等空間采樣設(shè)置狀態(tài)下，對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中采用無A/D采樣模式。檢測(cè)完成，進(jìn)行測(cè)厚數(shù)據(jù)分析，根據(jù)上位機(jī)繪制厚度隨位置變化曲線，確定減薄缺陷所在位置。

3 性能測(cè)試

3.1 檢測(cè)靈敏度

電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)通過FPGA芯片I/O口獲取回波信號(hào)聲時(shí)信息進(jìn)行厚度計(jì)算，因此理論上，其檢測(cè)靈敏度僅與FPGA主頻和聲波傳播速度有關(guān)，該系統(tǒng)所用FPGA芯片主頻為50 MHz，按橫波傳播速度3 200 m/s計(jì)算，其理論測(cè)厚靈敏度為0.032 mm。實(shí)際上，由于信號(hào)噪聲引起的峰值誤判，實(shí)際測(cè)厚靈敏度會(huì)降低，因此，進(jìn)行測(cè)厚靈敏度試驗(yàn)。

圖9(a)為用來標(biāo)定聲速的6.00 mm厚45號(hào)鋼板。在等時(shí)間采樣模式下采集回波波形計(jì)算聲時(shí)，標(biāo)定聲速值為3 285.42 m/s。圖9(b)為用來測(cè)試性能的8.00 mm厚45號(hào)鋼板。標(biāo)定聲速后，在等空間采樣模式下，分別在1#,2#,3#位置處測(cè)量板厚，電磁超聲測(cè)厚軟件測(cè)得板厚值分別為8.03,8.05,8.05 mm。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠達(dá)到測(cè)厚靈敏度為0.05 mm。

(a)厚度6.00 mm

(b)厚度8.00 mm圖9 標(biāo)準(zhǔn)厚度45號(hào)鋼板Fig.9 Standard thickness No.45 steel plate

3.2 檢測(cè)精度

檢測(cè)精度主要包括厚度檢測(cè)精度、缺陷大小檢測(cè)精度和小車掃查精度。厚度檢測(cè)精度以上述測(cè)厚靈敏度0.05 mm作為標(biāo)準(zhǔn)。缺陷大小檢測(cè)精度以線圈直徑的1.5倍，即32×1.5=48 mm作為標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)表明，探頭在直徑50 mm平底孔能夠測(cè)出厚度值，這里的直徑50 mm平底孔是給定當(dāng)前系統(tǒng)的一個(gè)可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)，需要進(jìn)一步研究才能給出缺陷大小檢測(cè)精度，問題比較復(fù)雜，是后續(xù)研究工作重點(diǎn)。

針對(duì)小車掃查精度，做下述分析驗(yàn)證。該電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)通過FPGA芯片I/O口獲取回波信號(hào)聲時(shí)信息進(jìn)行厚度計(jì)算，無需對(duì)波形進(jìn)行處理，厚度算法計(jì)算量小、計(jì)算時(shí)間可忽略不計(jì)；因此，聲時(shí)信息采樣時(shí)間僅與聲波傳播時(shí)間相關(guān)，按聲波傳播速度3 200 m/s、儲(chǔ)罐最大厚度40 mm、采集3次脈沖反射回波時(shí)間計(jì)算，完成一次采樣需要7.5×10-5s，按掃查器最快掃查速度5 m/min計(jì)算，該系統(tǒng)理論可達(dá)到每0.006 25 mm獲取一個(gè)點(diǎn)板厚值。但是，聲時(shí)采樣頻率不僅與信號(hào)接收處理模塊有關(guān)，也與激勵(lì)模塊有關(guān)。電磁超聲探頭激勵(lì)方式采用諧振激勵(lì)，諧振激勵(lì)方式能達(dá)到的采樣頻率與激勵(lì)電路器件工作頻率相關(guān)，該激勵(lì)電路工作重復(fù)頻率為100 Hz，接收電路采樣時(shí)間遠(yuǎn)小于激勵(lì)時(shí)間，可忽略不計(jì)，按掃查器最快掃查速度5 m/min計(jì)算，該系統(tǒng)實(shí)際可以達(dá)到每0.83 mm獲取一個(gè)點(diǎn)板厚值。試驗(yàn)測(cè)試每秒采樣的厚度值點(diǎn)數(shù)與計(jì)算值符合，因此，該系統(tǒng)掃查精度為0.83 mm。后期若選用更高開關(guān)頻率的MOS管，可提高小車掃查精度。

表1 厚度8.00 mm的45號(hào)鋼厚度測(cè)量值及隨機(jī)誤差分析Tab.1 Thickness measurement value and random error analysis of 8.00 mm thick No.45 steel

3.3 掃查測(cè)厚性能測(cè)試

圖10示出掃查式測(cè)厚試驗(yàn)階梯鋼板，鋼板材料為16MnR熱軋合金鋼，厚度20 mm，鋼板底部有不同深度、不同直徑平底盲孔。在上述軟硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，掃查器按圖10所示路徑分別經(jīng)過?100 mm厚度7 mm，?100 mm厚度12 mm和?150 mm厚度12 mm平底盲孔，得到4通道電磁超聲測(cè)厚信號(hào)圖如圖11所示。

圖10 16MnR熱軋階梯鋼板Fig.10 16MnR hot-rolled stepped steel plate

圖11 4通道電磁超聲測(cè)厚信號(hào)示意Fig.11 Schematic diagram of 4-channel electromagneticacoustic thickness measurement signal

通道1和通道4探頭在基礎(chǔ)板厚上掃查，測(cè)量值維持在20 mm；通道2掃查經(jīng)過?150 mm厚度12 mm平底盲孔，測(cè)量值出現(xiàn)12 mm厚度變化；通道3掃查經(jīng)過?100 mm厚度7 mm，?100 mm厚度12 mm和?150 mm厚度12 mm平底盲孔，測(cè)量值出現(xiàn)7 mm和兩次不同時(shí)間長度12 mm厚度變化；通道2和通道3同時(shí)經(jīng)過?150 mm、厚度12 mm平底盲孔，厚度值同時(shí)發(fā)生變化。掃查器通道3探頭在經(jīng)過板厚發(fā)生變化的階梯邊緣時(shí)，由于邊緣效應(yīng)，探頭同時(shí)接收兩個(gè)板厚信息，信號(hào)出現(xiàn)紊亂，厚度測(cè)量值在階梯邊緣會(huì)發(fā)生劇烈跳動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，鋼板腐蝕一般為大面積厚度減薄，板厚一般不會(huì)發(fā)生突變，如果測(cè)量值出現(xiàn)劇烈跳動(dòng)的情況，可以作為出現(xiàn)裂紋缺陷的參考，采取其他手段進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。掃查器通道4探頭20 mm板厚測(cè)量值存在抖動(dòng)現(xiàn)象，這是由于探頭顛簸或者鋼板內(nèi)部缺陷對(duì)信號(hào)造成的干擾。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，該電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掃查式儲(chǔ)罐底板厚度測(cè)量。

4 結(jié)語

針對(duì)儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)對(duì)均勻壁厚減薄缺陷不敏感的問題，提出采用電磁超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行掃查式測(cè)厚。基于電磁超聲傳感器信號(hào)特點(diǎn)，研制一套儲(chǔ)罐底板電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)，并完成性能測(cè)試。

(1)在電磁超聲傳感器的研制中，針對(duì)儲(chǔ)罐底板材料晶粒粗大和壁厚變化范圍大的特點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究激勵(lì)接收線圈的特性，研制了適用于儲(chǔ)罐底板的低頻、高分辨率的電磁超聲探頭，該探頭通過降低頻率可在粗晶大厚度下減小衰減，通過加快脈沖振蕩提高回波分辨率，解決了電磁超聲回波信號(hào)高頻衰減快、低頻分辨率低的問題。

(2)在激勵(lì)接收控制器的研制中，針對(duì)傳統(tǒng)A/D采樣回波信號(hào)波形數(shù)據(jù)量大、聲時(shí)計(jì)算復(fù)雜，利用上述探頭低頻、高分辨率特點(diǎn)，通過在模擬電路采用比較器截取回波峰值得到回波聲時(shí)脈沖信號(hào)，極大減小數(shù)據(jù)量，能夠滿足掃查器快速移動(dòng)下實(shí)時(shí)測(cè)厚。針對(duì)本系統(tǒng)無A/D采樣特點(diǎn)，開發(fā)計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)，規(guī)定測(cè)厚流程，首先在A/D采樣模式下標(biāo)定放大電路倍數(shù)和比較器電壓值；在等時(shí)間采樣模式下，標(biāo)定被測(cè)儲(chǔ)罐底板聲速；在等空間采樣模式下，進(jìn)行厚度測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。

(3)根據(jù)厚度7～20 mm的16MnR熱軋階梯平底孔鋼板上性能測(cè)試結(jié)果，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掃查式厚度測(cè)量，測(cè)厚靈敏度為0.05 mm，厚度檢測(cè)精度為0.05 mm，缺陷大小檢測(cè)精度為48 mm，掃查精度為0.83 mm。下一步工作是進(jìn)一步提高缺陷大小檢測(cè)精度和掃查精度以及提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，并開展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。