利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法技术

本发明专利技术公开了一种利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法；该方法利用周期性永磁体电磁换能器发射水平剪切导波，沿传播方向多次(至少需要移动一次)平移接收传感器位置后并记录导波信号。然后，利用信号处理方法分别对不同位置的导波信号进行分析计算。在此基础上，通过对超声导波在金属板材中传播的体波波速以及不同模态的相速度的计算，结合电磁超声导波的频散特性实现对金属板材厚度的快速准确测量，本发明专利技术有效解决了超声导波在金属板材中传播速度无法准确获得的问题，消除了金属板材几何形状以及外部测量条件对波速测量的影响，具有检测速度快、准确度高等显著特点。

Fast measurement of sheet metal thickness based on the dispersion characteristics of electromagnetic ultrasonic guided wave

【技术实现步骤摘要】
利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法
本专利技术属于金属板材的测厚领域，具体涉及一种利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法。
技术介绍
金属板材在生产加工过程中由于制造水平限制容易出现厚度不均。同时，实际使用中磨损、应力或腐蚀等因素会进一步加剧其厚度变化，降低设备的稳定性、可靠性和使用寿命。因此，金属板材的精准测厚是确保其质量和性能的首要前提，对安全生产至关重要。目前常用的测厚方法多为压电式超声检测技术。该技术作为一种接触测量技术，对被测试件表面条件要求苛刻，检测过程必须使用耦合剂，适用范围有限而且检测精度不高。和压电式超声检测技术相比，电磁超声检测技术作为非接触测量技术，对试件表面条件没有要求，适用于各种检测环境。同时，检测过程中无需耦合剂可有效提高检测效率，因而近年来得到了广泛应用。然而，现有的电磁超声检测技术主要利用超声导波在金属内的传播速度和传播时间直接计算试件厚度，导致检测精度往往不高。为了有效提高电磁超声检测技术的测厚精度，近年来国内外研究人员在电磁超声换能器的制作工艺、优化设计以及信号处理等领域进行了大量工作，并不断涌现出新的理论和方法，其中电磁超声导波就是一种很有发展潜力的新技术。但由于电磁超声导波在金属板材中传播行为的复杂性，对板材本身几何形状的高度依赖性以及特有的频散现象，往往无法准确计算出金属板材中的多种超声导波传播速度，实现对金属板材厚度的精准测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术缺点，提供一种利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，该方法用于解决现有的测量金属板材方法中无法对金属板材厚度精确测量的缺陷。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过周期性永磁体电磁换能器，发射并记录M个水平剪切导波信号，M为≥2的自然数；步骤2，对记录的M个水平剪切导波信号进行快速傅里叶变换，得到每一个水平剪切导波信号的频域信号；针对M个频域信号，利用互相关函数求出M个SH0频率f0，通过f0得到SH1的频率f1，m；结合导波波长，计算出水平剪切导波传播的体波波速和SH1模态的相速度；步骤3，通过体波波速和相速度计算金属板材的厚度。本专利技术的进一步改进在于优选的，步骤1中，在金属板材同侧放置发送周期性永磁体电磁换能器和接收周期性永磁体电磁换能器，每移动一次接收周期性永磁体电磁换能器发射并记录一个水平剪切导波信号。优选的，步骤1中，每次发射并记录水平剪切导波信号时，发送周期性永磁体电磁换能器和接收周期性永磁体电磁换能器之间的距离在5倍到25倍的波长之间。优选的，步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1对任意两次采集到的时域离散信号x(t)和y(t)，通过下式(1)计算出相对应的频域信号幅度为X(k)和Y(k)；其中X(k)代表信号x(t)傅里叶变换后的复数函数F(k)中幅度|F(k)|随频率变化的关系，Y(k)代表信号y(t)傅里叶变换后的复数函数F(k)中幅度|F(k)|随频率变化的关系；其中，j为虚数单位，k为谐波次数，取值从0到U-1；U≥L，L为水平剪切导波信号的长度；步骤2.2通过下式(3)对两个时域离散信号x(t)和y(t)进行互相关函数运算；其中，RX(k)和RY(k+i)分别对应于频域离散信号X(k)和Y(k+i)的归一化幅值，i为谐波次数之间的差值，U≥i≥-U；共得到组R(i)值；步骤2.3针对组R(i)值，当i＝0，且R(i)为最大值时，选取对应导波信号RX(k)和RY(k)的最大峰值所对应的频率为SH0模态的频率f0；步骤2.4对M次测量数据经过R(i)值计算后，得到N次(N≤M)有效测量；选取每组有效测量频域信号中f0后面的第一个峰值为一次SH1导波的频率f1,n，进行了N次计算，SH1导波的频率f1计算如下：其中，m为第N次有效测试，f1,m为第m次测试得到的回波信号中f0后面的第一个峰值；步骤2.5SH导波在金属中传播的体波波速vT为：vT＝vp0＝λf0(7)其中，λ为水平剪切导波的波长；步骤2.6水平剪切导波SH1的相速度vp1为：vp1＝λf1(8)。优选的，步骤3中，通过式(12)计算金属板材的厚度h：其中，vp1和vT分别是水平剪切导波SH1在金属中传播的相速度和体波波速。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法；利用周期性永磁体电磁换能器发射水平剪切导波，沿传播方向多次(至少需要移动一次)平移接收传感器位置后并记录导波信号。然后，利用信号处理方法分别对不同位置的导波信号进行分析计算。在此基础上，通过对超声导波在金属板材中传播的体波波速以及不同模态的相速度的计算，结合电磁超声导波的频散特性实现对金属板材厚度的快速准确测量。本专利技术和现有电磁超声检测技术相比，采用信号处理的方法，结合超声导波在金属板材中的传播特性，通过求解超声导波在金属板材中的不同传播速度，利用导波频散特性实现金属板材厚度的测量。此外，本专利技术有效解决了超声导波在金属板材中传播速度无法准确获得的问题，消除了金属板材几何形状以及外部测量条件对波速测量的影响，具有检测速度快、准确度高等显著特点。【附图说明】图1是金属板材测厚过程中周期性永磁体电磁换能器发射传感器、接收传感器以及待测金属板材的相对位置示意图；图2是金属板材测厚过程中发射信号以及接收到的水平剪切信号，(a)图为发射传感器的EMAT激励信号、(b)图为接收传感器距发射传感器分别为100mm、200mm时测量得到的水平剪切导波信号；图3是不同位置接收到的归一化处理后频域电磁超声水平剪切信号；图4是图3中两个不同位置处接收到的频域信号互相关函数计算结果；图5是水平剪切导波不同模态在金属板材中的传播相速度，即频散曲线。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细描述：金属板材测厚方法首先采用周期性永磁体电磁换能器发射水平剪切导波。同时，将结构相同的接收传感器放置在发射传感器同侧，沿水平剪切导波传播方向放置进行信号接收。随后，平行移动接收传感器位置再次记录导波信号。在此基础上，对M次(M≥2)记录的电磁超声导波进行傅里叶变换、相关计算等信号处理方法准确求解出水平剪切导波信号中的各种模态的传播速度。最后，结合水平剪切导波的频散特性实现金属板材的厚度测量。首先，利用周期性永磁体电磁换能器发射水平剪切导波。将发射传感器和接收传感器放置于金属板材的同一侧面上，并记录接收传感器中测量得到的电磁超声导波信号；接着平行移动接收传感器位置，再次记录电磁超声导波信号；然后，对不同位置记录的水平剪切导波信号进行傅里叶变换与归一化处理，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，通过周期性永磁体电磁换能器，发射并记录M个水平剪切导波信号，M为≥2的自然数；/n步骤2，对记录的M个水平剪切导波信号进行快速傅里叶变换，得到每一个水平剪切导波信号的频域信号；针对M个频域信号，利用互相关函数求出M个SH

【技术特征摘要】
1.利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过周期性永磁体电磁换能器，发射并记录M个水平剪切导波信号，M为≥2的自然数；
步骤2，对记录的M个水平剪切导波信号进行快速傅里叶变换，得到每一个水平剪切导波信号的频域信号；针对M个频域信号，利用互相关函数求出M个SH0频率f0，通过f0得到SH1的频率f1，m；结合导波波长，计算出水平剪切导波传播的体波波速和SH1模态的相速度；
步骤3，通过体波波速和相速度计算金属板材的厚度。


2.根据权利要求1所述的利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，其特征在于，步骤1中，在金属板材同侧放置发送周期性永磁体电磁换能器和接收周期性永磁体电磁换能器，每移动一次接收周期性永磁体电磁换能器发射并记录一个水平剪切导波信号。


3.根据权利要求2所述的利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，其特征在于，步骤1中，每次发射并记录水平剪切导波信号时，发送周期性永磁体电磁换能器和接收周期性永磁体电磁换能器之间的距离在5倍到25倍的波长之间。


4.根据权利要求2所述的利用电磁超声导波频散特性快速测量金属板材厚度方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1对任意两次采集到的时域离散信号x(t)和y(t)，通过下式(1)计算出相对应的频域信号幅度为X(k)和Y(k)；其中X(k)代表信号x(t)傅里叶变换后的复数函数F(k)中幅度|F(k)|随频率变化的关系，Y(k)代表信号y(t)傅里叶变换后的复...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊萍，刘新宝，朱麟，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61