一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置的制作方法

1.本发明属于电磁超声体波测厚技术领域，尤其涉及一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置。


背景技术：

2.现阶段，在化工、石化、石油、天然气等领域中，储罐、管道等设备作为生产过程中的组成部分，其安全性、可靠性对生产系统的顺利运转起着至关重要作用。其中，储罐、管道等设备的外壁通常使用金属材质制备形成，在长时间工作中难免会出现腐蚀现象从而导致外壁减薄；当储罐、管道等设备外壁减薄到一定程度后可能会造成储罐、管道等设备的脆化而产生内部介质的泄露，造成经济上的损失甚至可能危害工作人员的生命安全。因此，及时高效的对储罐、管道等设备进行壁厚检测十分必要。
3.在现有的壁厚检测技术中，电磁超声测厚技术因其受试件表面条件的影响小、操作过程便捷，成为了测厚过程中的主要方法。其中，电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer，简称emat)通常由永磁体、emat线圈和试件组成，工作过程中可在试件表面激发出超声波信号，通过测量超声波信号的往返时间，即可实现对试件厚度的测量。此外，emat在使用时无需使用耦合剂，且在测厚前不需要对试件的表面进行额外的预处理，大大提高了检测效率；以及，使用耐高温的材料制作的emat可以在高温下长时间工作。
4.然而在进一步研究后发明人发现，在现场测试过程中，实地工况环境是复杂多样的。受各类复杂场景的影响，例如高温、狭小区域使用现有检测装置存在有检测困难甚至无法检测。此外，现有检测装置在不同位置进行检测时需要多次拆装，这都会大幅影响电磁超声体波测厚装置的检测效率。因此，亟待本领域技术人员对现有电磁超声体波测厚装置做进一步结构优化，以克服上述技术缺陷。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，与传统的电磁超声体波测厚装置相比，该种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置其拆装过程更易于操作，装置整体结构较为集成化，可有效增加测厚的检测效率，能够适用于多种恶劣复杂工作环境。
6.为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，包括有：电磁声换能模块、无线耦合模块以及控制主机；所述电磁声换能模块中包括有电磁声换能模块外壳以及与电磁声换能模块外壳相适配的上盖；其中，背离上盖一侧的电磁声换能模块外壳处设置有第一线圈槽，背离电磁声换能模块外壳一侧的上盖处设置有第二线圈槽；电磁声换能模块外壳内设置有永磁体，电磁声换能模块外壳的第一线圈槽内设置有第一线圈，第一线圈与永磁体通过电磁声换能模块外壳的第一线圈槽内开设的圆孔相连
接；第一线圈的外侧设置有防磨片；所述防磨片通过粘结剂与电磁声换能模块外壳的第一线圈槽接连为一体结构，从而将第一线圈封装在第一线圈槽内；上盖的第二线圈槽内设置有第二线圈，第二线圈与第一线圈通过连接线相互导通；所述无线耦合模块中包括有无线耦合模块外壳，无线耦合模块外壳的一侧端面处开设有耦合线圈槽，耦合线圈槽内固定安装有耦合线圈；无线耦合模块外壳的另一侧端面处安装第一连接器，第一连接器与耦合线圈通过无线耦合模块外壳的耦合线圈槽内开设的通孔相连接；所述控制主机中包括有控制主机外壳、第二连接器、显示屏幕、操作键盘、充电口、usb接口。
7.较为优选的，上盖面向电磁声换能模块外壳的一侧设置有外螺纹，电磁声换能模块外壳面向上盖的一侧设置有内螺纹；通过外螺纹、内螺纹之间的适配，电磁声换能模块外壳与上盖进行联接；上盖面向电磁声换能模块外壳的侧壁上还设置有橡胶圈，所述橡胶圈轴向固定永磁体的位置；永磁体的两侧端面处还分别敷设有铜箔片。
8.较为优选的，所述永磁体为圆柱形永磁体，其直径与高度相等，选用耐高温的钐钴材料制备形成，其两侧端面处敷设的铜箔片厚度为0.01mm。
9.较为优选的，所述第一线圈、第二线圈以及耦合线圈形成为具有相同几何形状以及相等匝数的线圈结构，且第一线圈、第二线圈以及耦合线圈与永磁体的直径比为1：1.5。
10.较为优选的，电磁声换能模块外壳、无线耦合模块外壳以及控制主机外壳的外表面均涂敷有耐热绝缘漆。
11.较为优选的，电磁声换能模块外壳与上盖内部还预留有导线槽，所述导线槽用于引出相互导通第一线圈与第二线圈的连接线。
12.本发明提供了一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，该无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，包括有电磁声换能模块、无线耦合模块以及控制主机。其中，电磁声换能模块中进一步包括有电磁声换能模块外壳、上盖、永磁体、第一线圈、防磨片、第二线圈等结构单元；无线耦合模块中进一步包括有无线耦合模块外壳、耦合线圈、第一连接器等结构单元；控制主机中包括有控制主机外壳、第二连接器、显示屏幕、操作键盘、充电口、usb接口。具有上述结构特征的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，相比于现有技术，至少具有如下优点：1、本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，采用了无线信号传输的方式，通过线圈之间的电磁耦合，可以使电磁声换能模块和无线耦合模块在非接触的情况下实现信号的传输，进而实现超声波厚度的无线测量。本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置通过优化电磁声换能模块、无线耦合模块，提高了装置整体的紧凑程度，提高了安装、定位、拆除探头工作的效率。
13.2、本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，相比于传统射线测厚、压电超声测厚设备，适用范围更广，可应用于如远距离、高温、狭小、人员难以到达的复杂区域等恶劣环境；同时，无需对被检测试件进行表面处理，并可以透过涂层实现检测，因此具备有检测精度高，操作更为简单等特点。
14.3、本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，体积小，重量轻，可拆卸分离，便于随身携带。
附图说明
15.该附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
16.图1为本发明提供的一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置的结构示意图；图2为无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置中电磁声换能模块的结构爆炸图；图3为无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置中电磁声换能模块组装结构的剖视图；图4为无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置中无线耦合模块的结构爆炸图；图5为无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置中无线耦合模块的局部剖视图；图6为无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置中控制主机的结构示意图。
17.附图标记：1、电磁声换能模块；2、无线耦合模块；3、控制主机；4、防磨片；5、第一线圈；6、电磁声换能模块外壳；7、铜箔片；8、永磁体；9、橡胶圈；10、上盖；11、第二线圈；12、上盖过设连接线的导线孔；13、橡胶圈过设连接线的径向引线通道；14、圆柱体凸起；15、电磁声换能模块外壳过设连接线的导线槽；16、第二线圈槽；17、第一连接器固定座；18、耦合线圈；19、无线耦合模块外壳；20、第一连接器；21、耦合线圈与第一连接器之间的导线孔；22、耦合线圈槽；23、控制主机外壳；24、usb接口；25、显示屏幕；26、操作键盘；27、第二连接器；28、充电口；29、防滑突起。
具体实施方式
18.本发明提供了一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，与传统的电磁超声体波测厚装置相比，该种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置其拆装过程更易于操作，装置整体结构较为集成化，可有效增加测厚的检测效率，能够适用于多种恶劣复杂工作环境。
实施例一
19.本发明提供了一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，该种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，如图1所示，包括有：电磁声换能模块1、无线耦合模块2以及控制主机3。
20.首先，如图2、图3所示，电磁声换能模块1中包括有电磁声换能模块外壳6以及与电磁声换能模块外壳6相适配的上盖10。其中，背离上盖10一侧的电磁声换能模块外壳6处设置有第一线圈槽，背离电磁声换能模块外壳6一侧的上盖10处设置有第二线圈槽16。
21.进一步的，电磁声换能模块外壳6内设置有永磁体8（该永磁体8轴向充磁且优选由
电磁声换能模块外壳6内壁设置圆柱体凸起14进行固定），电磁声换能模块外壳6的第一线圈槽内设置有第一线圈5，第一线圈5与永磁体8通过电磁声换能模块外壳6的第一线圈槽内开设的圆孔相连接。
22.第一线圈5的外侧设置有防磨片4。防磨片4通过粘结剂与电磁声换能模块外壳6的第一线圈槽接连为一体结构，从而将第一线圈5封装在第一线圈槽内；上盖10的第二线圈槽16槽内设置有第二线圈11，第二线圈11与第一线圈5通过连接线相互导通。
23.需要说明的是，该电磁声换能模块1用于产生试件振动的能量（由脉冲电流激发）。通过对超声波的激励与接收检测，读取激励波形与接收波形的时间差实现对被测对象厚度的检测。
24.而后，如图4、图5所示，无线耦合模块2中包括有无线耦合模块外壳19，无线耦合模块外壳19的一侧端面处开设有耦合线圈槽22，耦合线圈槽22内固定安装有耦合线圈18。无线耦合模块外壳19的另一侧端面处安装第一连接器20（该第一连接器20可选择使用bnc转接头），第一连接器20与耦合线圈18通过无线耦合模块的无线耦合模块外壳19的耦合线圈槽22内开设的通孔相连接。该无线耦合模块2用于与电磁声换能模块1进行无线非接触的线圈耦合，耦合线圈18与第一线圈5、第二线圈11之间的线圈耦合，实现信号间的无线非接触的形式传输。
25.而如图6所示，控制主机3中包括有控制主机外壳23（其中控制主机外壳23的手持位置处还设置有防滑突起29）、第二连接器27、显示屏幕25、操作键盘26、充电口28、usb接口24，其具体用于激励，产生放大脉冲电流，接收、采集、处理接收到的信号，相关信息（包括但不限于激励信号的波形、频率、周期数、占空比、增益，接收信号的波形、到达时间、时间差、放大倍数，滤波通带，波速，计算得到的厚度信息，电量等）可以通过usb接口24导出，以便继续进行加工处理。
实施例二
26.实施例二包括有实施例一的全部技术特征，此外，实施例二进一步公开有如下内容：作为本发明的一种较为优选的实施方式，上盖10面向电磁声换能模块外壳6的一侧设置有外螺纹，电磁声换能模块外壳6面向上盖10的一侧设置有内螺纹。通过外螺纹、内螺纹之间的适配，电磁声换能模块外壳6与上盖10进行联接。
27.上盖10面向电磁声换能模块外壳6的侧壁上还设置有橡胶圈9，该橡胶圈9轴向固定永磁体8的位置。永磁体8的两侧端面处还分别敷设有铜箔片7（铜箔片7优选呈圆形，粘结贴敷在永磁体8的两侧）。
28.此外，电磁声换能模块外壳6与上盖10内部还预留有导线槽15，导线槽15用于引出相互导通第一线圈5与第二线圈11的连接线。
实施例三
29.实施例三包括有实施例一的全部技术特征，此外，实施例三进一步公开有如下内容：而作为一种可选择的实施方式，具体的，防磨片4材料选择使用聚酰亚胺。永磁体8为圆柱形，其直径与高度相等，选用耐高温的钐钴材料制备形成，其两侧端面处敷设的铜箔片7厚度为0.01mm。第一线圈5、第二线圈11以及耦合线圈18形成为具有相同几何形状以及相等
匝数的线圈结构，且第一线圈5、第二线圈11以及耦合线圈18与永磁体8的直径比为1：1.5。
30.以及，电磁声换能模块外壳6、无线耦合模块外壳19以及控制主机外壳23的外表面均涂敷有耐热绝缘漆。
31.进一步结合附图，对本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置其工作原理做如下描述：（1）、耦合线圈接收来自控制主机的高频脉冲电流，完成信号的第一步传输过程。
32.（2）、在一定距离内，耦合线圈与第二线圈槽发生互感，高频脉冲电流耦合至第二线圈槽中，随后进一步传导至第一线圈中，完成无线信号的传输过程。
33.（3）、第一线圈中的高频脉冲电流在被测对象表面产生涡流，在磁场的作用下产生洛伦兹力，进而产生振动，产生超声体波。
34.（4）、超声体波传播至被测对象底面后反射到表面，引起第一线圈中电动势的改变，进而产生回波电流信号，之后发生过程（2）的逆过程，即回波电流信号被控制主机拾取，完成信号的采集过程。
35.（5）、采集到的信号经过控制主机的滤波，放大处理后显示在显示屏幕上；提取相邻两次波包的时间差δt，通过事先输入的材料参数确定超声体波在被测对象内的传播速度v。根据公式，可以计算出被测对象的厚度d。
36.而依据本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置实施的电磁超声体波测厚工作流程，可以参考如下：一、无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置的组装，参数的设置及校准：使用线缆将控制主机与无线耦合模块连接。确定被测对象的材料，在控制主机中选择对应的材料，系统自动从内置数据库中调用材料的弹性模量e，材料的泊松比ν，材料的密度ρ，并根据公式，计算得出超声波波速v。但值得注意的是，由于金属元素比例组成及处理工艺等原因，实际的金属与数据库中可能会有微小偏差，因此在使用前仍需技术人员对被测对象相同材料的试块进行校准。对试块使用游标卡尺进行测量，记录厚度d。使用无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置对其进行测厚，记录相邻两次波包的时间差δt，根据公式，计算得修正后的速度v’，并将v’输入控制主机中完成对速度的校准。
37.二、测厚策略的选择与电磁声换能模块的安装：测厚部位选择在弯头、三通、管径突变部位及相邻的直管部位，流速大易于引起严重冲刷的部位，流速小易于杂质沉积的部位，以及两相交界部位。在冲刷严重部位及焊缝附近同一截面安装4个及以上测厚点，在输送腐蚀性较强介质的长直管纵向安装3个测厚点，输送腐蚀性较弱的管道安装一个测厚点。选择好测厚点后建立定点测厚布点图，并在管道进行标记。根据测厚点安装多个电磁声换能模块。对于铁磁性材料可以直接依靠永磁体的吸力安装，对于非铁磁性材料可以使用胶结进行辅助。安装时使防磨片一侧与被测对象表面贴合，垂直于表面安装。
38.三、进行测量完成步骤一、二后，将无线耦合模块靠近电磁声换能模块，使耦合线圈与第二线圈槽中心尽可能重合，观察控制主机波形，在信号可观测后按下检测键，系统会保留当前图像并计算相邻两波包的时间差δt，之后计算并显示所测厚度。对于控制主机自动识别的时间差δt有误差的情况，检测人员可以根据图像进行调整来满足实际情况。对于控制主机检测信号难以识别的情况，可以调整频率、周期数、占空比、增益、放大倍数、滤波通带等信息来使信号更加清晰易辨别。单次检测完成后，保留被测对象表面的电磁声换能模块，并根据被测对象的实际情况确定检测周期，进行定期测厚。将每次测厚的结果记录保存并进行分析，根据厚度信息判断壁厚减薄情况，必要时进行强度计算，给出处理建议。
39.本发明提供了一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，该无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，包括有电磁声换能模块、无线耦合模块以及控制主机。其中，电磁声换能模块中进一步包括有电磁声换能模块外壳、上盖、永磁体、第一线圈、防磨片、第二线圈槽等结构单元；无线耦合模块中进一步包括有无线耦合模块外壳、耦合线圈、第一连接器20等结构单元；控制主机中包括有控制主机外壳、第二连接器、显示屏幕、操作键盘、充电口、usb接口。具有上述结构特征的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，相比于现有技术，至少具有如下优点：1、本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，采用了无线信号传输的方式，通过线圈之间的电磁耦合，可以使电磁声换能模块和无线耦合模块在非接触的情况下实现信号的传输，进而实现超声波厚度的无线测量。本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置通过优化电磁声换能模块、无线耦合模块，提高了装置整体的紧凑程度，提高了安装、定位、拆除探头工作的效率。
40.2、本发明提供的无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，相比于传统射线测厚、压电超声测厚设备，适用范围更广，可应用于如远距离、高温、狭小、人员难以到达的复杂区域等恶劣环境；同时，无需对被检测试件进行表面处理，并可以透过涂层实现检测，因此具备有检测精度高，操作更为简单等特点。
41.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，其特征在于，包括有：电磁声换能模块、无线耦合模块以及控制主机；所述电磁声换能模块中包括有电磁声换能模块外壳以及与电磁声换能模块外壳相适配的上盖；其中，背离上盖一侧的电磁声换能模块外壳处设置有第一线圈槽，背离电磁声换能模块外壳一侧的上盖处设置有第二线圈槽；电磁声换能模块外壳内设置有永磁体，电磁声换能模块外壳的第一线圈槽内设置有第一线圈，第一线圈与永磁体通过电磁声换能模块外壳的第一线圈槽内开设的圆孔相连接；第一线圈的外侧设置有防磨片；所述防磨片通过粘结剂与电磁声换能模块外壳的第一线圈槽接连为一体结构，从而将第一线圈封装在第一线圈槽内；上盖的第二线圈槽内设置有第二线圈，第二线圈与第一线圈通过连接线相互导通；所述无线耦合模块中包括有无线耦合模块外壳，无线耦合模块外壳的一侧端面处开设有耦合线圈槽，耦合线圈槽内固定安装有耦合线圈；无线耦合模块外壳的另一侧端面处安装第一连接器，第一连接器与耦合线圈通过无线耦合模块外壳的耦合线圈槽内开设的通孔相连接；所述控制主机中包括有控制主机外壳、第二连接器、显示屏幕、操作键盘、充电口、usb接口。2.根据权利要求1所述的一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，其特征在于，上盖面向电磁声换能模块外壳的一侧设置有外螺纹，电磁声换能模块外壳面向上盖的一侧设置有内螺纹；通过外螺纹、内螺纹之间的适配，电磁声换能模块外壳与上盖进行联接；上盖面向电磁声换能模块外壳的侧壁上还设置有橡胶圈，所述橡胶圈轴向固定永磁体的位置；永磁体的两侧端面处还分别敷设有铜箔片。3.根据权利要求2所述的一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，其特征在于，所述永磁体为圆柱形永磁体，其直径与高度相等，选用耐高温的钐钴材料制备形成，其两侧端面处敷设的铜箔片厚度为0.01mm。4.根据权利要求1所述的一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈以及耦合线圈形成为具有相同几何形状以及相等匝数的线圈结构，且第一线圈、第二线圈以及耦合线圈与永磁体的直径比为1：1.5。5.根据权利要求1所述的一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，其特征在于，电磁声换能模块外壳、无线耦合模块外壳以及控制主机外壳的外表面均涂敷有耐热绝缘漆。6.根据权利要求1所述的一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，其特征在于，电磁声换能模块外壳与上盖内部还预留有导线槽，所述导线槽用于引出相互导通第一线圈与第二线圈的连接线。

技术总结
本发明属于电磁超声体波测厚技术领域，尤其涉及一种无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置。该电磁超声体波测厚装置通过线圈之间的耦合实现无线能量和信号的传输，其拆装过程更易操作，整体结构较为集成化，可有效增加测厚的检测效率，能够适用于复杂工作环境。无线能量和信号传输的电磁超声体波测厚装置，包括有电磁声换能模块、无线耦合模块以及控制主机。其中，电磁声换能模块中进一步包括有电磁声换能模块外壳、上盖、永磁体、第一线圈、防磨片、第二线圈等结构单元；无线耦合模块中进一步包括有无线耦合模块外壳、耦合线圈、第一连接器等结构单元；控制主机中包括有控制主机外壳、第二连接器、显示屏幕、操作键盘、充电口、USB接口。USB接口。USB接口。


技术研发人员：殷晓康 马龙辉 石昆三 张宏远 范瑞祥 韩宗凯 赵明睿 胡洋 胡鹏飞 徐克雷
受保护的技术使用者：恩迪检测技术（青岛）有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/13