[發明專利]一種能夠產生扭轉導波的非接觸式的電磁超聲換能器及檢測方法

在審

• 申請號: 201810262555.1
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108593784A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 鮑丙豪;張冰泉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種能夠產生扭轉導波的非接觸式的電磁超聲換能器及檢測方法。包括線圈、永磁鐵和被測鋼管；線圈為跑道形狀，永磁鐵采用磁極呈周期性交錯的方式排列在跑道形線圈直線部分上；將若干組跑道線圈和永磁鐵組成的換能器陣列放置在靠近鋼管一端作為激勵換能器，靠近鋼管的另一端設置相同的線圈?永磁鐵陣列作為接收換能器。利用永磁鐵提供偏置磁場，跑道線圈在被測鋼管中感應出渦電流，由于運動的電子處于磁場中會受到洛倫茲力的作用，同時撞擊鋼管中的晶格，從而引起鋼管壁的振動，力沿管道周向周期變換，從而產生扭轉導波，在接收端利用示波器可顯示波包，根據測量到達波包的時間和導波在管道中傳播的波速就可以確定缺陷的位置。

技術領域

本發明屬于無損檢測研究領域，具體涉及一種能夠產生扭轉導波的非接觸式的電磁超聲換能器及檢測方法，可實現對管道健康狀況進行在線檢測。

背景技術

由于管道所處的環境一般比較惡劣，容易對管道本身健康狀況造成不利影響，易誘發因管道腐蝕、裂紋、破損等缺陷而導致的災難性事件。因此管道缺陷檢測技術一直以來都是一個重要的研究方向。

現有的管道缺陷無損檢測技術(從檢測手段來說)主要包括：磁粉檢測、渦流檢測、超聲波檢測、射線檢測和超聲導波檢測。其中超聲導波檢測技術與其他技術相比具有的優勢使其成為管道無損檢測發展的一個方向。按激勵出超聲導波的機理來劃分，主要可分為壓電效應、磁致伸縮效應和洛倫茲力。其中壓電效應：是以壓電陶瓷作為敏感元件，通過在壓電片兩側施加電場，讓壓電陶瓷產生高頻振動，然后將振動耦合到管道中從而產生導波。磁致伸縮效應：一種是通過在管道上直接密繞線圈，用永磁鐵將一段管道磁化，在線圈中通入交變電流產生交變磁場，利用鐵磁性管道的磁致伸縮效應來產生導波。另一種是在被測試件表面粘貼一種高磁致伸縮材料，并給這種材料加載適當的偏置磁場和交變激勵磁場，以產生特定模態的導波。但壓電式和磁致伸縮式一般需要耦合劑，且材料價格一般比較貴，加工起來相對復雜，而利用試件本身的磁致伸縮效應一般性能較弱，并且很難激勵出扭轉模態的導波。

北京科技大學的徐科、何建鵬等人于2016年10月20日申請了題為《一種線圈自激勵電磁超聲蘭姆波傳感器》的發明專利，該專利是針對板狀波導進行設計的傳感器，且激勵出的波為板波；西安交通大學的李勇、陳振茂等人于2014年4月21日申請了題為《一種全周徑向勵磁電磁超聲換能器》的發明專利，該專利所設計的傳感器雖然是檢測管道缺陷，但其檢測的管道為非鐵磁性管道，且傳感器結構較為復雜，其工作條件是將傳感器內置于管道，對傳感器的制作要求高；中電科信息產業有限公司的閆重強、錢宏亮等人于2013年12月13日申請了題為《一種電磁超聲換能器》的發明專利，該專利所闡述的是在永磁鐵和線圈之間加入導磁層以增大信號，但該專利所設計的傳感器存在轉換效率低，信噪比不高等問題。在徐科、何建鵬等人申請的專利《一種線圈自激勵電磁超聲蘭姆波傳感器》中所設計的傳感器結構為在直徑為10mm至50mm，高度為3mm到50mm的圓柱塑料模型上纏繞直徑為0.03mm 至2mm的漆包線3到15匝所組成，且是針對板狀波導進行檢測，并且所激勵的導波為板波。在李勇、陳振茂等人申請的專利《一種全周徑向勵磁電磁超聲換能器》中所設計的換能器結構為將兩條永磁鐵用非金屬填充物沿長度方向將N極相對連接在一起，并用非金屬外殼包裹，在非金屬外殼沿其長度方向中心處周向包覆有柔性線圈陣列，檢測時須將傳感器置于管道內部，并拖動，且該傳感器檢測對象為非金屬管道。在閆重強、錢宏亮等人申請的專利《一種電磁超聲換能器》中所設計的是在線圈和永磁鐵之間加入導磁層，但這并不能改變被測材料本身的導磁特性。

發明內容

針對上述背景技術中所存在的問題，本發明設計了一種用于大直徑鋼管非接觸無損檢測的新型扭轉波導波電磁超聲換能器，本發明所設計的傳感器與上述專利所涉及的電磁超聲換能器有很大的不同，該換能器可實現非接觸檢測，對線圈和永磁鐵參數進行優化從而設計出一款相較于已存在的電磁超聲換能器具有更大激勵能量的換能器。該發明采用磁極周期性交錯排列的永磁鐵提供偏置磁場，通電線圈主要在其覆蓋的管道表面及其附近集膚深度內產生渦電流，渦電流中運動的電子將會在磁場中受到洛倫茲力作用，從而撞擊鋼管材料內的鋼管晶格，引起晶格振動，繼而激勵出扭轉模態導波。