[發明專利]一種用于激發管道扭轉導波的電磁超聲換能器及其工作方法

在審

• 申請號: 201810454594.1
• 申請日: 2018-05-14
• 公開（公告）號: CN108776178A
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 張應紅;錢征華;魏霄;王彬;胡天祥;裴勇喆;黃浩宇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34;G01N29/24
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明屬于超聲波無損檢測領域，提出一種用于激發管道扭轉導波的電磁超聲換能器及其工作方法，換能器包括鉸鏈、永磁鐵、刻度螺柱、磁鐵夾持裝置、激勵線圈、待測管道以及卡扣，通過磁鐵夾持裝置可以使得永磁鐵沿待測管道軸對稱均勻分布，從而在待測管道中形成沿待測管道徑向的磁場。激勵線圈中通入沿待測管道軸向的猝發激勵信號，在洛倫茲力的作用下，待測管道中會產生沿軸向傳播的扭轉導波。本發明可廣泛應用于管狀結構的長度測量以及損傷和腐蝕檢測。

技術領域：

本發明涉及電磁超聲無損檢測技術，尤其涉及一種用于激發管道扭轉導波的電磁超聲換能器及其工作方法。

背景技術：

管道運輸不僅運輸量大、連續、迅速、經濟、安全、可靠、平穩以及投資少、占地少、費用低，并可實現自動控制。因此廣泛應用于石油、天然氣、礦石、煤炭、建材、化學品和糧食等的長距離運輸。然而，隨著管道工作時間的延長以及各種環境因素的影響(風吹、日曬、下雨、下雪等)，管道不可避免地會出現腐蝕、裂紋、疲勞等損傷。因此有必要定期對管道的健康狀況進行檢測。目前常用的方法有：射線檢測、滲透檢測、磁粉檢測和超聲波檢測等。

本發明屬于超聲波導波無損檢測領域，其關鍵器件為電磁超聲換能器(Electromagnetic acoustic transducer，簡稱EMAT)。EMAT是一種激發和接收超聲波的裝置。該裝置無需聲耦合劑，結構簡單，可以方便地激發多種模式的超聲波，可實現非接觸、高溫、快速測量，因此廣受研究者關注。

在金屬導體中激發電磁超聲，通常有兩種方法，一種是基于洛倫茲力機理，一種是基于磁致伸縮機理。基于洛倫茲力的電磁超聲換能器通常用于非鐵磁性導電材料的檢測，一般由磁鐵，激勵線圈和待測試件組成，線圈設置在待測試件上，磁鐵設置在線圈上面。檢測時，在發射線圈中施加猝發激勵信號，線圈在待測試件上感應出與激勵信號同頻率的電渦流，電渦流在磁鐵的靜態偏置磁場作用下在待測試件中產生洛倫茲力，動態洛倫茲力作用下待測試件中產生超聲波，超聲波接收的過程是超聲波激發過程的逆過程。

對于管道來說，管道結構中存在三種模態的導波：縱向模態導波(L模態)、彎曲模態導波(F模態)、扭轉模態導波(T模態)，如圖1所示，是一個直徑為76mm的管道的相速度頻散曲線。由圖中可以看出，在不同激勵頻率下各模態的導波存在多階導波，尤其是彎曲模態的導波，這使得檢測信號難以識別。為了盡可能地減少激發出來地導波階數，本發明采用頻率相對較低(50kHz)的激勵信號。從管道的相速度頻散曲線中可以看出，在低頻時除T(0,1)模態外，其余各階模態都是頻散的，因此本發明選用T(0,1)模態對管道進行檢測。

因此，確有必要對現有技術進行改進以解決現有技術之不足。

發明內容：

本發明是為了解決上述現有技術存在的問題而提供一種用于激發管道扭轉導波的電磁超聲換能器及其工作方法，在傳統電磁超聲換能器的基礎上，通過設計新的磁鐵夾持裝置，使得磁鐵沿著管道周向更加均勻地分布，進而在管道中形成更加均勻的靜態偏置磁場。可實現單一模態扭轉導波(T(0,1))的激發，獲得更高的信噪比和換能器靈敏度、提高信號的辨識度。

本發明采用如下技術方案：一種用于激發管道扭轉導波的電磁超聲換能器，包括鉸鏈、永磁鐵、刻度螺柱、磁鐵夾持裝置、激勵線圈、待測管道以及卡扣，所述磁鐵夾持裝置由兩個具有對稱結構的半圓組成，其中兩個半圓的一端通過鉸鏈來連接，另一端由卡扣連接，組成一個圓形，磁鐵夾持裝置套設于待測管道外側，磁鐵夾持裝置的軸線與待測管道的軸線重合，永磁鐵鑲嵌在磁鐵夾持裝置的孔中，永磁鐵沿待測管道軸對稱均勻分布，刻度螺柱均勻地分布在磁鐵夾持裝置的周向，激勵線圈沿待測管道周向均勻分布。

進一步地，所述永磁鐵的極化方向沿待測管道的徑向，并且相鄰兩個永磁鐵的極化方向相反。

進一步地，所述激勵線圈接入的激勵信號采用調制的tone-burst信號，電流的方向沿待測管道的軸向。

進一步地，所述刻度螺栓、鉸鏈、卡扣的材料為非鐵磁性材料。