[發(fā)明專利]一種電磁超聲SH導(dǎo)波換能器及在線檢測系統(tǒng)、方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110274801.7
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN112986399B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石文澤;黃祺凱;盧超;程進(jìn)杰;胡力萍;童艷山;程豆;何敏
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué);贛南師范大學(xué)
• 主分類號: G01N29/24
• 分類號: G01N29/24;G01N29/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 胡喜舟

本發(fā)明公開了一種電磁超聲SH導(dǎo)波換能器及在線檢測系統(tǒng)、方法，其中換能器包括殼體及設(shè)置于所述殼體內(nèi)的N組永磁體組、單邊跑道線圈；N組永磁體組呈列設(shè)置于單邊跑道線圈上方，且每組永磁體組包括M個呈周期性排列的永磁體；N組永磁體組的放置方向基于Barker碼序列設(shè)置，用于使單邊跑道線圈通入正弦脈沖串電流信號時，在待測件內(nèi)產(chǎn)生的超聲波與通入Barker碼信號時產(chǎn)生的超聲波對應(yīng)；其中N的值取Barker碼序列長度值，M為預(yù)設(shè)值。通過該特殊設(shè)計，可在激勵信號為傳統(tǒng)正弦脈沖串的前提條件下，實(shí)現(xiàn)Barker碼脈沖壓縮技術(shù)。可以減小Barker碼激勵信號持續(xù)時間對功率放大器的參數(shù)限制，并減小始波及其電磁串?dāng)_信號的持續(xù)時間和檢測盲區(qū)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種電磁超聲SH導(dǎo)波換能器及在線檢測系統(tǒng)、方法。

背景技術(shù)

大規(guī)格板類金屬構(gòu)件廣泛應(yīng)用于建筑、船舶等多個領(lǐng)域，金屬損傷裂紋、腐蝕等缺陷是構(gòu)件服役過程中最常見的失效形式，而且腐蝕缺陷會嚴(yán)重影響金屬構(gòu)件服役的安全性和可靠性。蒸汽管道長期處于高溫高壓環(huán)境下，在腐蝕作用下會導(dǎo)致管壁減薄，甚至出現(xiàn)裂紋造成爆炸事故；海洋下的鋼板樁極易受到腐蝕，極易發(fā)生斷裂；橋梁的結(jié)構(gòu)鋼板在雨水沖刷等因素作用下，產(chǎn)生腐蝕缺陷，將提前結(jié)束使用壽命。

電磁超聲換能器(EMAT)通過電磁耦合方式在試樣中激勵和接收超聲波，EMAT這種非接觸、無需耦合劑等特點(diǎn)，使其適用于高溫、快速、在線、表面粗糙或圖層等檢測場合，但因其換能效率低和易受環(huán)境電磁干擾等缺點(diǎn)，極大地限制了這種技術(shù)廣泛地工程應(yīng)用。將脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于EMAT檢測，對提高EMAT的信噪比(SNR)和空間分辨率具有重要意義。

超聲探測距離與發(fā)射超聲波能量有關(guān)，超聲波能量越大，其探測距離也增大。在實(shí)際檢測中，采用短脈沖激勵時由于功放電路的極限輸出電壓和傳感器的耐壓發(fā)熱等限制，很難通過增大激勵電壓以達(dá)到增強(qiáng)發(fā)射超聲波能量的目的。脈沖壓縮技術(shù)將大時寬、低幅值的脈沖信號作為激勵信號以激發(fā)超聲波，使超聲波有足夠的能量以保證探測距離；將接收到的超聲波信號經(jīng)過匹配濾波和旁辦抑制，并壓縮成小時寬、高幅值的超聲波信號，避免波包重疊，并提高EMAT換能效率和空間分辨率。

Barker碼是一種單次發(fā)射的二進(jìn)制相位編碼壓縮技術(shù)，采用匹配濾波的方式進(jìn)行脈沖壓縮，有較低的距離旁瓣。Barker碼脈沖壓縮算法的壓縮比與序列長度成正比，目前常見的Barker碼序列長度為2、3、4、5、7、11、13位。

如圖7所示，將正弦脈沖串作為Barker碼序列的碼元，作為EMAT的激勵信號。激勵信號u[m]和碼元序列v[s]可以表示為：

式中，N代表Barker碼的碼長，M代表子脈沖的時間寬度，T_c代表碼元的持續(xù)時間，C_k＝±1代表Barker碼編碼序列。

Barker碼信號u[m]加載到EMAT激勵端，EMAT接收到的超聲波信號為s[m]，兩者關(guān)系如下所示：

式中，y_i[m]為脈沖壓縮后的信號。

圖7(b)和圖7(c)為脈沖壓縮前后的超聲波信號。對脈沖壓縮后信號(如圖7(c))進(jìn)行旁瓣抑制，得到的信號如圖7(d)為所示。經(jīng)過旁辦抑制后，峰值旁瓣水平(PSL)從20.6dB提高至43.0dB。

超聲回波的SNR隨著Barker碼信號持續(xù)時間的增加而增加，但Barker碼持續(xù)時間過長，會導(dǎo)致Barker碼波包與始波及其電磁串?dāng)_信號無法分開，使缺陷波包部分淹沒在初始電磁串?dāng)_中，影響其近距離檢測能力。脈沖功率放大器等設(shè)備性能(例如占空比，單次最大脈沖寬度等)限制了Barker碼激勵信號的持續(xù)時間，過長的Barker碼激勵電流將會導(dǎo)致設(shè)備性能不穩(wěn)定甚至功能性損壞。

發(fā)明內(nèi)容