[发明专利]一种用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器

说明书

技术领域

本发明属于金属板材的导波层析成像技术领域，具体涉及一种单一模式180度指向角的电磁超声兰姆波换能器。

背景技术

在材料、机械和化工等领域中，铝板在生产、加工、运输和使用中容易产生裂纹、腐蚀等缺陷。而现代工业对产品质量要求非常严格，小缺陷都可能对环境与经济造成严重威胁。因此许多国家都把无损检测作为控制产品质量的关键性技术环节加入自己的生产体系中。随着检测技术的提升，现代工业对无损检测的要求已不再是简单的确定缺陷有无，还要确定缺陷尺寸、深度等信息，这就需要用到新技术与之结合来完成检测。电磁超声兰姆波层析成像技术正是将电磁超声兰姆波与层析成像技术相结合发展出来的一种新型无损检测技术。该技术可以提供大量直观信息，可以形象地描述缺陷轮廓，从而可以进一步对工件质量、性能进行评价。

目前用于在无损检测领域的换能器多为压电超声换能器。使用该换能器时，必须要在被测试件表面涂抹纯净均匀的耦合剂(如油、水和软膏等)。由于耦合剂的引入，使得压电超声技术的应用受到了一些限制，例如不适用于高温、高速、表面粗糙试件的检测；再如检测盲区较大，检测效率较低等。电磁超声换能器不仅无需耦合剂，检测效率高，检测信号强，而且可以灵活地选择所激发的兰姆波模式及其最优工作点，进而显著提升超声波的缺陷灵敏度。因此，电磁超声换能器在大面积、长距离或深埋地下的板材、钢轨、管道等工业试件快速检测中具有独特优势。

兰姆波检测采用“线扫描”方式对试件进行检测，与体波检测的“点扫描”方式相比效率更高。同时，兰姆波在试件中传播时衰减小，传播距离长。采用双探头进行一发一收检测时，接收到的兰姆波信号携带了两探头之间试件的整体信息，利用联合迭代重建算法对兰姆波信号的走时信息进行成像，即可获得缺陷的位置、尺寸等信息。

导波层析成像对测试件的扫描方式有多种，包括双跨孔扫描方式、平行扫描方式、扇束扫描方式、圆形阵列扫描方式等，其中在双跨孔扫描方式、扇束扫描方式、圆形阵列扫描方式下，都对换能器有较大指向角的要求。以双跨孔扫描方式为例，在层析成像技术中对测试件的扫描方式如图1所示，图1中的黑点表示换能器的位置，将板材结构的四周按图1所示布置发射、接收换能器。板的上端和左侧等间距布置发射换能器，下端和右侧等间距布置接收换能器。上端的发射换能器依次发射，并由下端换能器各点同时接收；左端的发射换能器依次发射，由右端换能器各点同时接收。常规的曲折线圈有较强的指向性，发射接收都需要调整好方向使线圈的中轴线在一条直线上，否则接收信号强度将会减弱，甚至有可能人为的引入误差，不利于检测。为了满足导波层析成像技术的扫描要求，需要声场覆盖区域大的换能器，能够在较大指向角上发射、接收超声导波信号。

目前使用于导波层析成像的换能器多为基于电磁超声技术的螺旋线圈换能器，该换能器虽然能够达到全指向角发射接收信号的要求，但激发的波形常为多种模式导波的混合波形，要用于导波层析成像还需进行信号处理分离出单一模式的导波，处理方法较为复杂，且在处理过程中容易产生新的误差。本发明是间距一定的半圆形曲折线圈，在选择合适工作点的情况下能够激发模式单一的导波，并且可以满足大指向角的要求，适用于导波层析成像。

发明专利“一种全向SH导波电磁超声换能器”(申请号：201210125086.1)提及的适用于包括导电和非导电材料在内的各种均匀、各向同性弹性板结构的缺陷检测和健康监测的全向SH导波电磁超声换能器。其局限在于导波层析成像过程中，当换能器指向角为360度时占用面积较大，最终制成的换能器体积大，不易携带与使用。该发明激发SH导波时需要预磁化圆环状铁镍合金带，然后将粘贴了回折线圈的铁镍合金带采用胶带固定在待检测平板结构之上，结构较为复杂，操作较为麻烦。而本专利为180度指向角的换能器，能够完全满足层析成像扫描要求且体积较小，而且激发兰姆波只需将磁铁置于线圈上方，激发简便，工艺简单。

发明专利“电磁声探伤仪”(申请号：99250252.7)提及到的聚焦回折式线圈，发射线圈与接收线圈呈弧线形，弧线中心为声聚焦点，由于声干涉作用声聚焦点变成柱状形式，在焦柱长度内的缺陷的反射波幅值较高。此专利虽然为弧线形设计，但其功能为聚焦声波增加分辨率，并没有起到大指向角发射接收导波的作用，不适用于导波的层析成像。