[发明专利]一种能够产生扭转导波的非接触式的电磁超声换能器及检测方法

说明书

本发明公开了一种能够产生扭转导波的非接触式的电磁超声换能器及检测方法。包括线圈、永磁铁和被测钢管；线圈为跑道形状，永磁铁采用磁极呈周期性交错的方式排列在跑道形线圈直线部分上；将若干组跑道线圈和永磁铁组成的换能器阵列放置在靠近钢管一端作为激励换能器，靠近钢管的另一端设置相同的线圈‑永磁铁阵列作为接收换能器。利用永磁铁提供偏置磁场，跑道线圈在被测钢管中感应出涡电流，由于运动的电子处于磁场中会受到洛伦兹力的作用，同时撞击钢管中的晶格，从而引起钢管壁的振动，力沿管道周向周期变换，从而产生扭转导波，在接收端利用示波器可显示波包，根据测量到达波包的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。

技术领域

本发明属于无损检测研究领域，具体涉及一种能够产生扭转导波的非接触式的电磁超声换能器及检测方法，可实现对管道健康状况进行在线检测。

背景技术

由于管道所处的环境一般比较恶劣，容易对管道本身健康状况造成不利影响，易诱发因管道腐蚀、裂纹、破损等缺陷而导致的灾难性事件。因此管道缺陷检测技术一直以来都是一个重要的研究方向。

现有的管道缺陷无损检测技术(从检测手段来说)主要包括：磁粉检测、涡流检测、超声波检测、射线检测和超声导波检测。其中超声导波检测技术与其他技术相比具有的优势使其成为管道无损检测发展的一个方向。按激励出超声导波的机理来划分，主要可分为压电效应、磁致伸缩效应和洛伦兹力。其中压电效应：是以压电陶瓷作为敏感元件，通过在压电片两侧施加电场，让压电陶瓷产生高频振动，然后将振动耦合到管道中从而产生导波。磁致伸缩效应：一种是通过在管道上直接密绕线圈，用永磁铁将一段管道磁化，在线圈中通入交变电流产生交变磁场，利用铁磁性管道的磁致伸缩效应来产生导波。另一种是在被测试件表面粘贴一种高磁致伸缩材料，并给这种材料加载适当的偏置磁场和交变激励磁场，以产生特定模态的导波。但压电式和磁致伸缩式一般需要耦合剂，且材料价格一般比较贵，加工起来相对复杂，而利用试件本身的磁致伸缩效应一般性能较弱，并且很难激励出扭转模态的导波。

北京科技大学的徐科、何建鹏等人于2016年10月20日申请了题为《一种线圈自激励电磁超声兰姆波传感器》的发明专利，该专利是针对板状波导进行设计的传感器，且激励出的波为板波；西安交通大学的李勇、陈振茂等人于2014年4月21日申请了题为《一种全周径向励磁电磁超声换能器》的发明专利，该专利所设计的传感器虽然是检测管道缺陷，但其检测的管道为非铁磁性管道，且传感器结构较为复杂，其工作条件是将传感器内置于管道，对传感器的制作要求高；中电科信息产业有限公司的闫重强、钱宏亮等人于2013年12月13日申请了题为《一种电磁超声换能器》的发明专利，该专利所阐述的是在永磁铁和线圈之间加入导磁层以增大信号，但该专利所设计的传感器存在转换效率低，信噪比不高等问题。在徐科、何建鹏等人申请的专利《一种线圈自激励电磁超声兰姆波传感器》中所设计的传感器结构为在直径为10mm至50mm，高度为3mm到50mm的圆柱塑料模型上缠绕直径为0.03mm 至2mm的漆包线3到15匝所组成，且是针对板状波导进行检测，并且所激励的导波为板波。在李勇、陈振茂等人申请的专利《一种全周径向励磁电磁超声换能器》中所设计的换能器结构为将两条永磁铁用非金属填充物沿长度方向将N极相对连接在一起，并用非金属外壳包裹，在非金属外壳沿其长度方向中心处周向包覆有柔性线圈阵列，检测时须将传感器置于管道内部，并拖动，且该传感器检测对象为非金属管道。在闫重强、钱宏亮等人申请的专利《一种电磁超声换能器》中所设计的是在线圈和永磁铁之间加入导磁层，但这并不能改变被测材料本身的导磁特性。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明设计了一种用于大直径钢管非接触无损检测的新型扭转波导波电磁超声换能器，本发明所设计的传感器与上述专利所涉及的电磁超声换能器有很大的不同，该换能器可实现非接触检测，对线圈和永磁铁参数进行优化从而设计出一款相较于已存在的电磁超声换能器具有更大激励能量的换能器。该发明采用磁极周期性交错排列的永磁铁提供偏置磁场，通电线圈主要在其覆盖的管道表面及其附近集肤深度内产生涡电流，涡电流中运动的电子将会在磁场中受到洛伦兹力作用，从而撞击钢管材料内的钢管晶格，引起晶格振动，继而激励出扭转模态导波。