纵向模态超声导波的电磁换能装置、管道检测系统及方法制造方法及图纸

一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置、管道检测系统及方法。电磁超声换能装置包括两个环形磁铁阵列和一个环形螺旋线圈组。环形磁铁阵列由永磁铁和磁铁底座构成，与管道同轴布置，安装在环形螺旋线圈组的两侧，提供平行于管道轴向的静态偏置磁场；两个环形磁铁阵列中的磁铁在待检测管道圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁的极性相反，螺旋线圈组中相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长，提供平行于管道轴向的动态交变磁场；在轴向静态偏置磁场和轴向动态交变磁场共同作用下激励出纵向模态的管道超声导波。本发明专利技术可有效的在钢管中激励和接收纵向模态的超声导波，激励模态单一，信噪比高，便于实现对管道的全面检测。

Electromagnetic transducing device, pipeline detection system and method for longitudinal mode guided waves

The invention relates to an electromagnetic ultrasonic transducer, a pipeline detection system and a method for longitudinal mode guided waves. The electromagnetic ultrasonic transducer includes two ring magnet arrays and a ring spiral coil set. The circular magnet array consists of a permanent magnet and a magnet base, which is arranged in coaxial with the pipeline and installed on both sides of the circular spiral coil group to provide a static bias magnetic field parallel to the axial direction of the pipeline. The distance between two adjacent coils in the rotating coil group is equal to the half wavelength of the longitudinal mode guided wave, which provides a dynamic alternating magnetic field parallel to the axial direction of the pipe. The invention can effectively excite and receive ultrasonic guided waves of longitudinal modes in steel pipes, has single excitation modes, high signal-to-noise ratio, and is convenient for realizing comprehensive detection of pipelines.

【技术实现步骤摘要】
纵向模态超声导波的电磁换能装置、管道检测系统及方法
本专利技术属于超声检测
，特别涉及一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置。
技术介绍
超声导波检测技术具有超声波传播距离远、声波衰减率低、在短时间内能够覆盖大部分的检测范围等优点，近年来被广泛应用于管道无损检测领域。其中，轴对称的纵向模态是管道超声导波中较为常用的检测模态，其优势在于：该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响，即具有良好的非频散特性；质点的振动方向与导波的传播方向均沿管道轴向，对管道的周向缺陷较为敏感；径向的振动位移较小，传播过程中能量泄露较少，故对管道长距离检测具有一定的优势。管道超声导波检测技术主要使用压电超声换能器和电磁超声换能装置(electromagneticacoustictransducer,EMAT)激励和接收纵向模态的超声导波信号。然而，压电超声换能器存在一定的不足，主要体现在：通过耦合剂与被测试件接触，往往需要对试件的表面进行打磨、清洗等预处理工作，且安装较为复杂，检测效率较低，不利于现场的快速检测。而电磁超声换能装置可直接在导体或铁磁性材料中激励超声导波信号，具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适用于高温环境、可实现快速检测等优点。电磁超声换能装置的工作原理主要有两种：洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机制的电磁超声换能装置可应用于所有导体材料的管道检测中，但其换能效率较低，激励的导波信号幅值和信噪比较低；而磁致伸缩机制的电磁超声换能装置只能用于铁磁性材料的管道检测中，但其换能效率较高，可以产生高幅值和高信噪比的导波信号，传播距离更远，检测范围更广。因此在钢管检测中，常使用磁致伸缩机制的电磁超声换能装置。电磁超声换能装置主要由提供静态偏置磁场的磁铁和提供动态交变磁场的线圈组成，通过改变磁铁和线圈的结构形状，可设计出不同类型的电磁超声换能装置。现阶段，国内外在纵向模态导波的电磁超声换能装置的研究上取得了一定的进展，激励机制的研究已经较为成熟。但在工程应用中仍然存在换能器安装、拆卸不便，激励信号不理想，检测效率较低等问题，因此，优化设计已有的电磁超声换能装置或研制新型的电磁超声换能装置依旧是该领域研究的热点和难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，该电磁超声换能装置结构简单，安装便利，通过磁致伸缩机制，在永磁铁提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的轴向动态交变磁场的共同作用下，有效的激励出高信噪比的纵向模态导波信号，实现对管道的全面检测。本专利技术的技术方案如下：一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，包括：环形螺旋线圈组(2)，所述环形螺旋线圈组(2)包括一个或多个沿待检测管道(3)轴向间隔地布置在待检测管道(3)的外圆周上的线圈；环形磁铁阵列(1)，位于环形螺旋线圈组(2)沿待检测管道(3)的轴向的两侧，所述环形磁铁阵列(1)包括磁铁(11)和环形磁铁底座(12)，环形磁铁底座(12)同轴套设在待检测管道(3)的外圆周上，磁铁(11)沿待检测管道(3)的圆周方向安装在磁铁底座(12)上，并且，两个环形磁铁阵列(1)中的磁铁(11)在待检测管道(3)圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁(11)的极性相反。优选地，所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为永磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。优选地，所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为电磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。优选地，所述永磁铁沿待检测管道(3)圆周方向均匀布置在磁铁底座(12)上。优选地，相邻两个线圈的缠绕方向相反，且相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长。优选地，所述线圈采用铜制导线缠绕而成，或者所述线圈采用柔性电路板印刷而成。优选地，所述环形磁铁底座(12)内壁为与待检测管道(3)的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道同轴的棱柱体，棱柱体的每个侧面安装一个永磁铁。优选地，在棱柱体的每一侧面的中心上具有一个与永磁铁的形状一致的磁铁插槽，以便于将永磁铁插入并固定在磁铁插槽内。一种管道检测系统，包含发射探头和接收探头，其中，发射探头和接收探头都包含以上所述的电磁超声换能装置，发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接，接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。一种利用纵向模态超声导波检测管道的方法，应用以上所述的管道检测系统进行如下步骤：将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上，信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播，当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波，被接收探头检测到的反射回波经过放大和滤波处理后，被示波器接收并显示出来。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：1)螺旋线圈组中相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长，通过改变相邻两个线圈的间距，可以激励出不同模态的纵向超声导波，如L(0,1)、L(0,2)、L(0,3)等模态；2)螺旋线圈组可以通过缠绕导线或打印柔性电路板的方式制作，制作方式简便，成本较低；3)环形磁铁底座可以根据管道尺寸自行设计，从而实现与管壁更好的贴合，保证了磁场的耦合效率；4)环形磁铁底座可以根据永磁铁的形状自行设计，永磁铁的形状不受约束，可以直接安装在磁铁底座的插槽中，便于安装和拆卸；5)采用环形磁铁底座不需要清理管体表面，直接套设在管体上即可，且环形磁铁底座使得磁铁安装方便快捷，提高检测效率；6)采用环形磁铁底座只需要底座适应管道外径即可，不需要磁铁具有适于管道外壁的形状。7)环形磁铁底座为多节式可拆卸的柔性体，根据管道直径调整环形磁铁底座的展开长度，使其适应不同的管道直径。附图说明通过结合下面附图对其实施例进行描述，本专利技术的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。图1是本专利技术的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置的结构示意图；图2是本专利技术的环形磁铁阵列的结构示意图；图3是本专利技术的环形磁铁底座的结构示意图；图4是本专利技术的环形螺旋线圈组的结构示意图；图5是φ42.7×3.5×2000(单位：mm)钢管纵向模态导波的相速度频散曲线图；图6是φ42.7×3.5×2000(单位：mm)钢管纵向模态导波的群速度频散曲线图；图7是电磁超声传感器检测管道缺陷的试验系统示意图；图8是电磁超声传感器接收到的L(0,2)模态导波的波形图。在图1至图8中：1-环形磁铁阵列；11-永磁铁；12-环形磁铁底座；121-磁铁插槽；2-环形螺旋线圈组；3-管道；31-通孔缺陷；41-直达波；42-缺陷反射回波；43-端面反射回波。具体实施方式下面参照附图对本专利技术作进一步详细描述，但本专利技术的纵向模态超声导波的电磁超声换能装置不局限于实施例。磁致伸缩机制是指铁磁体在外磁场中被磁化时，外形尺寸发生变化，产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发应力波，本专利技术的电磁超声换能装置正是应用该应力波来进行管道检测的。下面结合图1来说明本实施例的电磁超声换能装置的结构。如图1所示，本专利技术所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置包括两个环形磁铁阵列1和一个环形螺旋线圈组2。环形螺旋线圈组2设置在管道3的外圆周面上，具体说，环形螺旋线圈组2包括一个或多个沿管道3轴向间隔地设置在管道3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：包括：环形螺旋线圈组(2)，所述环形螺旋线圈组(2)包括一个或多个沿待检测管道(3)轴向间隔地布置在待检测管道(3)的外圆周上的线圈；环形磁铁阵列(1)，位于环形螺旋线圈组(2)沿待检测管道(3)的轴向的两侧，所述环形磁铁阵列(1)包括磁铁(11)和环形磁铁底座(12)，环形磁铁底座(12)同轴套设在待检测管道(3)的外圆周上，磁铁(11)沿待检测管道(3)的圆周方向安装在磁铁底座(12)上，并且，两个环形磁铁阵列(1)中的磁铁(11)在待检测管道(3)圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁(11)的极性相反。

【技术特征摘要】
1.一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：包括：环形螺旋线圈组(2)，所述环形螺旋线圈组(2)包括一个或多个沿待检测管道(3)轴向间隔地布置在待检测管道(3)的外圆周上的线圈；环形磁铁阵列(1)，位于环形螺旋线圈组(2)沿待检测管道(3)的轴向的两侧，所述环形磁铁阵列(1)包括磁铁(11)和环形磁铁底座(12)，环形磁铁底座(12)同轴套设在待检测管道(3)的外圆周上，磁铁(11)沿待检测管道(3)的圆周方向安装在磁铁底座(12)上，并且，两个环形磁铁阵列(1)中的磁铁(11)在待检测管道(3)圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁(11)的极性相反。2.如权利要求1所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为永磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。3.如权利要求1所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为电磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。4.如权利要求2所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：所述永磁铁沿待检测管道(3)圆周方向均匀布置在磁铁底座(12)上。5.如权利要求1所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：相邻两个线圈的缠绕方向相反，且相邻两个线圈的间距等于所激...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙斐然，孙振国，陈强，丁雨林，张文，
申请(专利权)人：清华大学，浙江清华长三角研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11