本发明专利技术公开了一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法，该系统包括设于被测试管道一端的若干组脉冲电磁铁和激励线圈；脉冲电磁铁能够产生沿被测试管道径向方向的瞬时静态磁场；激励线圈通过模具沿被测试管道内壁放置，通电后电流经过激励线圈，在被测试管道的趋肤深度内表面感生交变涡流场，同时在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而在被测试管道内传播并激励出扭转模态导波；扭转模态导波在遇到管壁缺陷后发生反射，反射回波经过激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察感应电压随时间的变化判断被测试管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。和评估。和评估。
【技术实现步骤摘要】
管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法
[0001]本专利技术属于管道超声导波无损检测
，更具体地，涉及一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法。
技术介绍
[0002]热交换器广泛存在于化工厂和核电站等大型工厂。热交换器管束长期工作在恶劣环境中，极易产生各种类型的腐蚀与缺陷，进而产生泄漏。尤其对于某些关键热交换器，如核电站的蒸发器，一旦发生泄漏，便可能造成核污染。因此，对于此种关键换热器细长管路管束的结构健康检测是非常有必要的。但由于换热器管路没有探出热交换器外，且热交换器处于高温高辐射环境中，检测人员难以进入，然而，对于热交换器细长管路的检测，目前主要使用涡流检测方法，涡流探伤灵敏度高，但需点对点经行检测，效率低且安装困难。
[0003]另外，用于管道检测的超声导波换能器主要有压电式换能器和电磁式超声换能器；压电式换能器一般需要耦合剂，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；另外，现有的管道检测换能器
虽有通过阵列式周期性永磁铁(periodic permanent magnet,PPM)的管内电磁声式传感器，成功激发出T(0,2)的周向扭转导波模态，并使用周期性永磁铁增强管内EMAT的转换效率；但永磁铁有体积大、剩余磁通密度一定、且形状单一等问题，不利于细长管道的检测与传感器的安装，在工程应用上存在一定困难。
[0004]因此，急需一种能够适用于如换热器管束等非铁磁性细长管道，且结构简单、体积小、安装简易的、可对细长管路进行全管路无损探伤的电磁声式扭转模态检测设备。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法，通过将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；通过信号发生器发出正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，能够使所述被测试管道1内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力；依据洛伦兹力原理，被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，从而在管道中激发出扭转模态导波；该扭转模态导波沿着管道轴线方向传播并在遇到缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察该感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估；本专利技术能够对细长管路进行全管路无损探伤，具有非接触、对管道表面要求低、检测效率高的优点；本专利技术采用管内激发并使用扭转模态导波，避免了换热器管路不外露、人力不易靠近、管内有液体负载所带来的检测问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供一种管内非接触电磁声式扭转模态导
波换能系统，包括设于被测试管道一端的若干组脉冲电磁铁和激励线圈、与所述激励线圈通信连接的功率放大器和信号预处理装置、与所述功率放大器相连的信号发生器以及与所述信号预处理装置通信相连的信号接收器；其中，
[0007]所述脉冲电磁铁通过特制模具绕制而成，能够产生沿所述被测试管道径向方向的瞬时静态磁场；所述激励线圈为跑道型，通过模具沿被测试管道内壁放置，其与所述被测试管道内壁的提离距离为0.3mm；所述脉冲电磁铁采用阵列式周期性设置；每组所述脉冲电磁铁的脉冲线圈缠绕在被测试管道内部对应四个径向方向上，其相邻两组所述脉冲电磁铁的脉冲线圈的夹角为90度，在周向能够形成四个相互垂直方向的静态磁场；通过所述信号发生器发出周期正弦信号，经所述功率放大器放大并送至所述激励线圈，在所述被测试管道的趋肤深度内表面感生交变涡流场，同时在所述脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使所述被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而使所述被测试管道内能够产生沿切向的剪切力，并在所述被测试管道内传播，进而激励出扭转模态导波；所述扭转模态导波沿着所述被测试管道的轴线方向传播并在遇到管壁缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察所述感应电压随时间的变化判断所述被测试管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
[0008]进一步地，所述扭转模态导波的激发还包括，激励线圈中因回波导致的感应电流变化导波信号流入所述信号预处理装置中再输入到所述信号接收器中进行信号的后处理和模态提取工作。
[0009]进一步地，所述激励线圈包括直线部分和弧形部分，所述直线部分沿着所述被测试管道的轴向布置并与所述脉冲电磁铁的磁场方向相垂直。
[0010]进一步地，所述脉冲电磁铁在被测试管道轴向形成一个周期性的交替磁场，并根据所选择的激励频率与其频散曲线计算得到的半波长进行交替放置。
[0011]进一步地，所述脉冲电磁铁的阵列数与被测试管道的圆周尺寸有关，对于不同尺寸的管道其阵列数和尺寸不同；且被测试管道的圆周尺寸的变化会引起每个阵列尺寸的变化、所述激励线圈的个数和尺寸的变化。
[0012]进一步地，在被测试管道轴向方向排列的脉冲电磁铁的个数确定的情况下，由于被测试管道的同一轴向方向每个相反磁场方向的所述脉冲电磁铁的间隔距离为λ为波长；通过改变脉冲电磁铁内电流流向，改变两个不同磁场方向脉冲电磁铁的间隔距离。
[0013]进一步地，所述被测试管道在不同频率下的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线以及各模态导波的结构根据被测试管道的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量参数，采用半解析有限元计算得到。
[0014]本专利技术的另一个方面提供一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统测试方法，包括如下步骤：
[0015]S1：将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；
[0016]S2：将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；
[0017]S3：信号发生器发出周期正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测
试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使所述被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而使被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，进而激发出超声导波；
[0018]S4：超声导波激发后，激励线圈作为接收线圈，超声导波的回波将在接收线圈中产生感应电流并被信号接收器接收，获得超声导波的周向位移信号时域图，通过计算相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离，获得超声导波波包群速度；
[0019]S5：根据被测试管道的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量，采用半解析有限元计算得到该被测试管道在不同频率下的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线；
[0020]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：包括设于被测试管道(1)一端的若干组脉冲电磁铁(2)和激励线圈(3)、与所述激励线圈(3)通信连接的功率放大器(4)和信号预处理装置(6)、与所述功率放大器(4)相连的信号发生器(5)以及与所述信号预处理装置(6)通信相连的信号接收器(7)；其中，所述脉冲电磁铁(2)通过特制模具绕制而成，能够产生沿所述被测试管道(1)径向方向的瞬时静态磁场；所述激励线圈(3)为跑道型，通过模具沿被测试管道(1)内壁放置，其与所述被测试管道(1)内壁的提离距离为0.3mm；所述脉冲电磁铁(2)采用阵列式周期性设置；每组所述脉冲电磁铁(2)的脉冲线圈缠绕在被测试管道(1)内部对应四个径向方向上，其相邻两组所述脉冲电磁铁(2)的脉冲线圈的夹角为90度，在周向能够形成四个相互垂直方向的静态磁场；通过所述信号发生器(5)发出周期正弦信号，经所述功率放大器(4)放大并送至所述激励线圈(3)，在所述被测试管道(1)的趋肤深度内表面感生交变涡流场，同时在所述脉冲电磁铁(2)的静态磁场作用下，使所述被测试管道(1)内产生沿被测试管道(1)切向的洛伦兹力，进而使所述被测试管道(1)内能够产生沿切向的剪切力，并在所述被测试管道(1)内传播，进而激励出扭转模态导波；所述扭转模态导波沿着所述被测试管道(1)的轴线方向传播并在遇到管壁缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈(3)时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察所述感应电压随时间的变化判断所述被测试管道(1)中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。2.根据权利要求1所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述扭转模态导波的激发还包括，激励线圈(3)中因回波导致的感应电流变化导波信号流入所述信号预处理装置(6)中再输入到所述信号接收器(7)中进行信号的后处理和模态提取工作。3.根据权利要求2所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述激励线圈(3)包括直线部分和弧形部分，所述直线部分沿着所述被测试管道(1)的轴向布置并与所述脉冲电磁铁(2)的磁场方向相垂直。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述脉冲电磁铁(2)在被测试管道(1)轴向形成一个周期性的交替磁场，并根据所选择的激励频率与其频散曲线计算得到的半波长进行交替放置。5.根据权利要求4所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述脉冲电磁铁(2)的阵列数...
【专利技术属性】
技术研发人员：张星，武文涛，伍文君，姜荣俊，孔伟涛，
申请(专利权)人：武汉源海博创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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