一种电磁超声换能器及基于其的缺陷检测方法与流程

1.本发明涉及无损检测技术领域，具体是涉及一种电磁超声换能器及基于其的缺陷检测方法。


背景技术：

2.锅炉、压力容器和压力管道等承压类特种设备广泛应用于石油、化工、电力、冶金等国民经济支柱领域，其长期服役于高温、高压、深冷等苛刻环境下，易产生腐蚀减薄、应力开裂等宏观缺陷，一旦发生失效、有毒介质泄漏，将导致火灾、爆炸、中毒、环境污染等灾难性事故。因此承压设备表层及内部的宏观缺陷检测和评估成为确保承压类特种设备服役安全的重要手段。
3.传统接触式压电超声检测必须采用耦合剂且需对工件表面进行预处理，难以适应复杂工况如高温、带包覆层等环境。非接触式电磁超声具有无需耦合剂、能够灵活产生多种模态波的优势，更适应现场复杂工况要求，但还存在能量转换效率低、检测灵敏度低等问题，以永磁体做偏置磁场会使换能器与待检工件磁吸力较大，移动困难。针对高温环境下检测，永磁体在距离高温待检工件较近时磁场强度会衰减，已有研究采用脉冲电磁铁来激励，但单纯的脉冲电磁铁需要励磁线圈匝数多，脉冲源功率大，且换能器难以小型化。在开口裂纹检测中，已有斜入射线聚焦电磁超声换能器利用相邻线圈中心到聚焦点的距离差为半波长来设计曲折线圈，但线圈导线通常为圆形截面，其激励的交变磁场强度低，聚焦声波能量低且指向性差。这些问题对高温等环境下开口裂纹的非接触式电磁超声检测提出了挑战。
4.现有的电磁超声换能器产生的电磁超声波分布较为分散，导致电磁超声波传播至工件处的强度不足以用于检测工件的缺陷，从而降低了检测的准确性。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供了一种电磁超声换能器，使得电磁超声波聚焦，从而增大了传播至工件处的电磁超声波的强度，以提高检测的准确性。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.一种电磁超声换能器，包括激励线圈，与激励线圈电连接的第二脉冲源，产生磁场方向垂直于待检测工件的复合磁化器，所述激励线圈包括并排分布的线圈簇，相邻所述线圈簇的间距沿线圈簇并排分布方向的一侧至另一侧依次增大，使得激励线圈所产生的电磁超声波聚焦。
8.进一步，各个所述线圈簇由导线缠绕构成，该导线的横截面为正方形。
9.进一步，所述复合磁化器包括永磁体和电磁铁，所述永磁体朝向电磁铁的磁极与电磁铁朝向永磁体的磁极相异。
10.进一步优选的，所述电磁铁包括磁芯，缠绕在磁芯侧面上的励磁线圈，以及与励磁线圈电连接的第一脉冲源；所述永磁体固定在磁芯的端部；所述线圈簇靠近磁芯远离永磁体的端部，且磁芯与线圈簇之间设置有间隙。
11.本发明的目的之二是提供一种基于电磁超声换能器的缺陷检测方法，包括如下步骤：
12.s1，将复合磁化器置于待检测工件的外侧；将激励线圈设置在复合磁化器与待检测工件之间；其中，激励线圈包括沿待检测工件长度方向并排分布的线圈簇，相邻所述线圈簇的间距沿线圈簇并排分布方向的一侧至另一侧依次增大；
13.s2，将第一脉冲信号输入到复合磁化器中，复合磁化器产生垂直于待检测工件的背景磁场；第二脉冲信号输入到激励线圈中，激励线圈在待检测工件表面产生涡旋电场；涡旋电场在垂直于待检测工件的背景磁场作用下，形成聚焦的电磁超声波，聚焦即所有的电磁超声波相交于一点；
14.s3，当电磁超声波传播至待检测工件内部缺陷处，被缺陷反射的信号波，记为反射波；
15.s4，获取反射波中包含的缺陷回波；
16.s5，通过缺陷回波，获取待检测工件的缺陷信息。
17.进一步，线圈簇包括线圈匝，各个所述线圈匝的分布构成m行n列，其中m行的线圈匝沿待检测工件的长度方向分布，n列的线圈匝沿复合磁化器与待检测工件的分布方向而分布，若s2中聚焦的电磁超声波的聚焦点为(x0，y0)，则m和n满足如下约束条件：
[0018][0019][0020][0021]
其中，x0为聚焦点在直角坐标系中x轴上的坐标，y0为聚焦点在直角坐标系中y轴上的坐标,该直角坐标系的原点为第一个线圈簇的中心，该直角坐标系的x轴位于n个线圈簇的分布方向上，该直角坐标系的y轴平行于n列线圈匝的分布方向，第n个线圈簇的x轴坐标值小于x0；
[0022]
激励线圈中的导线的横截面为正方形，a为该正方形横截面的边长；
[0023]
h为激励线圈的中心与待检测工件表面之间的距离；
[0024]
第一个线圈簇和第二个线圈簇，两者的中心间距为n个线圈簇中所有相邻线圈簇的中心间距中的最小值；r1为第一个线圈簇与聚焦点之间的距离，r2为第二个线圈簇与聚焦点之间的距离；
[0025]
c
p
为电磁超声波在待检测工件中的传播速度；
[0026]
f为第二脉冲信号的频率。
[0027]
进一步优选的，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号同步触发，且第一脉冲信号的脉冲宽度大于第二脉冲信号的脉冲宽度。
[0028]
更进一步优选的，当所述待检测工件为高温工件时，所述复合磁化器包括永磁体和电磁铁，且永磁体位于电磁铁远离待检测工件的端部上，所述永磁体朝向电磁铁的磁极与电磁铁朝向永磁体的磁极相异。
[0029]
更进一步优选的，所述待检测工件上与激励线圈相对应的位置处设置有隔热垫，所述激励线圈分布在隔热垫上，所述隔热垫允许电磁超声波穿过。
[0030]
进一步优选的，在步骤s5之后还包括沿待检测工件的长度方向同步移动复合磁化器和激励线圈，重复步骤s4～s5，直至复合磁化器和激励线圈沿长度方向从待检测工件的一端移动至另一端。
[0031]
本发明的有益效果如下：
[0032]
(1)本发明的相邻线圈簇的间距依次增大，使得线圈簇构成的激励线圈所产生的电磁超声波聚焦，聚焦处的电磁超声波强度与缺陷回波信号的信噪比高于非聚焦处的信噪比。因而聚焦点处的电磁超声波强度足以用于检测工件的微小缺陷，从而提高了检测的准确度。
[0033]
本发明中由线圈簇构成的激励线圈增大了激励线圈产生的激励磁场的磁通密度，从而提高了聚焦处的电磁超声波强度与缺陷回波信号的信噪比，进而提高了检测的准确度。
[0034]
(2)当需要沿待检测工件移动整个复合磁化器时，可以通过断开第一脉冲源而去除电磁铁的磁力，以此减小由电磁铁与永磁体构成的复合磁化器的磁力，从而方便将本发明的复合磁化器沿着待检测工件移动，进而使得本发明的复合磁化器适用于高温环境下非接触式高精度缺陷无损检测。
[0035]
(3)本发明的激励线圈中的导线的横截面为方形，在输入相同强度的第二脉冲信号时，方形的导线产生的电磁超声波在聚焦处的强度增大，从而更进一步提高缺陷检测的准确度。
[0036]
(4)电磁铁为了达到检测缺陷所需要的磁场强度，通过增加其表面的励磁线圈的匝数以增大其产生的磁场强度，或者，通过增大通入励磁线圈的脉冲信号以增大其产生的磁场强度，前者会增大整个电磁超声换能器的体积，而体积的增大会降低其实用性，后者会使励磁线圈的温度升高而导致烧毁励磁线圈。永磁体在高温环境中，磁场强度减弱。因此，为了在高温环境中，使得磁场强度达到检测缺陷所需要的磁场强度，本发明将电磁铁和永磁体组合使用，且永磁体位于电磁铁远离高温待检测工件的一侧，既能使得二者产生的磁场强度达到检测高温工件缺陷所需要的磁场强度，又能在永磁体补充电磁铁产生的磁场强度基础上，减少电磁铁的体积，从而满足实际使用需求。
[0037]
(5)复合磁化器建立稳定磁场所需要的时间大于激励线圈建立稳定电场所需要的时间，因此，本发明输入给复合磁化器的第一脉冲信号的脉冲宽度大于输入给激励线圈的第二脉冲信号的脉冲宽度，使得两者可以同时建立稳定的磁场和电场，从而产生稳定的电磁超声波信号，进而更进一步提高检测微小缺陷的准确性。
[0038]
(6)本发明采用外接的第一脉冲源和第二脉冲源作为磁场和电场的激励源，可以根据待检测工件的尺寸而调整两个脉冲源的强度，进而增加了本发明的电磁超声换能器的适用性。
附图说明
[0039]
图1为本发明的基于复合磁化器的多簇激励线圈聚焦换能器示意图；
[0040]
图2为本发明的复合磁化器的示意图；
[0041]
图3为本发明的基于复合磁化器的多簇激励线圈线聚焦声场示意图；
[0042]
图4为本发明的脉冲信号的示意图；
[0043]
图5为本发明的聚焦示意图；
[0044]
图6为本发明的多簇激励线圈聚焦电磁超声波缺陷检测信号示意图。
[0045]
图中标注符号的含义如下：
[0046]1‑
复合磁化器 11
‑
永磁体 12
‑
电磁铁121
‑
磁芯 122
‑
励磁线圈
[0047]
123
‑
第一脉冲源 2
‑
激励线圈 21
‑
线圈簇 211
‑
线圈匝 22
‑
第二脉冲源
[0048]3‑
待检测工件 31
‑
隔热垫
具体实施方式
[0049]
以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
实施例1
[0051]
一种电磁超声换能器，包括激励线圈2，与激励线圈2电连接的第二脉冲源22，产生磁场方向垂直于待检测工件3的复合磁化器1，激励线圈2包括并排分布的线圈簇21，如图1和图5所示，相邻线圈簇21的间距沿线圈簇21并排分布方向的一侧至另一侧依次增大，即图1和图5所示，从右侧至左侧，相邻线圈簇21的间距依次增大。
[0052]
如图2所示，复合磁化器1包括永磁体11和电磁铁12，永磁体11朝向电磁铁12的磁极与电磁铁12朝向永磁体11的磁极相异，即永磁体11的s极朝向电磁铁12的n极，或者永磁体11的n极朝向电磁铁12的s极。电磁铁12包括磁芯121，缠绕在磁芯121侧面上的励磁线圈122，以及与励磁线圈122电连接的第一脉冲源123。本实施例中第一脉冲源123输出的是方波，磁芯121为铁氧体、硅钢等材料。永磁体11的磁场用于补充电磁铁12产生的背景磁场，能够提高待检测工件3近表面磁场强度并降低第一脉冲源123的功率。
[0053]
如图1所示，激励线圈2包括由导线构成的若干个线圈簇21，每个线圈簇21所在的导线之间构成串联，若干个线圈簇21与磁芯121之间设置有间隙，防止线圈簇21产生的热量影响磁芯121，如图3所示，而线圈簇21与待检测工件3之间设置有隔热垫31，隔热垫31允许线圈簇21激发的电磁超声波穿过。若干个线圈簇21沿待检测工件3的长度方向分布，若干个线圈簇21只覆盖待检测工件3的一部分，并没有对待检测工件3实现周向覆盖，各个相邻的线圈簇21之间的间距不同，本实施例中，线圈簇21的总数量为n个，第一个线圈簇21至第n个线圈簇21，相邻的线圈簇21之间的间距逐渐增大。激励线圈2中的导线横截面为正方形。导线连接有第二脉冲源22，第二脉冲源22输出的也是方波，第二脉冲源22使得线圈簇21产生电场，由于相邻线圈簇21之间的间距不等，使得涡旋电场在垂直于待检测工件3的背景磁场的激励下产生的所有的电磁超声波一定能聚焦于一点，相对于分散的电磁超声波，聚焦点处的电磁超声波的强度增大，能够满足微小缺陷检测所需要的电磁超声波的强度。
[0054]
实施例2
[0055]
在实施例1的基础上，一种基于电磁超声换能器的缺陷检测方法，包括如下步骤：
[0056]
s1，将复合磁化器1置于待检测工件3的外侧，本实施例中，待检测工件3为高温工件；将激励线圈2设置在复合磁化器1与待检测工件3之间；其中，激励线圈2包括沿待检测工件3长度方向并排分布的线圈簇21，相邻线圈簇21的间距依次增大。线圈簇21包括依次串联的线圈匝211，各个线圈匝211的分布构成m行n列，其中m行的线圈匝211沿待检测工件3的长
度方向分布，n列的线圈匝211沿复合磁化器1与待检测工件3的分布方向而分布，若s2中聚焦的电磁超声波的聚焦点为(x0，y0)，则m和n满足如下约束条件：
[0057][0058][0059][0060]
其中，x0为聚焦点在直角坐标系中x轴上的坐标，y0为聚焦点在直角坐标系中y轴上的坐标,该直角坐标系的原点为第一个线圈簇21的中心，该直角坐标系的x轴位于n个线圈簇21的分布方向上，该直角坐标系的y轴平行于n列线圈匝211的分布方向，第n个线圈簇21的x轴坐标值小于x0；
[0061]
激励线圈2中的导线的横截面为正方形，a为该正方形横截面的边长；
[0062]
h为激励线圈2的中心与待检测工件3表面之间的距离；
[0063]
第一个线圈簇21和第二个线圈簇21，两者的中心间距为n个线圈簇21中所有相邻线圈簇21的中心间距中的最小值；r1为第一个线圈簇21与聚焦点之间的距离，r2为第二个线圈簇21与聚焦点之间的距离；
[0064]
c
p
为电磁超声波在待检测工件3中的传播速度；
[0065]
f为第二脉冲信号的频率。
[0066]
s2，通过第一脉冲源123将第一脉冲信号输入到复合磁化器1中，复合磁化器1产生的背景磁场的方向垂直于待检测工件3；通过第二脉冲源22将第二脉冲信号输入到激励线圈2中，激励线圈2在待检测工件3的表面产生涡旋电场，第一脉冲信号和第二脉冲信号同步触发，如图4所示，第一脉冲信号的脉冲宽度大于第二脉冲信号的脉冲宽度；电场在磁场的作用下，形成聚焦的电磁超声波，聚焦即所有的电磁超声波相交于一点。
[0067]
s3，如图3所示，当电磁超声波传播至待检测工件3的缺陷处，被缺陷信息反射的信号波，记为反射波；
[0068]
s4，获取反射波中包含的缺陷回波，缺陷回波如图6所示；
[0069]
s5，通过缺陷回波，获取待检测工件3的缺陷信息，缺陷信息包括缺陷位置和缺陷尺寸，通过缺陷回波获取缺陷位置和缺陷尺寸为现有技术。
[0070]
s6，同步移动复合磁化器1和激励线圈2，重复步骤s4～s5，直至复合磁化器1和激励线圈2沿长度方向从待检测工件3的一端移动至另一端，完成对待检测工件3的检测。