CN101711357A - 电磁声转换器 - Google Patents

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CN101711357A CN200880017272A CN200880017272A CN101711357A CN 101711357 A CN101711357 A CN 101711357A CN 200880017272 A CN200880017272 A CN 200880017272A CN 200880017272 A CN200880017272 A CN 200880017272A CN 101711357 A CN101711357 A CN 101711357A
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安德雷·瓦西里耶维奇·基里科夫
瓦尔德马·达恩
弗拉基米尔·亚历山德罗维奇·布里特温
阿列克谢·米哈伊洛维奇·卡申
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Abstract

本发明的电磁声转换器涉及材料和产品的无损探测，特别是超声探测，并且可用于探测板材和型钢以及管。所述电磁声转换器包括具有基体的主体、至少一个感应器和以陶瓷板形式的在基体下侧覆盖所述感应器的保护器，其中基体中形成有孔在以便供应空气，在操作过程中该空气在基体的下表面和接受测试的物体之间形成空气垫。陶瓷板布置在基体的下表面上并且板的尺寸使得其外边界能够覆盖基体中的孔，所述板中的孔与主体中的孔共轴。陶瓷板的形状大体上匹配基体下表面的形状，并且其面积大体上等于基体下表面的面积。在本发明的另一变体中，基体由陶瓷制成并且与保护器一体地形成。通过感应器和保护器之间的声耦合消极影响减小，转换器和接受测试的物体之间的电和电磁耦合的变小，以及所述耦合引起的电和电磁干扰的变小，本发明能够增加超声探测的灵敏度、干涉保护和可靠性。

Description

电磁声转换器
技术领域
本发明涉及材料和物品的无损探伤，特别是，超声探伤领域，并且可用于测试轧制板材和型钢以及管。
背景技术
已知一种根据RU2295125的电磁声换能器(EMAT)，该电磁声换能器包括感应器或成组感应器、非铁磁金属制成的壳体、和电介质，更加通常的是，在感应器周围胶合在壳体中的陶瓷保护器。已知的换能器包括壳体、感应器和保护器，该保护器以陶瓷板的形式，用于保护感应器免受损坏。该保护器仅保护感应器免受机械损坏，并且通常具有与感应器或成组感应器的尺寸比较相当小的尺寸和对应于感应器的形状。
通常，保护器的工作平面与壳体的工作表面位于相同水平或者稍微凹入该工作表面中。可以说保护器在基体内，它被“胶合”在基体中。通常，考虑到小的保护器尺寸，其工作表面不需要与接受测试的物体的表面形状匹配。在这种方法中，保护器尺寸的最小化减小其与壳体的周边接触和相互作用的程度，并且整体上有利地影响EMAT操作寿命。然而，壳体尺寸的变小受感应器或成组感应器的尺寸的限制。
在形状上与被检查的物体匹配，基体包括压缩空气出口并且用于形成空气垫。基体是形成空气垫且决定其在已知换能器中的操作的功效的主要元件。基体工作表面的形状总是对应于接受测试的物体，这是由于基体是EMAT的这样的元件，即从几何观点看，在执行超声检查期间，该元件与被探测的物体最接近。
这种EMAT的缺陷是感应器和保护器之间声杂散耦合的出现和保护器的小尺寸引起的相当高的声干涉水平。
当电流脉冲流过通常放置在强磁场的工作区域中的感应器时，洛伦茨力影响感应器，该力正比于感应器电流、感应器的匝数和工作区域中的磁场的感应值的乘积。
由于在感应器和保护器之间实际上出现不可避免的声耦合，因此弹性振动产生在保护器中，传播到位于不远处的保护器的边界，然后从这些边界反射并且回到感应器区域中，在其中产生电脉冲，该电脉冲可干涉从接受测试的物体接收有用信号。
这种EMAT的缺陷还在于由换能器的金属零件(基体)和被检查的物体之间的杂散电磁耦合的出现引起的相当低的干涉保护。
对EMAT和接受测试的物品之间的电磁耦合的超声测试的有效性的可能的消极影响的原因如下。
当执行运输线上的运动零件的超声探伤时，电流在运动零件的表面上流动；这些电流由运输系统元件的电势的不均匀性和电磁场的高强度(轧制金属和管的现代生产的特性)引起。从EMAT应用的观点来看，板材的每个具体部分的电势可具有本质上不同于“零点”电势的值。因此，当金属基体接触接受测试的物体时，这产生补偿电流流过换能器的金属元件和将EMAT与输入装置(前置放大器)连接的电缆的护套的条件。这些现象引起的干涉的相当大的幅值和宽的频谱可导致超声检查的灵敏度和可靠性的实质减小。
干涉产生的高可能性不仅出现在直接接触的金属基体和被检查物品之间，也出现在它们之间的小间隙，这是由“基体-接受测试的金属”的电容耦合引起的。
干涉源也可由将换能器与电子系统连接的电缆的护套中的声脉冲引起的电流产生，并且也由被检查的物品的表面上的感应器产生。在用于空气垫的小间隙特性的情况下，在被检查的物体的表面和金属基体之间产生强的电容耦合。这种耦合可在屏蔽和接地电路中，特别地，在连接前置放大器和EMAT的电缆的护套中导致电流谐振激励。这种特定类型的干涉表现为被接收信号的A-渐开线上的声脉冲的实质“延迟”。
其保护器尺寸和形状对应于感应器或成组感应器的EMAT的其它缺陷是这种构造的低的机械、温度和腐蚀耐受性。
空气垫用来有效保护换能器免受温度和磨损。同时，接受测试的金属可具有不平度，表面上的突出缺陷和离开标称值的形状的偏差。这决定了EMAP与物品直接机械接触并且因而损坏的可能性。此外，由形成空气垫的压缩空气流扯下的金属灰的固体颗粒被加速到高速，致使对换能器工作表面的腐蚀性、破坏效果。
在所有实际重要的情况下，基体金属与生产保护器的陶瓷相比是较软的材料。划痕、擦伤局部磨损急剧地减小空气垫的功效。存在于空气垫区域中的材料的物理性质的差异限定了换能器的非一致机械和腐蚀磨损。陶瓷周边和基体之间的粘合剂连接遭受特别强烈的腐蚀。在高温超声探伤过程中，由于所用材料的膨胀系数的差异，“加热-冷却”循环也消极地影响EMAT的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是，由于感应器和保护器之间的声耦合消极影响减小，换能器和接受测试的物体之间的电和电磁耦合的变小，以及这种耦合引起的电和电磁干涉水平的降低，增加超声探伤的灵敏度、干涉保护和可靠性。
本发明的另一目的是，由于空气垫功效的提高，换能器的机械强度和腐蚀耐久性的增加，增加换能器的制造适应性并改善其使用性质。
这些和其它目的通过电磁声换能器而实现，该电磁声换能器包括具有基体的壳体、至少一个感应器和以陶瓷板形式的从基体背侧覆盖感应器的保护器，孔形成在基体中以便供应空气，在操作过程中在基体的下表面和接受测试的物体之间产生空气垫，根据本发明，陶瓷板布置在基体的下表面上并且其尺寸使得其外轮廓包围基体中的孔，因此孔形成在所述板中，这些孔与壳体中的孔共轴。
陶瓷板平方数可以大体上等于基体的下表面的平方数，并且其形状优选地大体上与基体下表面的形状一致。
优选地，陶瓷板刚性地固定(例如，粘附)到基体下表面。
优选地，基体中的孔和陶瓷板中的匹配的孔的数量不小于2。
此外，优选地，陶瓷板的厚度是恒定的并且根据感应器的类型和尺寸、激励的和/或接收的弹性振动的类型和性质、环境条件和超声检查的要求灵敏度等于0.1到5mm。
上述目的也通过下面的电磁声换能器实现：它包括具有基体的壳体、至少一个感应器和从基体的侧部覆盖感应器的保护器，保护器具有陶瓷板的形式，因此孔设置基体中以便供应空气，在操作过程中在基体和接受测试的物体之间形成空气垫，根据本发明，基体由陶瓷制成并且与保护器一体地形成。
根据本发明的电磁声换能器的陶瓷保护器是共同地形成空气垫并决定EMAT操作耐久性的元件。存在于接受测试的物体的侵蚀性影响的区域中的材料的均质性，陶瓷相对于摩擦、变质、机械损坏、腐蚀、温度影响的高抵抗性在增加EMAT的操作耐久性方面产生非常明显的积极作用。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的电磁声换能器的第一实施例的剖视图；
图2示出根据本发明的电磁声换能器的第二实施例。
具体实施方式
图1中示出的电磁声换能器(EMAT)包括：壳体1(被象征性地示出)，具有用于供给空气的孔5的基体2从面向被检查的物体6的侧面固定到该壳体上；布置在基体中的感应器3；和陶瓷保护器4。没有示出诸如集中器、磁路、连接电缆的EMAT的其它常规元件。
基体2由铝或铝合金制成，并且陶瓷保护器4形成为优选地恒定厚度的陶瓷板形式。形成保护器4的陶瓷板的尺寸使得其周边包围基体2中的孔5。优选地，陶瓷板的面积大体上等于基体2的下表面的面积，并且陶瓷板的形状大体上与基体2的下表面的形状一致。陶瓷板刚性地固定到基体2的下表面，例如，粘附到其上。孔形成在陶瓷板中，这些孔与基体2中的孔5共轴。优选的，基体2中的孔和陶瓷板中匹配它们的孔的数量不少于2。
陶瓷板(保护器4)的构造厚度和材料应当满足以下条件：
C0＜＜1/(2πf0)2·Leq，其中
C0-EMAT和在操作位置中接受测试的物体之间的电容；
f0-声脉冲频谱中的中心频率；
Leq-线路“被检查物体-前置放大器-电缆护套-EMAP壳体”的等效感应率。
对于用来检查轧制板材的平的EMAT保护器，C0由平面电容器的公式计算出：
c0＝εε0S/d，其中
ε-基体材料的介质电导；
ε0-介电常数，ε0≈8.85×10-12F/m；
S-电介质板(基体)的平方数；
d-电介质板的厚度。
发现根据感应器的类型和尺寸、受激的和/或接收的弹性振动的类型和性质、环境条件和所需的超声检查灵敏度，陶瓷板的足够厚度在从0.1到5mm的范围内。
保护器4的比较大的尺寸限定换能器的自然噪音的减小。在大的路径上，保证保护器中激发的噪声信号能量的实质减小。在一些情况下，例如在轧制板材检查中，在从陶瓷板(保护器4)的边缘反射的寄生脉冲的出现的很早以前完成有用信号分析。
电介质陶瓷板存在于换能器和被检查的物品之间，保证EMAT和接受测试的物体之间没有电导耦合并且电容耦合的实质变小，从而引起换能器和被检查的物品之间的电磁耦合的影响的稳定和减小。
因此，根据本发明的EMAT保护器功能被扩展：除了常规地保护感应器外，保护器还具有形成空气垫和保护换能器的所有工作表面免受被检查的物体的侵蚀性(腐蚀的、机械的、温度)影响的功能。
此外，根据本发明的保护器允许抑制寄生声信号，从而提供EMAT与接受测试的物体的电流隔离并且稳定和减小EMAT和被检查的物品之间的电容耦合。
图2示出本发明的第二实施例，该第二实施例在更大程度上促进EMAT和接受测试的物体之间的电容耦合减小。在本发明的这个实施例中，与上面给出的实施例不同，基体2和保护器4由陶瓷一体地制成。这允许实际上保证避免屏蔽电路中的共振现象并且更大程度上抑制声干扰。
作为所执行的测试的结果，发现与已知换能器相比，根据本发明的EMAT使用寿命增加将近25％，并且自然噪音水平减小6-8dB。

Claims (8)

1.一种电磁声换能器，包括：具有基体的壳体、至少一个感应器和以陶瓷板形式的从该基体背侧覆盖该感应器的保护器，孔形成在该基体中以便供应空气，在操作过程中在基体的下表面和接受测试的物体之间产生空气垫，其特征在于，该陶瓷板布置在该基体的下表面上，并且陶瓷板的尺寸使得陶瓷板的外轮廓包围该基体中的孔，因此孔形成在所述板中，所述孔与壳体中的孔共轴。
2.根据权利要求1所述的电磁声换能器，其特征在于，陶瓷板的平方数大体上等于基体的下表面的平方数。
3.根据权利要求1所述的电磁声换能器，其特征在于，陶瓷板的形状大体上与基体下表面的形状一致。
4.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的电磁声换能器，其特征在于，陶瓷板刚性地固定到基体下表面。
5.根据权利要求4所述的电磁声换能器，其特征在于，陶瓷板粘附到基体下表面。
6.根据权利要求1所述的电磁声换能器，其特征在于，基体中的孔和陶瓷板中的匹配的孔的数量不小于2。
7.根据权利要求1所述的电磁声换能器，其特征在于，根据感应器的类型和尺寸、激励的和/或接收的弹性振动的类型和性质、环境条件和超声检查的要求灵敏度，陶瓷板的厚度等于0.1到5mm。
8.一种电磁声换能器，包括：具有基体的壳体、至少一个感应器和从基体的侧部覆盖该感应器的保护器，该保护器具有陶瓷板的形式，因此孔设置该基体中以便供应空气，在运行过程中在该基体和接受测试的物体之间形成空气垫，其特征在于，该基体由陶瓷制成并且与该保护器一体地形成。
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