CN102706966A - 水平剪切电磁超声探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水平剪切波电磁超声探头，主要由主永久磁铁、衔铁、壳体、壳盖、插座、辅助永久磁铁和线圈组成。辅助永久磁铁位于两主永久磁铁之间，线圈位于其下部，线圈通过绝缘导线与插头连接。本发明通过在主永久磁铁闭合的磁路上施加辅助永久磁铁，提高了电磁超声线圈下部的试件磁化强度，提高了效率，从而增加了电磁超声信号强度和信噪比，可用于各类铁磁性试件的探伤。

Description

水平剪切电磁超声探头

技术领域

本发明属于超声无损检测领域，更具体地，涉及一种用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁超声探头。 

背景技术

电磁超声（Electromagnetic acoustic，简称EMAT）作为一种无损检测新技术具有一系列优点。相比较于传统的压电超声，电磁超声检测过程中不需要耦合剂，是一种非接触测量方式，因此在使用时对待测试件表面要求不高，还可用于一些高温环境下的无损检测。另外电磁超声还可以灵活地产生各类波型，尤其是表面波和板波的激发过程不需要更换换能器，只需要改变激励电信号的频率使之满足一定条件就可以实现波型模式的自由选择。因此电磁超声技术可用于列车车轮，石油天然气管道以及压力容器等的检测。 

水平剪切波（简称SH波）作为超声波的一种，当水平剪切波从平行于偏振方向的表面反射时，不会转化为其他类型的波，且杂乱回波较少，其对负载也不敏感，信号较纯净，因此相比于其它模式的超声波具有一定的不可替代性。采用非接触的电磁超声换能器可以实现水平剪切波的激励和接。 

传统的水平剪切波电磁超声探头采用水平磁场曲折线圈结构，激励的水平剪切波波长由绕制线圈的回折间距决定。此结构的换能效率很低，得到的信号较弱，为了提高水平磁场曲折线圈探头的耦合效率，Remo Ribichini在其博士论文“Modelling of electromagnetic acoustic transducers”中提出在试件上粘接镍带，但是这样就无法实现非接触测量。为了弥补永磁铁难以得到较强水平磁化的缺点，有研究者利用电磁铁的趋肤效应进行电磁铁磁 化，张志钢等在2005年《工业仪表与自动化装置》发表的“Lamb波与SH板波双模式电磁超声检测系统的设计与实验”就是采用电磁铁和曲折线圈的探头结构，通过交替开关对两组电磁铁进行工作控制，从而改变偏置磁场的方向来实现Lamb波与SH板波的切换。但电磁铁磁化需要配合电源使用，结构较复杂。 

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种在铁磁性试件中产生或接收水平剪切波的电磁超声探头，该探头选用永磁铁磁化，结构简单，并且通过在主永久磁铁闭合的磁路上施加辅助永久磁铁，实现提高电磁超声线圈下部试件的磁化强度，达到提高效率，增加电磁超声信号强度和信噪比的技术效果。 

一种用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁超声探头，包括： 

壳体，该壳体内开有三个空腔； 

两块主永久磁铁，该两块主永磁铁分别放置于壳体内两端的空腔内，磁极沿竖直方向且极性相反，用于对放置于平面线圈下方的试件进行水平磁化； 

衔铁，该衔铁用于连接两块主永磁铁，并与两主永磁铁组成闭合磁路； 

平面线圈，该平面线圈放置于壳体中间的空腔内，处于两块主永磁铁之间，采用回折线圈，且线圈内的电流方向与主永久磁铁5提供的偏置磁场方向平行；线圈被通以高频交流电后在试件表面产生交变磁场，此交变磁场与主永磁铁提供的静态偏置磁场共同作用，从而在试件中产生水平剪切波； 

辅助永久磁铁，该辅助永磁铁放置于平面线圈上方，用于提高试件的磁化强度； 

定位块，该定位块放置于衔铁与辅助永久磁铁之间，用于固定辅助永 久磁铁； 

壳盖，该壳盖与壳体连接； 

插座，该插座安装在壳盖上，通过绝缘导线与回折平面线圈连接； 

作为进一步优选地，所述辅助永久磁铁的磁极沿水平方向，且N极要靠近主永久磁铁的N极，S极靠近主永久磁铁的S极。 

作为进一步优选地，所述壳体和衔铁包含用于绝缘导线走线的刻槽结构。 

作为进一步优选地，所述壳体、壳盖和定位块均由非导电材料制成。 

作为进一步优选地，探头还包括耐磨层，该耐磨层采用耐磨损耐高温材料制成并粘接于壳体下方，用于防止检测过程中由于工件表面不平整而损坏探头，起到保护探头延长使用寿命的作用。 

本发明的技术效果体现在： 

按照本发明的水平剪切电磁超声探头，在常规的水平磁场曲折线圈的基础上，通过对磁化结构的改进，增加了辅助永久磁铁来提高电磁超声线圈下部试件中的磁化强度，解决了铁磁性材料中难以实现较强水平磁化的难题，从而增加电磁超声信号的强度和信噪比。此结构的水平剪切电磁超声探头可用于各类铁磁性试件的非接触无损探伤。 

附图说明

图1为按照本发明的水平剪切电磁超声探头的剖视图； 

图2为按照本发明的水平剪切电磁超声探头用于铁磁性试件检测的系统示意图； 

图3为具体实施例中所用的带一 

通孔缺陷的2mm钢板试件，以及激励和接收探头的布置位置示意图； 

图4为水平磁场曲折线圈结构探头用于试件中缺陷检测的信号波形图； 

图5本发明的水平剪切电磁超声探头用于试件中缺陷检测的信号波形图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。 

图1是按照本发明的水平剪切电磁超声探头的剖视图。如图1所示，一种用于铁磁性试件无损检测的水平剪切电磁超声探头，包括插座1、壳盖2、衔铁3、壳体4、主永久磁铁5、耐磨层6、平面线圈7、辅助永久磁铁8以及定位块9。壳体4内开有三个腔体用于放置磁化装置和线圈。主永磁铁5放置于壳体4中两端的腔体内，通过衔铁3形成闭合磁路，给线圈7下的试件提供水平磁化。平面线圈7放置于壳体4中间的腔体底部，采用回折形式，且通过电流方向主要与主永久磁铁5提供的偏置磁场平行。线圈中通过高频交流电会在下方的试件中产生交变的磁场，交变磁场与偏置磁场共同作用产生超声波。平面线圈7的制作可以采用印制电路板也可使用漆包线自行绕制。辅助永久磁铁8放置于平面线圈7上方，用来提高试件中的磁化强度。为了给试件提供水平磁化，辅助永久磁铁8的磁极要沿水平方向，并且N极要靠近主永久磁铁5的N极，S极靠近主永久磁铁5的S极。辅助永久磁铁8和衔铁3之间用定位块9填充，用来给辅助永久磁铁8定位，定位块9可采用木块或者塑料制作。壳体4上方与壳盖2通过连接件，如螺钉连接。插座1固定于壳盖2上，通过绝缘导线与平面线圈7连接，用于与检测仪器的信号传输。壳体4和衔铁3均开有刻槽，用于绝缘导线的走线。壳体4的下方粘接有耐磨层6，采用耐磨损耐高温材料制成。 

图2为使用上述水平剪切电磁超声探头的一套电磁超声检测系统示意图。如图2中所示，整个系统由激励探头10，功率放大器11，信号源12，主控计算机13，信号采集电路14，信号调理电路15和接收探头16组成。主控计算机13控制信号源12产生预定频率预定长度的脉冲。信号源12发 出的激励信号经功率放大器11进行放大后，再进入激励探头10。激励探头10产生的水平剪切波在试件中传播，经过接收探头16时被检测到并被转换成电信号。接收信号进入信号调理电路15后被滤波和放大处理后，噪声被削弱。较干净的信号再经过信号采集电路14转换成数字信号，采集电路14输出的数据被计算机接收后可以被保存和显示出来。 

图3为带有一个 

通孔缺陷的2mm钢板试件及探头在钢板上的布置位置示意图。钢板长290mm，宽270mm，激励探头10布置在板长方向上距离左端部50mm处，接收探头16距离钢板左端部150mm，在距离钢板右端部40mm处有一 通孔缺陷。 

图4为常规的水平磁场曲折线圈结构探头用于上述试件中缺陷检测的信号波形图。在图4中：水平剪切电磁超声接探头接收到的电磁脉冲信号用M1表示，第一次通过接收探头的信号用S1表示，接收探头接收到的钢板左端部的回波信号用S2表示，缺陷信号用F1表示，接收探头接收到的钢板右端部的回波信号用S3表示，回波信号S2传播至钢板右端部再反射经接收探头接收到的回波信号用S4表示。 

图5为本发明的水平剪切电磁超声探头用于试件中缺陷检测的信号波形图。在图5中：水平剪切电磁超声接探头接收到的电磁脉冲信号用M2表示，第一次通过接收探头的信号用S5表示，接收探头接收到的钢板左端部的回波信号用S6表示，缺陷信号用F2表示，接收探头接收到的钢板右端部的回波信号用S7表示，回波信号S6传播至钢板右端部再反射经接收探头接收到的回波信号用S8表示。 

图4和图5的信号是在除探头外其他硬件设置均一致的情况下得到的，通过两者的对比，可以发现本发明的水平剪切电磁超声探头性能优于常规的水平磁场曲折线圈结构探头。使用本发明的探头得到的通过信号、端部回波信号以及缺陷信号均明显强于传统的水平磁场曲折线圈结构探头，幅值约为其2倍，且信号的噪声基本不变。因此，可以证明本发明的水平剪 切电磁超声探头具有增强信号强度和信噪比的作用，提高了检测效率和缺陷检测的灵敏度，可用于各类铁磁性试件的无损探伤。 

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁超声探头，包括：

壳体，该壳体内开有三个空腔；

两块主永久磁铁，该两块主永磁铁分别放置于壳体内两边的空腔内，磁极沿竖直方向且极性相反，用于对放置于平面线圈下方的试件进行水平磁化；

衔铁，该衔铁用于连接两块主永磁铁，并与两主永磁铁组成闭合磁路；

平面线圈，该平面线圈放置于壳体中间的空腔内，处于两块主永磁铁之间，采用回折线圈，且线圈内的电流方向与主永久磁铁提供的偏置磁场方向平行；线圈被通以高频交流电后在试件表面产生交变磁场，此交变磁场与主永磁铁提供的静态偏置磁场共同作用，从而在试件中产生水平剪切波；

辅助永久磁铁，该辅助永磁铁放置于平面线圈上方，用于提高试件的磁化强度；

定位块，该定位块放置于衔铁与辅助永久磁铁之间，用于固定辅助永久磁铁；

壳盖，该壳盖与壳体连接；

插座，该插座安装在壳盖上，通过绝缘导线与回折平面线圈连接。

2.如权利要求1所述的用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁超声探头，其特征在于，辅助永久磁铁的磁极沿水平方向，且N极要靠近主永久磁铁的N极，S极靠近主永久磁铁的S极。

3.如权利要求1-2任意一项所述的用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁超声探头，其特征在于，壳体和衔铁包含用于绝缘导线走线的刻槽结构。

4.如权利要求1-2所述的用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁 超声探头，其特征在于，所述壳体、壳盖和定位块均由非导电材料制成。

5.如权利要求1-2所述的用于铁磁性试件无损探伤的水平剪切波电磁超声探头，其特征在于，还包括耐磨层，该耐磨层采用耐磨损耐高温材料制成并粘接于壳体下方。 

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