CN103217481A - 一种应用磁致伸缩的磁声成像探头 - Google Patents

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李超
游德海
陈俊
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Abstract

一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，用于铁磁性材料表面缺陷的检测，包括屏蔽罩、发射线圈、永磁体、接收线圈和磁轭，所述发射线圈固定于屏蔽罩底部中央且输入端接激励脉冲用于激发超声波，该发射线圈下方形成有被检测区域；所述永磁体设置于屏蔽罩底部且形成有偏置磁场，该偏置磁场方向与激励脉冲所感应的动态磁场方向平行；所述磁轭置于该偏置磁场上；所述接收线圈设置于超声波的传播方向上且分布于所述发射线圈周围，其输出端将接收到的超声波信号输出。本发明探头输出的超声信号，可以直接使用感应式磁声成像(MAT-MI)技术进行缺陷成像，能根据目标质点的振动所产生的超声信号，重建被测区域电或磁导率的分布特性。

Description

一种应用磁致伸缩的磁声成像探头
技术领域
本发明涉及磁声成像探头领域，特别是一种用于检测铁磁性材料表面缺陷的应用磁致伸缩的磁声成像探头。
背景技术
管道在运行过程中会出现腐蚀、裂纹等缺陷，这些缺陷严重影响了管道的安全运行。腐蚀缺陷的检测主要是采用漏磁技术，而对裂纹的检测一般使用超声检测技术。压电超声检测需要耦合介质，很难应用于天然气管道的在线检测，而电磁超声具有非接触、无需耦合剂、容易激发出多种模式的超声波等优点，非常适合于管道的在线检测。
现有技术中，有采用借助超声检测技术对检测对象进行检测的超声探头，其中在超声探头面与要检测的表面之间布置有耦合剂并且超声探头具有探头保持器，用来防止耦合剂的流出。而许多检测对象都具有不平坦的表面，因而使超声探头最佳地耦合到表面上存在困难。另外，也有利用高频脉冲激励发射线圈在被检测体内感应出高频涡流，感应涡流在偏置磁场的作用下受到周期性洛伦兹力的作用，从而激发出超声波。由于在非铁磁性材料中，主要是洛伦兹力起作用；而在铁磁性材料中，则主要是磁致伸缩效应起作用，洛伦兹力居次要地位。因此该探头只能够用于非铁磁性材料的缺陷检测，无法应用于铁磁性材料的缺陷检测。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种应用磁致伸缩效应的检测铁磁性材料表面缺陷的磁声成像探头。
本发明采用如下技术方案：
一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，用于铁磁性材料表面缺陷的检测，其特征在于：包括屏蔽罩、发射线圈、永磁体、接收线圈和磁轭，所述发射线圈固定于屏蔽罩底部中央且输入端接激励脉冲用于激发超声波，该发射线圈下方形成有被检测区域；所述永磁体设置于屏蔽罩底部且形成有偏置磁场，该偏置磁场方向与激励脉冲所感应的动态磁场方向平行；所述磁轭置于该偏置磁场上；所述接收线圈设置于超声波的传播方向上且分布于所述发射线圈周围，其输出端将接收到的超声波信号输出。
进一步的，所述发射线圈采用环形螺旋线圈或折线形线圈。
进一步的，所述永磁体为钕铁硼永磁体。
进一步的，所述磁轭采用软铁、A3钢和软磁合金制造而成。
进一步的，所述接收线圈为折线形线圈，其回折的次数与接收到的超声波强度相关。
进一步的，所述接收线圈的数量与本发明探头的分辨率相关。
进一步的，所述发射线圈的相邻导线间距L符合限位匹配条件，即L=C/2f，其中f为所激发超声波的频率，C为超声波在被测材料中的波速。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，采用不锈钢屏蔽罩将永磁铁和线圈罩住，屏蔽外界电场与磁场对于线圈的干扰；偏置磁场由钕铁硼永磁体提供，应用该类永磁体可以提供高达1T的磁感应强度，有效提高探头灵敏度，并使得传感器结构紧凑。永磁铁的结构形式可以根据实际情况采用圆周型磁铁或者柱形磁铁；磁轭在磁路中只起磁力线传输的作用，可以采用导磁率比较高的软铁、A3钢以及软磁合金来制造；本探头输出的超声信号，可以直接使用感应式磁声成像(MAT-MI)技术进行缺陷成像。该技术是近年发展起来的一种成熟的电、磁、超声综合成像技术，能根据目标质点的振动所产生的超声信号，重建被测区域电或磁导率的分布特性。
本发明将发射线圈置于偏置磁场中，用1-2个高频正弦脉冲激励发射线圈，就会在被测材料中感应出涡流和磁场。由于存在集肤效应，发射线圈产生的磁场主要分布在被测材料表面。被测材料表面的质点在偏置磁场和激励脉冲所感应的动态磁场的共同作用下会发生交替的伸长和缩短，引起被检测材料表面的局部振动，从而激发出超声波。铁磁性材料的磁导率很高，如果其表面有缺陷，则该处将会被空气或者其他杂质填充，因此缺陷处的磁导率将会发生明显改变。利用磁声成像技术就可以得到被测材料表面的磁导率图像。
附图说明
图1为本发明实施例一的总体结构示意图；
图2为实施例一中发射线圈和接收线圈的布置示意图；
图3为实施例一中永磁铁布置示意图；
图4为实施例二中发射线圈和接收线圈的布置示意图；
图5为实施例二中永磁铁布置示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
具体实施方式一
参照图1、图2和图3，本发明的一种应用磁致伸缩效应的磁声成像探头的，包括不锈钢屏蔽罩1、连接部分2、磁轭4、偏置磁场5、发射线圈7及输入端6、接收线圈8及输出端3。发射线圈7置于屏蔽罩1内且位于屏蔽罩1底部中央，其输入端6接激励脉冲信号用于激发超声波，发射线圈7可采用环形螺旋线圈或折线形线圈且其下方形成有被检测区域。偏置磁场5由钕铁硼永磁铁提供，其方向与激励脉冲所感应的动态磁场方向平行，应用该类永磁体可以提供高达1T的磁感应强度，有效提高探头灵敏度，并使得传感器结构紧凑。磁轭4放置于偏置磁场上，在磁路中只起磁力线传输的作用，可以采用导磁率比较高的软铁、A3钢以及软磁合金制造而成。接收线圈8置于超声波的传播方向上，根据实际情况布置在发射线圈7周围，用于接收包含被测材料表面缺陷信息的超声信号，发射线圈7和接收线圈8的间距不能太大，以提高信噪比。不锈钢屏蔽罩1将永磁铁和线圈罩住，屏蔽外界电场与磁场对线圈的干扰。永磁铁的结构形式可以根据实际情况设置，本实施例图1、图2和图3采用圆周型磁铁，发射线圈7采用环形螺旋线圈，接收线圈8采用折线形线圈。
本实施例接收线圈8回折次数增加时，接收到的超声信号的强度增强，但回折次数增加，会引起接收图像的重叠。故本实施例选择回折次数为2次。接收线圈的数目n直接影响探头对缺陷检测的分辨率（360°/n），但n过大，亦会造成接收信号强度减弱，因此，本实施例中接收线圈数目为10个。
本发明激发的超声波为表面波模式，其在固体表面上传播时，速度CR恒定。对于钢材，其波速约为横波波速的0.925倍，即3005m/s。若采用500kHz的正弦脉冲激励发射线圈7，则由L=C/2f可计算得发射线圈7和接收线圈8所分别采用的环形螺旋线圈和折线形线圈相邻导线间距为3mm。
被测材料表面不可避免地有凹凸不平的部分，为了减小被测表面凹凸对本发明探头性能的影响，探头和被测材料表面应保持一定的提离值。通过实验选择合适的提离值。调节探头的提离高度，同时观察接收信号幅度变化。随着提离高度的增加，接收信号幅度逐渐减小，信噪比降低。当提离超过3mm时，接收信号迅速衰减。而当提离低于2mm时，探头及其线圈的抖动易造成较大输出的波动，引发检测误差。所以，综合考虑信噪比和稳定性，将提离高度选定为2mm到2.5mm比较合适。
使用时，将本发明的探头以设定的提离值置于被测材料表面上方，用1-2个高频正弦脉冲激励发射线圈7，就会在被测材料中感应出涡流和磁场。由于存在集肤效应，发射线圈7产生的磁场主要分布在被测材料表面。被测材料表面的质点在偏置磁场和激励脉冲所感应的动态磁场的共同作用下会发生交替的伸长和缩短，引起被检测材料表面的局部振动，从而激发出超声波。铁磁性材料的磁导率很高，如果其被测区域表面有缺陷，则该处将会被空气或者其他杂质填充，因此缺陷处的磁导率将会发生明显改变。接收线圈8接收包含被测材料表面缺陷信息的超声波。之后，利用磁声成像技术对接收线圈接收到的包含被测材料表面缺陷信息的超声波信号进行处理就可以得到被测材料表面的磁导率图像。
具体实施例二
参照图1、图4和图5，本发明的一种应用磁致伸缩效应的磁声成像探头，与具体实施例一相比，不同之处如下：偏置磁场5改用柱形磁铁提供。发射线圈7改用折线形线圈，放置于探头中心（屏蔽罩1内且位于屏蔽罩1底部中央）。接收线圈8仍然采用折线形线圈，沿发射线圈7导线长度方向分布。发射线圈7和接收线圈8共同置于柱形磁铁两极中间。
接收线圈8的数目会影响探头的分辨率，在本实施例中，发射线圈7两侧各布置5个接收线圈8。其他参数的选择与实施例一相同，在此不再赘述。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，用于铁磁性材料表面缺陷的检测，其特征在于：包括屏蔽罩、发射线圈、永磁体、接收线圈和磁轭，所述发射线圈固定于屏蔽罩底部中央且输入端接激励脉冲用于激发超声波，该发射线圈下方形成有被检测区域；所述永磁体设置于屏蔽罩底部且形成有偏置磁场，该偏置磁场方向与激励脉冲所感应的动态磁场方向平行；所述磁轭置于该偏置磁场上；所述接收线圈设置于超声波的传播方向上且分布于所述发射线圈周围，其输出端将接收到的超声波信号输出。
2.如权利要求1所述的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，其特征在于：所述发射线圈采用环形螺旋线圈或折线形线圈。
3.如权利要求1所述的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，其特征在于：所述永磁体为钕铁硼永磁体。
4.如权利要求1所述的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，其特征在于：所述磁轭采用软铁、A3钢和软磁合金制造而成。
5.如权利要求1所述的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，其特征在于：所述接收线圈为折线形线圈，其回折的次数与接收到的超声波强度相关。
6.如权利要求1所述的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，其特征在于：所述接收线圈的数量与本发明探头的分辨率相关。
7.如权利要求1所述的一种应用磁致伸缩的磁声成像探头，其特征在于：所述发射线圈的相邻导线间距L符合限位匹配条件，即L=C/2f，其中f为所激发超声波的频率，C为超声波在被测材料中的波速。
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