CN104792875B - 基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统及检测方法，该系统包括偏置磁场线圈、涡流线圈、短脉冲大电流源、长脉冲大电流源、脉冲延时触发器、带通滤波器、前置放大器、信号采集设备和计算机；其检测方法为：首先将偏置磁场线圈和涡流线圈置于试件表面，然后利用脉冲延时触发器触发偏置磁场线圈在试件中产生长脉冲磁场，并在磁场峰值附近触发涡流线圈在试件中产生短脉冲涡流，从而完成超声波激励和接收过程；由于采用线圈产生偏置磁场，本发明中的偏置磁场线圈和涡流线圈构成的电磁超声探头具有轻薄、柔性的优点，可广泛用于表面形状复杂的构件及检测空间狭窄工件的无损检测，大幅度扩大超声检测技术的应用范围。

Description

基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及柔性电磁超声探头技术备领域，具体涉及一种基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统及检测方法。

背景技术

作为目前最为重要的无损检测方法之一，超声检测被广泛运用在航空航天、能源、材料等重大装备的安全检测，对提高机械装备的安全可靠性，防止事故发生发挥着重要作用。但目前常规压电超声检测技术要求探头必须与被测件有很好接触，并需要液态耦合剂。随着现代工业和科学技术的发展，产品的复杂程度越来越高，生产及服役环境也更为苛刻(如高温、高压、强腐蚀和辐射等)，使得常规超声检测技术的应用受到了很大的限制。此外，常规超声检测还存在扫描速度慢，不易于实现自动化检测等弱点。因此，电磁超声等非接触超声检测技术一直是超声检测领域中的一个研究热点和突破方向。

相较于压电超声，电磁超声无损检测方法因非接触性、无需耦合剂、适应性强、检测速度快等优点在高温、在线无损检测中表现出其独特的优越性但传统电磁超声探头一般采用永磁体-线圈结构或者电磁体-线圈结构，探头体积较大，对于曲面以及表面复杂、检测空间狭窄的情况难于使用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统及检测方法，能够对表面复杂和狭窄空间的情况进行定量无损检测。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统，包括偏置磁场线圈1、涡流线圈2、短脉冲大电流源3、长脉冲大电流源4、脉冲延时触发器5、带通滤波器6、前置放大器7、信号采集设备8和计算机9；

所述偏置磁场线圈1用于提供偏置磁场；所述涡流线圈2用于激发和接受超声波信号；所述偏置磁场线圈1和涡流线圈2构成柔性电磁超声探头；

所述偏置磁场线圈1的一端与长脉冲大电流源4的一端连接，所述涡流线圈2的一端与短脉冲大电流源3的一端连接，短脉冲大电流源3的另一端与脉冲延时触发器5连接，长脉冲大电流源4的另一端也与脉冲延时触发器5连接；所述涡流线圈2的另一端与带通滤波器6的输入端连接，进行滤波处理，带通滤波器6的输出端与前置放大器7的输入端连接，前置放大器7的输出端连接信号采集设备8的一个输入端，信号采集设备8的另一个输入端连接脉冲延时触发器，信号采集设备8的输出端接入计算机9。

所述偏置磁场线圈1和涡流线圈2为饼形线圈。

所述偏置磁场线圈1和涡流线圈2相邻放置，偏置磁场线圈1的材料为0.2～1mm的漆包线，涡流线圈2的材料为0.1～0.2mm的漆包线。

上述所述基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统检测金属内部缺陷的方法，包括如下步骤：

步骤1：按照待检测金属试件10表面曲率绕制偏置磁场线圈和涡流线圈，偏置磁场线圈和涡流线圈的尺寸形状完全相同，均为饼形线圈，在偏置磁场线圈1和涡流线圈2之间添加锡箔纸16，并将偏置磁场线圈1、涡流线圈2和锡箔纸16固定在一起；最后将偏置磁场线圈紧贴待检测试件表面放置；

步骤2：长脉冲大电流源4向偏置磁场线圈1通入长脉冲大电流13，使偏置磁场线圈1在待检测金属试件10表面产生平行于待检测金属试件平面的低频偏置磁场；

步骤3：短脉冲大电流源3向涡流线圈2通入短脉冲大电流15，使涡流线圈2在待检测金属试件10表面产生涡流；在偏置磁场线圈1产生的平行于待检测金属试件平面的偏置磁场的作用下，待检测金属试件表面将产生垂直待检测金属试件平面传播的超声纵波；

步骤4：脉冲延时触发器5分别对长脉冲大电流源4和短脉冲大电源3进行不同的延时触发，以消除频率较高的上升沿的影响，并产生一个合适的激励周期；短脉冲大电流源3和信号采集设备8的触发时间相同；

步骤5：采用涡流线圈2接收步骤3中产生的超声纵波，并送入带通滤波器6对由偏置磁场线圈1产生的噪声信号进行过滤；

步骤6：通过前置放大器7中对滤波后的检出电压信号进行放大；

步骤7：通过信号采集设备8中对检出电压信号进行采集，进行模数转换，并送入计算机9进行分析；

步骤8：：计算机9根据该待检测金属试件对应的纵波传输速度c_p和所采集到检出电压信号中缺陷信号所对应的回波时间t，计算出金属件内部缺陷距离待测金属试件10表面的位置d，

所述长脉冲大电流13为低频长脉冲大电流，脉冲长度为0.1～5ms，信号幅值为50～500A。

所述短脉冲大电流15为高频短脉冲大电流，脉冲长度为0.1～10μs，信号幅值为50～500A

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明方法可广泛运用于表面形状复杂的构件以及检测空间狭窄工件的无损检测，大幅度扩大超声检测技术的应用范围。

2)本发明检测探头为由偏置磁场线圈和涡流线圈组成的柔性电磁超声探头，使探头能够与任意形状表面紧密贴合，保证了测量结果的精确性。

3)由于偏置磁场线圈、涡流线圈与待测试件完全紧密接触，因此沿管内壁进行二维扫查可有效地提高扫查的精度，减少由于提离和磁场波动带来的误差。

附图说明

图1为本发明系统及检测方法示意图。

图2为待检测金属试件、偏置磁场线圈和涡流线圈分布示意图。

图3为偏置磁场线圈和涡流线圈为饼形线圈示意图。

图4为激励频率和待检测金属试件中磁场的关系。

图5为触发信号以及脉冲信号示意图。

图6为本发明产生洛仑兹力的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统，包括偏置磁场线圈1、涡流线圈2、短脉冲大电流源3、长脉冲大电流源4、脉冲延时触发器5、带通滤波器6、前置放大器7、信号采集设备8和计算机9；所述偏置磁场线圈1用于提供偏置磁场；所述涡流线圈2用于激发和接受超声波信号；所述偏置磁场线圈1和涡流线圈2构成柔性电磁超声探头；所述偏置磁场线圈1的一端与长脉冲大电流源4的一端连接，所述涡流线圈2的一端与短脉冲大电流源3的一端连接，短脉冲大电流源3的另一端与脉冲延时触发器5连接，长脉冲大电流源4的另一端也与脉冲延时触发器5连接；所述涡流线圈2的另一端与带通滤波器6的输入端连接，进行滤波处理，带通滤波器6的输出端与前置放大器7的输入端连接，前置放大器7的输出端连接信号采集设备8的一个输入端，信号采集设备8的另一个输入端连接脉冲延时触发器，信号采集设备8的输出端接入计算机9。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述偏置磁场线圈1和涡流线圈2为饼形线圈。

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6对采用上述检测系统对表面弯曲板试件内部缺陷进行检测的方法加以描述，该方法的步骤为：

步骤1：如图2所示，待检测金属试件10为厚10mm的表面弯曲铜板试件。按照待检测金属试件10表面曲率绕制偏置磁场线圈(导线间距为0.1mm，导线内半径为0.2mm，十匝，示意图如图3所示)和涡流线圈，偏置磁场线圈和涡流线圈的尺寸形状完全相同，均为饼形线圈，在偏置磁场线圈1和涡流线圈2之间添加锡箔纸16，并将偏置磁场线圈1、涡流线圈2和锡箔纸16固定在一起。最后将偏置磁场线圈紧贴待检测试件表面放置。

步骤2、偏置磁场线圈1通以100A的长脉冲大电流13，脉冲长度5ms。根据Ar法(退化磁矢量法)，在待测金属试件10中有(A为矢量磁位，为微分算子，σ、μ分别为待测金属试件10的电导率和磁导率，)；在激励频率为单频的情况下，上式可以简化为(w为角频率，j为虚数单位)；随着w的减小，会增大，又(B为磁感应强度)，因此B会随之增大。通过Ar法程序进行计算，可以得到激励频率和待检测金属试件10中磁场的关系为随着激励频率的减小，待检测金属试件10中磁场强度随之增大，当激励频率趋近于0时将等效于由毕奥沙伐定律计算得到的磁场强度结果。如图2所示，对于内径为0.6mm的单匝环形线圈，通以幅值为100A的脉冲电流，提离为0.5mm，将在待检测金属试件10(材料为铜)表面产生磁感应强度幅值为0.014T左右的磁场，方向垂直于偏置磁场线圈1导线方向，平行于待测金属试件10平面。

步骤3、如图6所示，给涡流线圈2通入200A的脉冲电流，脉冲长度为1μs，使涡流线圈2在待测金属试件表面产生涡流11；在偏置磁场线圈1产生的平行于待测金属试件平面的偏置磁场的作用下，待检测金属试件10表面将产生垂直待测金属试件平面传播频率为1MHz的超声纵波。

步骤4、如图5所示，脉冲延时触发器5分别对长脉冲大电流源4、短脉冲大电源3进行不同的延时触发；对短脉冲大电流源3和信号采集设备8同时进行触发；由于电磁超声的一个检测周期T一般不超过10us，而长脉冲周期却长达0.1-5ms，因此当施加于涡流线圈2的触发信号14相较于施加于偏置磁场线圈1的触发信号12有Δt的延时时，可保证在整个检测周期T内偏置磁场线圈所1激发的磁场都处于峰值附近。

步骤5、采用涡流线圈2接收步骤3中产生的超声纵波，并送入带通滤波器6对由偏置磁场线圈1产生的噪声信号进行过滤。

步骤6、在前置放大器7中对滤波后的检出电压信号进行放大。

步骤7、在信号采集设备8中对检出电压信号进行采集，进行模数转换，并送入计算机9进行分析。

步骤8、计算机9根据该待检测金属试件对应的纵波传输速度c_p和所采集到检出电压信号中缺陷信号所对应的回波时间t，计算出金属件内部缺陷距离待测金属试件10表面的位置d，

Claims (4)

1.基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统，其特征在于：包括偏置磁场线圈(1)、涡流线圈(2)、短脉冲大电流源(3)、长脉冲大电流源(4)、脉冲延时触发器(5)、带通滤波器(6)、前置放大器(7)、信号采集设备(8)和计算机(9)；

所述偏置磁场线圈(1)用于提供偏置磁场；所述涡流线圈(2)用于激发和接受超声波信号；所述偏置磁场线圈(1)和涡流线圈(2)构成柔性电磁超声探头；

所述偏置磁场线圈(1)的一端与长脉冲大电流源(4)的一端连接，所述涡流线圈(2)的一端与短脉冲大电流源(3)的一端连接，短脉冲大电流源(3)的另一端与脉冲延时触发器(5)连接，长脉冲大电流源(4)的另一端也与脉冲延时触发器(5)连接；所述涡流线圈(2)的另一端与带通滤波器(6)的输入端连接，进行滤波处理，带通滤波器(6)的输出端与前置放大器(7)的输入端连接，前置放大器(7)的输出端连接信号采集设备(8)的一个输入端，信号采集设备(8)的另一个输入端连接脉冲延时触发器，信号采集设备(8)的输出端接入计算机(9)；

所述偏置磁场线圈(1)和涡流线圈(2)相邻放置，偏置磁场线圈(1)的材料为0.2～1mm的漆包线，涡流线圈(2)的材料为0.1～0.2mm的漆包线；

所述偏置磁场线圈(1)和涡流线圈(2)为饼形线圈。

2.权利要求1所述基于双线圈结构的柔性电磁超声检测系统检测金属内部缺陷的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在所述偏置磁场线圈(1)和涡流线圈(2)之间添加锡箔纸(16)，并将偏置磁场线圈(1)、涡流线圈(2)和锡箔纸(16)粘结在一起，紧贴待检测金属试件(10)表面放置；

步骤2：长脉冲大电流源(4)向偏置磁场线圈(1)通入长脉冲大电流(13)，使偏置磁场线圈(1)在待检测金属试件(10)表面产生平行于待检测金属试件平面的低频偏置磁场；

步骤3：短脉冲大电流源(3)向涡流线圈(2)通入短脉冲大电流(15)，使涡流线圈(2)在待检测金属试件(10)表面产生涡流；在偏置磁场线圈(1)产生的平行于待检测金属试件平面的偏置磁场的作用下，待检测金属试件表面将产生垂直待检测金属试件平面传播的超声纵波；

步骤4：脉冲延时触发器(5)分别对长脉冲大电流源(4)和短脉冲大电流源(3)进行不同的延时触发，短脉冲大电流源(3)和信号采集设备(8)的触发时间相同；

步骤5：采用涡流线圈(2)接收步骤3中产生的超声纵波，并送入带通滤波器(6)对由偏置磁场线圈(1)产生的噪声信号进行过滤；

步骤6：通过前置放大器(7)中对滤波后的检出电压信号进行放大；

步骤7：通过信号采集设备(8)中对检出电压信号进行采集，进行模数转换，并送入计算机(9)进行分析；

步骤8：计算机(9)根据该待检测金属试件对应的纵波传输速度c_p和所采集到检出电压信号中缺陷信号所对应的回波时间t，计算出金属件内部缺陷距离待测金属试件(10)表面的位置d，

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述长脉冲大电流(13)为低频长脉冲大电流，脉冲长度为0.1～5ms，信号幅值为50～500A。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述短脉冲大电流(15)为高频短脉冲大电流，脉冲长度为0.1～10μs，信号幅值为50～500A。