CN107607626A - 电磁超声换能器及用电磁超声换能器自动检测钢板的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁超声换能器及用电磁超声换能器自动检测钢板的设备。该换能器包括换能器外壳体，安装在换能器外壳体内的线圈以及永久磁铁，其特殊之处是：还包括用于控制换能器磁场系统“开通”或“关闭”的磁场切换装置、用于减少摩擦的导向轮并且导向轮通过高度可调的L型支架固定在换能器外壳体上。通过上述三个改进不仅实现了磁场系统的开闭，同时减小了电磁超声换能器和待测钢板之间的摩擦力，并且自动检测过程中保证了最佳的提离间隙使待测钢板顺利移动。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种电磁超声换能器及用电磁超声换能器自动检测钢板的设备。
背景技术
随着油气输送管线的输送压力、钢级的不断提高，油气输送钢管所用钢板的要求也在不断提高，例如深海管线、大管径高钢级厚壁管线要求使用的钢板进行100％的超声波检测。目前我国油气输送钢管用钢板检测以压电晶片的超声波检测为主，实现100％检测较难且需要以水作耦合剂。与常规压电晶片的超声波检测相比，电磁超声检测具有非接触检测，无需耦合剂、无需对板材表面进行预处理(如高温等)、易实现自动化检测、检测速度快、检测效率高。通过改变探头结构和频率，可以方便地激发出多种波模的超声波。因此，基于钢板电磁超声自动检测方法在自动检测的无损检测领域具有广阔发展前景。
钢板电磁超声自动检测技术中最重要的一个元器件是电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer简称EMAT)，电磁超声换能器是一种新型的超声发射接收装置,它是通过电磁耦合方法来产生和接收超声波的。依据工件材料性质的不同，电磁超声换能机理主要有3种形式:洛仑兹力、磁致伸缩力和磁化力。在非铁磁材料中,洛仑兹力起主要作用；而在铁磁材料中,三种机理共同作用,且磁致伸缩力最为显著。电磁超声换能器的主要组成部分有三个:(1)磁铁(用来提供外加磁场的永久磁铁或电磁铁),(2)高频线圈(用于产生高频激发磁场),(3)工件(检测对象,是EMAT不可缺少的一部分)，简称EMAT三要素。
要实现钢板电磁超声自动检测和100％检测，电磁超声换能器的排列与布置是非常重要，例如：某天然气管道工程项目用规格Φ1422×30.8mm X80直缝埋弧焊钢管的钢板规格为12000mm×4345mm×30.8mm，即钢板宽度为4345mm，目前电磁超声换能器的宽度约为100mm(8个通道)，按照相关规范规定扫查覆盖率至少应为15％计算，至少需要52个电磁超声换能器。
现有电磁超声换能器原理与结构
电磁超声换能器由发射接收线圈12、永久磁铁2、试件(待测钢板8)三部分组成如图1所示，利用洛仑兹力机理或磁致伸缩机理在导体中激发和接收超声波。工作时，由发射电路在发射线圈中通以高频交流电，在试件内会产生涡流，涡流在外界强磁场的作用下，引起钢板质点的周期性振动和弹性形变，从而激发出超声波。电磁超声接收是发射的逆过程，使用不同的线圈、磁场、驱动方式，可以激发出多种波模的超声波。
从而在采用现有的电磁超声换能器检测此类大尺寸钢板时，遇到了很多问题：
(1)电磁超声换能器数量多：要求在检测过程中要达到一定覆盖率检测(如100％检测)，主要依靠换能器排列与布置决定，若要检测尺寸较大钢板，需要很多个换能器；
(2)电磁超声换能器与钢板提离距离难以控制的问题：电磁超声换能器与钢板的间隙应有一个合适距离，通过试验验证此距离一般为0.5mm～1.0mm较为适合，否则将会影响电磁超声换能器的工作效率和检测灵敏度；现有电磁超声换能器与待测工件之间的提离距离调节比较困难；
(3)电磁超声换能器的移动问题：由于电磁超声换能器数量多，磁场很强钢板的移动时需要很大的力，导致钢板移动比较困难；
(4)电磁超声换能器的磁场切换问题：由于电磁超声换能器在检测时将产生磁场，数量庞大的电磁超声换能器产生的磁场是很大的，要想在检测开始或结束时将电磁超声换能器落下或抬起将是一个较难解决的问题。
针对以上这些问题，目前市场上急需一种适用于尺寸较大的钢板电磁超声自动检测的电磁超声换能器，以解决钢板电磁超声自动检测过程出现的诸多问题。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种便于电磁超声换能器中永久磁铁的磁场方向切换，检测开始或结束时电磁超声换能器落下或抬起容易，从而保证钢板电磁超声自动检测结果的稳定性与可靠性的电磁超声换能器及用电磁超声换能器自动检测钢板的设备。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种电磁超声换能器，包括换能器外壳体，安装在换能器外壳体内的线圈以及永久磁铁，其改进之处是：还包括磁场切换装置；所述磁场切换装置包括动力源、曲柄、连杆以及摆杆；所述动力源固定安装在换能器外壳体上，动力源的输出端与曲柄一端连接，连杆的两端分别与曲柄的另一端以及摆杆的一端铰接，摆杆的另一端与所述永久磁铁连接。
上述导向轮安装在换能器外壳体上靠近待测钢板的位置，导向轮外圆表面高于换能器外壳体与待测钢板接触的表面。
上述导向轮通过L型支架安装在换能器外壳体上。
上述L型支架上沿垂直于钢板的方向开设有长条孔，调节螺钉穿过所述长条孔后与换能器外壳体螺纹连接。
上述动力源为伺服电机。
另外本发明还公开了一种利用上述电磁超声换能器检测钢板的设备，包括边缘电磁超声换能器以及中间电磁超声换能器阵列；边缘电磁超声换能器为四个并且设置在待测钢板的四个边缘；所述中间电磁超声换能器阵列包括N×M个中间电磁超声换能器；N为行数，M为列数，N和M均大于等于1；中间电磁超声换能器阵列中每相邻两行的每个电磁超声换能器相互错位布置，覆盖率≥15％。
其中，中间电磁超声换能器和边缘电磁超声换能器与待测钢板之间的提离间隙为0.5mm～1.0mm。
本发明的优点在于：
1、本发明采用磁场切换装置，实现了换能器中的永久磁铁在0°～90°之间摆动，实现了磁场系统的开闭，从而使得检测开始或结束时电磁超声换能器落下或抬起容易。
2、本发明采用导向轮减小了电磁超声换能器和待测钢板之间的摩擦力，提供了检测的安全性和可靠性。
3、本发明采用L型支架固定导向轮，并且在L型支架上开设长条孔，使电磁超声换能器在自动检测过程中保持最佳的提离间隙并且能使待测钢板顺利移动。
4、本发明的检测设备中采用边缘电磁超声换能器以及中间电磁超声换能器阵列同时作业，实现了对检测区域100％扫查。
附图说明
图1为现有电磁超声换能器结构简图；
图2为本发明的电磁超声换能器主视图；
图3为本发明的电磁超声换能器侧视图；
图4为本发明的电磁超声换能器磁场系统“开通”位置的示意图；
图5为本发明的电磁超声换能器磁场系统“关闭”位置的示意图；
图6为本发明用电磁超声换能器自动检测钢板的设备的工作结构图。
附图标记如下：
1-换能器外壳体、2-永久磁铁、3-动力源、4-曲柄、5-连杆、6-摆杆、7-导向轮、8-待测钢板、9-L型支架、10-长条孔、11-调节螺钉、12-线圈。
具体实施方式
首先，结合附图2-5对本发明提供的电磁超声换能器的结构和特点进行介绍：
本发明的电磁超声换能器主要解决三方面问题：(1)电磁超声换能器的磁场切换。(2)电磁超声换能器能够在待测钢板上移动灵活；(3)电磁超声换能器与钢板提离距离(即电磁超声换能器与钢板的间隙)；具体结构和原理如下：
该电磁超声换能器，包括换能器外壳体1，安装在换能器外壳体1内的线圈12以及永久磁铁2，还包括磁场切换装置；如图2和3所示，磁场切换装置包括动力源3、曲柄4、连杆5以及摆杆6；动力源3固定安装在换能器外壳体1上表面，动力源3的输出端与曲柄4一端连接，连杆5的两端分别与曲柄4的另一端以及摆杆6的一端铰接，摆杆6的另一端与换能器外壳体中的永久磁铁2连接。为了方便控制，本发明的电磁超声换能器中动力源采用微信伺服电机。
如图4和5所示，微型伺服电机的转动通过曲轴-连杆-摆杆的传动，使永久磁铁在0°～90°之间摆动，从而使电磁超声换能器在落下时永久磁铁中的磁场处于“开通”位置，在抬起时永久磁铁中的磁场处于“关闭”位置，这样就解决了钢板电磁超声自动检测中数量诸多的电磁超声换能器在钢板上落下或抬起时巨大磁场的影响，从而使钢板电磁超声自动检测顺利进行。
在进行钢板电磁超声自动检测时，如需要检测某天然气管道工程用规格Φ1422×30.8mm X80直缝埋弧焊钢管的钢板规格为12000mm×4345mm×30.8mm，即钢板宽度为4345mm，目前可以应用的电磁超声换能器宽度约为100mm(8个通道)，按照相关规范规定扫查覆盖率15％计算，至少需要52个电磁超声换能器，为了解决这些电磁超声换能器在钢板上平稳移动，本发明在电磁超声换能器的外部设计了导向轮7。具体结构是：导向轮7安装在换能器外壳体1上靠近待测钢板8的位置，导向轮7外圆表面高于换能器外壳体1与待测钢板8接触的表面，这样一来，当需要工作时，导向轮早于电磁超声换能器与待测钢板接触，减少了电磁超声换能器与钢板的摩擦并使其容易移动。
为了解决电磁超声换能器与钢板提离距离(即电磁超声换能器与钢板的间隙)，主要靠电磁超声换能器两端的L型支架9上的长条孔10，调节螺钉11穿过长条孔9与换能器外壳体1螺纹连接，L型支架9可上下移动来调节换能器外壳体1与待测钢板8的间隙。
大量试验验证电磁超声换能器与钢板的间隙保持在0.5mm～1.0mm时电磁超声换能器的工作效率和检测灵敏度最佳。
其次，结合附图6对本发明提供的用电磁超声换能器自动检测钢板的设备的结构和特点进行描述：
钢板电磁超声自动检测采用钢板移动，电磁超声换能器固定不动的形式进行检测。该设备包括边缘电磁超声换能器以及中间电磁超声换能器阵列；中间电磁超声换能器阵列覆盖检测钢板中间区域，边缘电磁超声换能器检测跟踪覆盖钢板边缘区域。中间电磁超声换能器阵列包括N×M个中间电磁超声换能器；N为行数，M为列数，N和M均大于等于1；中间电磁超声换能器阵列中每相邻两行的每个电磁超声换能器相互错位布置；每个中间电磁超声换能器和边缘电磁超声换能器间≥15％的覆盖率，实现对中间检测区域100％扫查。
Claims (7)
1.一种电磁超声换能器，包括换能器外壳体，安装在换能器外壳体内的线圈以及永久磁铁，其特征在于：还包括磁场切换装置；所述磁场切换装置包括动力源、曲柄、连杆以及摆杆；所述动力源固定安装在换能器外壳体上，动力源的输出端与曲柄一端连接，连杆的两端分别与曲柄的另一端以及摆杆的一端铰接，摆杆的另一端与所述永久磁铁连接。
2.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于：还包括导向轮；所述导向轮安装在换能器外壳体上靠近待测钢板的位置，导向轮外圆表面高于换能器外壳体与待测钢板接触的表面。
3.根据权利要求1或2所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述导向轮通过L型支架安装在换能器外壳体上。
4.根据权利要求3所述的电磁超声换能器，其特征在于：还包括调节螺钉；所述L型支架上沿垂直于钢板的方向开设有长条孔，调节螺钉穿过所述长条孔后与换能器外壳体螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述动力源为伺服电机。
6.一种用电磁超声换能器自动检测钢板的设备，其特征在于：包括边缘电磁超声换能器以及中间电磁超声换能器阵列；边缘电磁超声换能器为四个并且设置在待测钢板的四个边缘；所述中间电磁超声换能器阵列包括N×M个中间电磁超声换能器；N为行数，M为列数，N和M均大于等于1；中间电磁超声换能器阵列中每相邻两行的每个电磁超声换能器相互错位布置，覆盖率≥15％；所述中间电磁超声换能器和边缘电磁超声换能器均采用权利要求1-5所述的电磁超声换能器。
7.根据权利要求6所述的一种用电磁超声换能器自动检测钢板的设备，其特征在于：中间电磁超声换能器和边缘电磁超声换能器与待测钢板之间的提离间隙为0.5mm～1.0mm。
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