CN107790363B - 阵列式多角度螺旋类sh导波电磁超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，超声换能器包括至少一个换能器单元，至少一个换能器单元沿周向布置于管道外壁，以发射和/或接收导波，每个换能器单元包括：铁镍合金带为圆环状，以通过电磁铁或永磁铁周向磁化，获取周向磁场；圆弧形回折线圈的两端设置于铁镍合金带的两端开口处，以使超声换能器激发类SH模态导波以多角度螺旋方式沿管道传播，并检测周向缺陷和轴向缺陷，得到管道的缺陷信息。该换能器可以通过圆弧形回折线圈使超声换能器激发螺旋类SH模态导波以多角度穿过管道的被检测区域，从而可以获得全面的管道缺陷信息，有效提高管道检测的可靠性、准确性和便捷性，简单易实现。

Description

阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器
技术领域
本发明涉及管道缺陷检测和健康监测技术领域，特别涉及一种阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器。
背景技术
管道不仅可以运输流体物质，也可运输固体物质，特别地，由铁磁性材料制成的油气长输管道(也常简称“管道”)，承担着输送油气资源的任务，在油气安全生产运输中起着至关重要的作用。管道在长期的使用过程中，不可避免地会发生老化、腐蚀等现象，其一旦发生泄漏，往往会造成巨大的经济损失，而且破坏生态环境。因此，定期对管道进行检测，在保障国家能源安全、保护自然环境和维护人身财产安全等方面均具有十分重要的意义。
目前，对管道的检测，通常采用无损检测的方法，具体有超声波检测、涡流检测、漏磁检测和射线检测等方法。采用电磁超声导波检测的方法，可克服传统超声体波检测需要液体耦合剂的缺点，具有非接触、检测效率高、可实现长距离大范围检测等优势，且可以应用于高温环境下的检测。电磁超声换能器能够在管道中激发多种类型的超声导波。周向导波对轴向裂纹敏感度高，主要用来检测轴向缺陷，为了实现管道的扫查，还需要沿管道轴向移动换能器，检测效率低下，工序繁琐；轴向导波对周向裂纹敏感度高，常用的是轴对称T(0,1)和L(0,2)模态，主要用来检测周向缺陷，而且其传播具有方向性，以单一角度在缺陷边缘处发生反射和透射，接收到的导波信号含有的管道健康状况信息较为缺乏，不利于进行后期的数据处理，从而难于对管道进行缺陷的诊断。
在相关技术中，用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，主要由励磁线圈、直流线圈及其骨架组成，利用磁致伸缩机理在管道中激发轴向L模态导波，完成管道检测，然而该模态受管道载荷影响较大，波能量衰减快，无法进行长距离检测，不仅对轴向缺陷不敏感，而且换能器结构复杂，控制难度大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，可以获得全面的管道缺陷信息，有利于数据的后期处理，便于对管道缺陷进行诊断，提高检测的效率，而且对缺陷灵敏度高，可以实现管道的快速检测，进而提高管道检测的可靠性、准确性和便捷性，简单易实现。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，超声换能器包括至少一个换能器单元，所述至少一个换能器单元沿周向布置于管道外壁，以发射和/或接收导波，每个换能器单元包括：铁镍合金带，所述铁镍合金带为圆环状，以通过电磁铁或永磁铁周向磁化，获取周向磁场；圆弧形回折线圈，所述圆弧形回折线圈的两端设置于所述铁镍合金带的两端开口处，以使所述超声换能器激发类SH模态导波以多角度螺旋方式沿管道传播，并检测周向缺陷和轴向缺陷，得到所述管道的缺陷信息。
本发明实施例的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，可以通过圆弧形回折线圈使超声换能器激发螺旋类SH模态导波以多角度穿过管道待检测区域，从而可以获得全面的管道缺陷信息，有利于数据的后期处理，便于对管道缺陷进行诊断，提高检测的效率，而且对缺陷灵敏度高，可以实现管道的快速检测，进而有效提高管道检测的可靠性、准确性和便捷性，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述铁镍合金带的朝向管道的表面可以通过耦合剂将弹性应变耦合到所述管道中。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述铁镍合金带的厚度可以为0.2～0.5mm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述圆弧形回折线圈的表面均可以涂有绝缘层，所述绝缘层的厚度可以为0.01～0.1mm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述圆弧形回折线圈的曲线为圆形的一部分，所述圆弧形回折线圈的每个圆弧的半径递增，同圆心放置，且所述每个圆弧对应的圆周角相同，所述对应的圆心角可以为45～135度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述圆弧形回折线圈可以采用柔性印刷电路板制作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述圆弧形回折线圈中的相邻所述导线中心的径向间距满足d＝λ/2，其中，λ根据工作频率得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述圆弧形回折线圈中的圆弧形线圈数为偶数，所述圆弧形回折线圈中的每条导线为单匝导线，所述每条导线可以为2～5分裂导线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个换能器单元还包括：至少一个单阵列换能器，所述至少一个单阵列换能器单元用于自发自收所述导波；至少一个双阵列换能器，所述至少一个双阵列换能器单元具有发射换能器和接收换能器，分别用于发射和接收导波。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，在所述至少一个双阵列换能器利用反射信号时，所述接收换能器和所述发射换能器放置方向一致，且间距可以为0.1～0.3m；在所述双阵列换能器利用透射信号时，所述接收换能器和所述发射换能器放置方向相反，且间距可以为0.5～20m。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的双阵列换能器利用透射信号的螺旋类SH导波等效为在平板中传播的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的磁致伸缩效应形成类SH导波的原理示意图；
图4为根据本发明一个实施例的管道中螺旋类SH导波传播示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器。
图1是本发明一个实施例的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器的结构示意图。
如图1所示，该阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器10包括至少一个换能器单元，至少一个换能器单元沿周向布置于管道20外壁，以发射和/或接收导波，每个换能器单元包括：铁镍合金带1和圆弧形回折线圈2。
其中，铁镍合金带1为圆环状，以通过电磁铁或永磁铁周向磁化，获取周向磁场。圆弧形回折线圈2的两端设置于铁镍合金带1的两端开口处，以使超声换能器激发类SH模态导波以多角度螺旋方式沿管道20传播，并检测周向缺陷和轴向缺陷，得到管道20的缺陷信息。本发明实施例的换能器10可以通过圆弧形回折线圈使超声换能器激发类SH模态导波以多角度螺旋方式沿管道传播，并检测周向缺陷和轴向缺陷，从而可以获得全面的管道缺陷信息，有效提高管道检测的可靠性、准确性和便捷性，简单易实现。
可以理解的是，本发明实施例可以在管道20圆周方向布置多个换能器单元，从而形成换能器阵列，例如，管道20外直径可以为60mm，可以在管道20圆周方向布置四个换能器。其中，每个换能器单元包括：铁镍合金带1和圆弧形回折线圈2，其中，铁镍合金带1为两端开口的圆环状，圆弧形回折线圈2的两端位于铁镍合金带1的两边开口处。在贴合于管道20时，铁镍合金带1和圆弧形回折线圈2的中心轴线与管道20的母线重合。并且，本发明实施例可以采用电磁铁或永磁铁将其沿圆周方向预磁化，例如，在采用永磁体磁化时，将永磁体的两个磁极分别接触铁镍合金带1的两端，从而使得铁镍合金带1产生周向的剩余磁场。另外，本发明实施例的激发类SH模态导波可以以多种角度穿过管道20的检测区域，能够获得缺陷更多的信息，从而获得较高解析度的缺陷成像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，铁镍合金带1的朝向管道20的表面可以通过耦合剂将弹性应变耦合到管道20中。
可选地，在本发明的一个实施例中，铁镍合金带1的厚度可以为0.2～0.5mm。
举例而言，铁镍合金带1的厚度可以为0.2～0.5mm，并且铁镍合金带1朝向管道20的表面可以通过耦合剂弹性应变耦合到管道20中，其中，通过耦合剂弹性应变耦合到管道20中的方式可以有很多种，例如，可以通过环氧树脂胶将弹性应变耦合到管道20中，为避免冗余，在此不做赘述。
可选地，在本发明的一个实施例中，圆弧形回折线圈2表面均可以涂有绝缘层，绝缘层的厚度可以为0.01～0.1mm。
具体而言，铁镍合金带1朝向圆弧形回折线圈2的表面可以涂有绝缘层，绝缘层的厚度可以为0.05mm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，圆弧形回折线圈2的曲线为圆形的一部分，圆弧形回折线圈的每个圆弧的半径递增，同圆心放置，且每个圆弧对应的圆周角一致，对应的圆心角可以为45～135度。
具体而言，圆弧形回折线圈2中的曲线为圆形的一部分，半径递增，圆心位于同一点，且对应的圆周角一致，例如，在本发明的实施例中，圆心角可以为60度。需要说明的是，圆心角的角度本领域的技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限制。
可选地，在本发明的一个实施例中，圆弧形回折线圈2可以采用柔性印刷电路板制作。
可以理解的是，本发明实施例可以采用柔性印刷电路板制作圆弧形回折线圈2，从而便于圆弧形回折线圈2进行弯曲。
进一步地，在本发明的一个实施例中，圆弧形回折线圈2中的每条导线为单匝导线，相邻导线中心的径向间距满足d＝λ/2，其中λ根据工作频率得到。
可以理解的是，圆弧形回折线圈2的相邻导线中心的径向间距满足d＝λ/2，其中λ为相应导波模态频散曲线上对应频率f下的波长。频散曲线反应了波速与频厚积(导波频率和管壁厚度之积)之间的关系，将管道20沿母线展开，得到平板，在管道20半径较大、厚度较小的情况下，管道20中的导波可类比为平板中的导波，螺旋类SH导波与平板SH导波的波速差异可忽略，在求得对应厚度平板的频散曲线后，根据激励电流频率，即可得波长λ＝cp/f。
举例而言，在2mm壁厚的管道20中激发类SH0模态中，管道20材料可以为钢，选择0.4MHz·mm工作点时，工作频率为0.2MHz，由频散曲线得到在0.4MHz·mm时，类SH0模态相速度为3200m/s，得到波长
Figure BDA0001450082270000041
从而圆弧形回折线圈2相邻导线中心间距为8mm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，圆弧形回折线圈2中的圆弧形线圈数可以为偶数，圆弧形回折线圈2中的每条导线可以为单匝导线，每条导线为2～5分裂导线。
具体而言，圆弧形线圈2的圆弧形线圈数可以为4,6,8个，圆弧形回折线圈2可以采用3分裂导线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，至少一个换能器单元还包括：至少一个单阵列换能器和至少一个双阵列换能器。
其中，至少一个单阵列换能器单元用于自发自收导波；至少一个双阵列换能器单元具有发射换能器和接收换能器，分别用于发射和接收导波。
可选地，在本发明的一个实施例中，其中，在至少一个双阵列换能器利用反射信号时，接收换能器和发射换能器放置方向一致，且间距可以为0.1～0.3m；在至少一个双阵列换能器利用透射信号时，接收换能器和发射换能器放置方向相反，且间距可以为0.5～20m。
可以理解的是，至少一个单阵列换能器可以工作于自发自收模式，导波遇缺陷发生反射，通过对接收信号进行分析，即可得到缺陷信息；至少一个双阵列换能器可以工作于一发多收模式，一个换能器单元激发，多个换能器单元接收，若利用反射信号，则接收换能器和发射换能器放置方向一致，间距可以为0.1m，若利用透射信号，接收换能器和发射换能器放置方向相反，间距可以为10m，具体距离视管道20情况而有所变化，本领域的技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限制。利用透射信号的换能器布置如图2所示，本发明实施例将管道20展开成平板，由于导波沿螺旋线传播，可等效为穿出平板边界，到达沿两边无限延伸的虚拟换能器。
综上，圆弧形回折线圈2接于高频电流源，相邻导线流过相反的电流，在管道20同一位置处激发的导波相位相差180度，又相邻导线空间距离为半个波长，使得激发的导波相互叠加而大大增强信噪比。其中，激励电流采用短时猝发脉冲串，周期数可以为5～10，本发明实施例采用经过汉宁窗调制的正弦波，包含6个周期。忽略圆弧形回折线圈2端部的影响，圆弧形回折线圈2产生的磁场沿径向，且方向随交流电流方向改变而改变，经过预磁化的铁镍合金带1提供偏置磁场，其方向为圆环的圆周方向，且动态磁场和静态偏置磁场垂直，在动态磁场和静态偏置磁场的共同作用下，基于磁致伸缩效应，铁镍合金带1中的磁畴发生扭曲形变，如图3所示，这种剪切式的振动最终产生沿管道20螺旋线运动的类SH导波。
进一步地，圆弧形回折线圈2采用弧形结构，且存在一定角度，在此角度范围内，都可激励出类SH导波，如图4所示，形成多螺旋角度类SH导波，导波以各自的角度到达缺陷，发生反射和透射。由于检测区域存在多个角度传播的导波，以较高的密度覆盖管道20，相比于直线向前传播的L模态和T模态，可以达到更高的成像解析度。
根据本发明实施例提出的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，可以通过圆弧形回折线圈使超声换能器激发类SH模态导波以多角度螺旋方式沿管道传播，并检测周向缺陷和轴向缺陷，从而可以获得全面的管道缺陷信息，有利于数据的后期处理，便于对管道缺陷进行诊断，提高检测的效率，而且对缺陷灵敏度高，可以实现管道的快速检测，进而有效提高管道检测的可靠性、准确性和便捷性，简单易实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，超声换能器包括至少一个换能器单元，所述至少一个换能器单元沿周向布置于管道的外壁，以发射和/或接收导波，每个换能器单元包括：
铁镍合金带，所述铁镍合金带为圆环状，以通过电磁铁或永磁铁周向磁化，获取周向磁场；
圆弧形回折线圈，所述圆弧形回折线圈的两端设置于所述铁镍合金带的两端开口处，以使所述超声换能器激发类SH模态导波以多角度螺旋方式沿管道传播，并检测周向缺陷和轴向缺陷，得到所述管道的缺陷信息，其中，所述圆弧形回折线圈的曲线为圆形的一部分，所述圆弧形回折线圈的每个圆弧的半径递增，同圆心放置，且所述每个圆弧对应的圆周角相同，所述对应的圆心角为45～135度；
所述至少一个换能器单元还包括：
至少一个单阵列换能器，所述至少一个单阵列换能器单元用于自发自收所述导波；
至少一个双阵列换能器，所述至少一个双阵列换能器单元具有发射换能器和接收换能器，分别用于发射和接收导波；
在所述至少一个双阵列换能器利用反射信号时，所述接收换能器和所述发射换能器放置方向一致，且间距0.1～0.3m；在所述双阵列换能器利用透射信号时，所述接收换能器和所述发射换能器放置方向相反，且间距0.5～20m。
2.根据权利要求1所述的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述铁镍合金带的朝向管道的表面通过耦合剂将弹性应变耦合到所述管道中。
3.根据权利要求1所述的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述铁镍合金带的厚度为0.2～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述圆弧形回折线圈的表面涂有绝缘层，所述绝缘层的厚度为0.01～0.1mm。
5.根据权利要求1所述的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述圆弧形回折线圈采用柔性印刷电路板制作。
6.根据权利要求1所述的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述圆弧形回折线圈中的相邻导线中心的径向间距满足d＝λ/2，其中，λ根据工作频率得到。
7.根据权利要求1所述的阵列式多角度螺旋类SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述圆弧形回折线圈的圆弧形线圈数为偶数，所述圆弧形回折线圈的每条导线为单匝导线，所述每条导线为2～5分裂导线。
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