CN108760896A - 圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁超声检测领域，涉及一种圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，包括手柄、线圈、保护筒和磁铁，连接钢圈连接于手柄的一端，所述磁铁为周向三等分组合成的空心圆柱状的磁铁，磁铁固定于连接钢圈和固定钢圈之间，保护筒套于磁铁外部并与磁铁紧贴，保护筒内设有环形的线圈，线圈的导线为等间距蛇形排列，相邻导线的电流方向相反。对线圈通以交变电流，在工件近表面内部形成涡流；磁铁产生偏置磁场，在偏置磁场的作用下，交变涡流受到交变洛伦兹力；涡流质点在交变洛伦兹力的作用下，形成机械振动，产生超声波进而完成不同情况下对管道有无损伤的判定。

Description

圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构

技术领域

本发明属于电磁超声波无损检测技术应用领域，具体涉及一种有探伤作用的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构。

背景技术

金属是人类应用最早的材料之一，其冶炼、加工、应用技术的提高也伴随着人类历史的向前发展。现代人们的生活离不开金属，现代工业中金属更是有着举足轻重的作用。金属材料的应用涉及国民经济的各个领域：高层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、高速船舶、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工程机械、精密仪器、航空航天、高速铁路、能源设施等。因此，金属材料不仅关系到国家的经济发展，同时也起到了维护国家安全的作用。金属板材是工业生产的主要形式，是众多工业领域中必不可少的原材料，航天工业、汽车制造、精密仪表等行业对金属板材质量要求较高，其表面质量的好坏，如制造过程中的表面刮伤、孔洞、分层，或使用过程中的裂纹、腐蚀等缺陷，会直接影响设备的运行性能和使用寿命，甚至带来安全隐患。因此，金属板材在使用之前，需要进行质量检测，即使投入使用之后，也要定期对其表面状态进行监测。无损检测技术作为一种缺陷检测方式，利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息，在工业生产中提升了产品的质量，保证了生产安全，对改进制造工艺、保证设备可靠运转具有重要意义。

常用的探伤检测方法可分为：射线探伤、漏磁探伤、渗透探伤、超声波探伤等。射线探伤是利用X射线的穿透性，射线探伤对被检工件的要求不高，可用于复杂复合材料等的厚度检测，但放射源会对人体带来危害，检测时对防护要求很高，这使得应用该种方法时，对现场的检测环境及防护成本都非常高，不利于一般情况下的推广使用。漏磁探伤是利用工件磁化时表面或近表面缺陷处磁阻增大而产生漏磁进行检测，适于薄壁件或焊缝表面裂纹的检验，也能显露出一定深度和大小的未焊透缺陷但难于发现气孔、夹碴及隐藏在焊缝深处的缺陷。渗透检测利用毛细现象使渗透液渗入缺陷，经清洗使表面渗透液去除再吸附出缺陷中残留渗透液而达到检验缺陷的目的，但不适用于结构疏松的粉末冶金零件及其他多孔性材料，相比以上三种检测方法，利用超声波的特性进行探伤检测具有波的发射回收简单、重复性好、对工件要求不高、抗干扰能量强、适用环境广的众多优点。超声法在金属无损检测、测厚方面受到人们的追捧。超声波在工业、医疗、海洋探测等方向的研究越来越深入，并广泛的应用于相关领域。

传统的压电超声检测方法是一种比较成熟的无损检测方法，是利用压电陶瓷的压电效应工作的。以其结构简单、换能效率高、使用方便等特点，已经广泛的应用于各个领域。但由于其使用过程中必须使用耦合剂，而耦合剂具有高温下不稳定、易挥发等特点，使其在高温检测方面无法适用。而且其检测时对被测物体的表面要求较高，一旦表面光洁度不够还需要对其进行打磨，这大大限制了压电超声在在线检测方面的应用。

电磁超声(简称EMAT)，是无损检测领域出现的新技术，该技术利用电磁耦合法激励和接收超声波。相对于常规超声波检测，电磁超声具有以下优点：1.非接触检测，不需要耦合剂。2.产生波形形式多样，适合做表面缺陷检测。EMAT在检测的过程中满足一定的激发条件时，会产生表面波、SH波和Lamb波等，可以实现波形模式的选择。3.适合高温检测。4.对被探工件表面质量要求不高。5.检测速度快。6.声波传播距离远。7.所用通道与探头数量少。8.发现自然缺陷的能力强，EMAT对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。因此，在工业应用中，电磁超声越来越受到人们的关注和重视，超声探伤的应用已经扩展到高温、高速和在线检测等领域，是无损检测的发展前沿技术之一。

国内首先进行电磁超声换能器应用研究的是北京钢铁研究总院的张广纯教授等人，1977年他们利用高频脉冲发射器获得大的激发电流，在钢板和铝板中激发出超声波，能够清晰地获得人工和自然缺陷的回波。清华大学的黄松岭教授等人设计了一种基于磁致伸缩原理的电磁超声裂纹检测系统，北京航空航天大学的周正干教授等人提出了一种电磁超声和涡流组合检测的新方法，利用电磁超声激励信号在被测金属表面感生出的涡流实现表面和近表面缺陷的涡流检测，还可以对试件进行超声波检测，同时还提出一种基于超外差接收正交相敏检波技术的电磁超声信号处理方法，在电磁超声检测中可以起到去噪、提高信噪比的作用。

但是在过往的研究中，并没有针对可以应用于工业生产，实时监测等实际情况下的电磁超声探伤换能器进行设计研究。实际应用时，可能需要面对湿度变化大、温差大、多尘、多灰、偶发的机械碰撞等多种多样的环境变化，这要求所设计出的电磁超声探伤换能器可以在多变的实际生产检测环境中始终保持检测的高可靠性和高精确性。

发明内容

发明目的

为了实现对圆形管道有无损伤的测量，提高圆形管道探伤检测时的精度，增加测量结果的可靠性，延长线圈在工程应用时的使用寿命。提供了一种圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，保证实际工业生产中具有高可靠性和高精确性。

技术方案

一种圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，包括手柄、线圈、保护筒和磁铁，其特征在于：连接钢圈连接于手柄的一端，所述磁铁为周向三等分组合成的空心圆柱状的磁铁，磁铁固定于连接钢圈和固定钢圈之间，保护筒套于磁铁外部并与磁铁紧贴，保护筒内设有环形的线圈，线圈的导线为等间距蛇形排列。

所述保护筒包括内保护筒和外保护筒，内保护筒位于线圈的内侧，外保护筒位于线圈的外侧。

所述手柄为圆管状结构，手柄内螺纹连接有延长手柄。

所述延长手柄为圆柱型结构，一端设有延长手柄螺纹连接端，延长手柄螺纹连接端直径大于延长手柄的其他部分，延长手柄螺纹连接端与手柄内螺纹配合连接。

所述手柄于连接钢圈侧的端部探出有直径小于手柄外径的与手柄一体的调节端，调节端设有外螺纹，调节端螺纹连接有固定环，所述连接钢圈于手柄的一侧设有固定凹槽，固定凹槽的位置与固定环的环壁相对应，固定环能够旋入固定凹槽内；调节端的端部突出有一个钢圈连接端，钢圈连接端设有一个开口的圆柱型连接腔，连接钢圈设有一个圆柱型连接端，圆柱型连接端卡接在圆柱型连接腔内。

所述线圈引出的导线包覆有一个固定件，连接钢圈设有一个固定件凹槽，固定件位于固定件凹槽内，固定件一端设有导线通道另一端设有接插件固定槽，导线通道与接插件固定槽连通，接插件固定槽安装有接插件，线圈引出的导线穿过固定件与接插件连接固定在一起。

所述连接钢圈、磁铁、保护筒、线圈和固定钢圈通过螺钉或螺栓相紧固。

所述线圈是由单匝导线组成的环形线圈，线圈为单匝交错相对应等间距蛇形排列。

所述线圈是由双匝或多匝导线组成的环形线圈，线圈为多匝交错相对应等间距蛇形排列。

所述线圈的单匝导线是由多根细导线排列固定组成的扁平式导线。

优点及效果

本发明圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，具有如下优点：

换能器的固定筒设计并采用绝缘树脂材料，有一定柔软性和粘滞性，可以使线圈和固定筒、磁铁和固定筒相互贴合没有缝隙，提高测量精度和系统可靠性，固定筒可以缓冲受到的热震和机械冲击，保护线圈，延长线圈使用寿命，实现工程检测应用；

不同布线方式线圈的设计使用可以满足实际工程检测时出现的需求，可以选择收发一体式或收发分离式线圈设计，灵活应对不同情况下判断损伤的需求；

灵活的手柄结构设计，可以使得本发明圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构在有角度和深度的管道内检测。

附图说明

图1是本发明总装图；

图2是本发明结构爆炸图；

图3是固定环固定住连接钢圈的状态图；

图4是固定环旋转后离开连接钢圈的状态图；

图5是固定环旋转后离开连接钢圈时连接钢圈发生旋转时的状态图；

图6是固定环与连接钢圈连接结构图；

图7是收发一体探伤线圈图；

图8是收发一体探伤线圈搭配的固定件结构图；

图9是接插件结构图；

图10是收发分离探伤线圈图；

图11是单匝导线剖视图。

附图标记说明：

1.手柄、2.连接钢圈、3.磁铁、4.保护筒、4-1.内保护筒、4-2. 外保护筒、5.线圈、6.固定钢圈、7、固定件、8.延长手柄、9、固定环、10.延长手柄螺纹连接端、11.调节端、12.固定凹槽、13.圆柱型连接腔、14.圆柱型连接端、15.固定件凹槽、16.钢圈连接端、17.导线通道、18.接插件固定槽、19.接插件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，一种圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，包括手柄1、线圈5、保护筒4和磁铁3，保护筒4包括内保护筒4-1和外保护筒4-2，内保护筒4-1位于线圈5的内侧，外保护筒4-2位于线圈5的外侧。连接钢圈2连接于手柄1的一端，手柄1为圆管状结构，手柄1内螺纹连接有延长手柄8。延长手柄8为圆柱型结构，一端设有延长手柄螺纹连接端10，延长手柄螺纹连接端10直径大于延长手柄8的其他部分，延长手柄螺纹连接端10与手柄1内螺纹配合连接，延长手柄8部分的螺纹结构设计、只有一端有螺纹使得其更容易旋进和旋出。手柄1于连接钢圈2侧的端部探出有直径小于手柄1外径的与手柄1一体的调节端11，调节端11设有外螺纹，调节端11螺纹连接有固定环9，所述连接钢圈2于手柄1的一侧设有固定凹槽12，固定凹槽12的位置与固定环9的环壁相对应，固定环9能够旋入固定凹槽12内；调节端11的端部突出有一个钢圈连接端16，钢圈连接端16设有一个开口的圆柱型连接腔13，连接钢圈2设有一个圆柱型连接端14，圆柱型连接端14卡接在圆柱型连接腔13内，连接钢圈2能够通过该结构实现旋转和方便的安装组合。磁铁3为周向三等分组合成的空心圆柱状的磁铁，磁铁3固定于连接钢圈2和固定钢圈6之间，保护筒4套于磁铁3外部并与磁铁3紧贴，保护筒4内设有环形的线圈5，线圈5的导线为等间距蛇形排列，相邻导线的电流方向相反。连接钢圈2、磁铁3、保护筒4、线圈5和固定钢圈6通过螺钉或螺栓相紧固。线圈5引出的导线包覆有一个固定件7，连接钢圈2设有一个固定件凹槽15，固定件7位于固定件凹槽15内，固定件7一端设有导线通道17另一端设有接插件固定槽18，导线通道17与接插件固定槽18连通，接插件固定槽18安装有接插件19，线圈5引出的导线穿过固定件7与接插件19连接固定在一起。线圈5是由单匝、双匝或多匝导线组成的环形线圈，线圈为交错相对应等间距蛇形排列。如图11所示，线圈5的单匝导线是由多根细导线排列固定组成的扁平式导线。保护筒4和固定件7为绝缘树脂材料。绝缘树脂材料具有较好柔软性、较高粘滞性的特点，可以紧贴磁铁，不产生空隙，对电磁超声换能器的精度不产生影响，良好的电气性能、较低的放热性使得固定筒的使用不会对系统稳定性产生影响，分离式的固定筒的可以当线圈损坏时只更换线圈，降低成本。

上述保护筒4可以是分离式保护筒也可以是浇注一体式把线圈包覆在内的保护筒。浇注式保护筒使用软性及半软性绝缘树脂材料，浇注成未填充系统，在浇注式固定筒中注入缠绕紧密的线圈，软性及半软性绝缘树脂系统对零件造成的应力最小，可以缓冲受到的热震及机械冲击，浇注式固定筒安装简单，固定筒与线圈之间没有缝隙，可以保证更高的精度和稳定性，不会随撞击次数的增多而产生错位。

电磁超声换能器在圆管内检测时，要求电磁超声换能器与圆管内壁尽可能贴合，不产生空隙，磁铁形状需要设计成圆柱形，在实际加工过程中，无法对圆柱形磁钢进行磁化，磁铁设计成分段式，分别对磁钢磁化处理，将每一段磁铁外表面做弧形处理，几段磁铁拼合成圆柱形磁铁。

保护筒加工有多个透气孔，装置产生振动透气孔保证了换能器内腔和换能器外侧气压平衡，保持线圈形状稳定，保证了检测精确度。

本发明工作原理如下：

圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构线圈等间距蛇形排列，相邻导线电流方向相反，检测时，对线圈通以交变电流，在工件近表面内部形成涡流；磁铁产生偏置磁场，磁感线方向指向外侧，在偏置磁场的作用下，交变涡流受到交变机械力；涡流质点在交变机械力的作用下，形成机械波，产生超声波，可以对管道有无损伤进行判定。内外固定筒使线圈和磁铁间没有空隙，提高了测量精度和系统的可靠性，固定壳选择以环氧树脂材料为代表的绝缘树脂材料，密度小，比强度和比模量高，减轻构件重量，避免因共振而产生的早期破损，在实际检测过程中缓冲一定当量的机械冲击，保护线圈，延长线圈使用寿命。手柄、固定筒、线圈、磁铁组成的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器实际检测时放置于管道内部，解决了在役圆形管道正常运行状态下探伤检测及圆形管道端口可开放情况下探伤检测的技术难题。

实施例1

收发一体式探伤线圈采用单股蛇形布线设计，厚度0.05mm、宽1mm的导线（以一条高65mm基准线为轴），缠绕成一空心圆柱体结构，导线伸入端位于圆柱体侧面上，长度于圆柱体高相等，布线时导线在距伸入端0.8mm处呈蛇形弯折，线圈直径50mm，相邻导线间距2mm。

采用该线圈的换能器结构深入管道内侧，能够探测出管道缺陷。

实施例2

收发分离式探伤线圈采用双股蛇形布线设计，两股厚度0.05mm、宽1mm的导线平行嵌套，（以一条高65mm基准线为轴），缠绕成一空心圆柱体结构，两股导线伸入端相互平行且相距1.5mm，均位于圆柱体侧面上，长度与圆柱体高相等，布线时导线在距伸入端0.8mm处呈蛇形弯折，单股相邻导线间距2mm，双股间相邻导线间距0.5mm（相邻导线间距0.5mm），线圈直径50mm。

采用该线圈的换能器结构深入管道内侧，能够探测出管道缺陷。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，包括手柄、线圈、保护筒和磁铁，其特征在于：连接钢圈连接于手柄的一端，所述磁铁为周向三等分组合成的空心圆柱状的磁铁，磁铁固定于连接钢圈和固定钢圈之间，保护筒套于磁铁外部并与磁铁紧贴，保护筒内设有环形的线圈，线圈的导线为等间距蛇形排列。

2.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述保护筒包括内保护筒和外保护筒，内保护筒位于线圈的内侧，外保护筒位于线圈的外侧。

3.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述手柄为圆管状结构，手柄内螺纹连接有延长手柄。

4.根据权利要求3所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述延长手柄为圆柱型结构，一端设有延长手柄螺纹连接端，延长手柄螺纹连接端直径大于延长手柄的其他部分，延长手柄螺纹连接端与手柄内螺纹配合连接。

5.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述手柄于连接钢圈侧的端部探出有直径小于手柄外径的与手柄一体的调节端，调节端设有外螺纹，调节端螺纹连接有固定环，所述连接钢圈于手柄的一侧设有固定凹槽，固定凹槽的位置与固定环的环壁相对应，固定环能够旋入固定凹槽内；调节端的端部突出有一个钢圈连接端，钢圈连接端设有一个开口的圆柱型连接腔，连接钢圈设有一个圆柱型连接端，圆柱型连接端卡接在圆柱型连接腔内。

6.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述线圈引出的导线包覆有一个固定件，连接钢圈设有一个固定件凹槽，固定件位于固定件凹槽内，固定件一端设有导线通道另一端设有接插件固定槽，导线通道与接插件固定槽连通，接插件固定槽安装有接插件，线圈引出的导线穿过固定件与接插件连接固定在一起。

7.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述连接钢圈、磁铁、保护筒、线圈和固定钢圈通过螺钉或螺栓相紧固。

8.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述线圈是由单匝导线组成的环形线圈，线圈为单匝交错相对应等间距蛇形排列。

9.根据权利要求1所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述线圈是由双匝或多匝导线组成的环形线圈，线圈为多匝交错相对应等间距蛇形排列。

10.根据权利要求8或9所述的圆形管道内检测电磁超声探伤换能器结构，其特征在于：所述线圈的单匝导线是由多根细导线排列固定组成的扁平式导线。