CN108776178A - 一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法 - Google Patents

一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超声波无损检测领域，提出一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法，换能器包括铰链、永磁铁、刻度螺柱、磁铁夹持装置、激励线圈、待测管道以及卡扣，通过磁铁夹持装置可以使得永磁铁沿待测管道轴对称均匀分布，从而在待测管道中形成沿待测管道径向的磁场。激励线圈中通入沿待测管道轴向的猝发激励信号，在洛伦兹力的作用下，待测管道中会产生沿轴向传播的扭转导波。本发明可广泛应用于管状结构的长度测量以及损伤和腐蚀检测。

Description

一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及电磁超声无损检测技术，尤其涉及一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法。
背景技术：
管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制。因此广泛应用于石油、天然气、矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等的长距离运输。然而，随着管道工作时间的延长以及各种环境因素的影响(风吹、日晒、下雨、下雪等)，管道不可避免地会出现腐蚀、裂纹、疲劳等损伤。因此有必要定期对管道的健康状况进行检测。目前常用的方法有：射线检测、渗透检测、磁粉检测和超声波检测等。
本发明属于超声波导波无损检测领域，其关键器件为电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)。EMAT是一种激发和接收超声波的装置。该装置无需声耦合剂，结构简单，可以方便地激发多种模式的超声波，可实现非接触、高温、快速测量，因此广受研究者关注。
在金属导体中激发电磁超声，通常有两种方法，一种是基于洛伦兹力机理，一种是基于磁致伸缩机理。基于洛伦兹力的电磁超声换能器通常用于非铁磁性导电材料的检测，一般由磁铁，激励线圈和待测试件组成，线圈设置在待测试件上，磁铁设置在线圈上面。检测时，在发射线圈中施加猝发激励信号，线圈在待测试件上感应出与激励信号同频率的电涡流，电涡流在磁铁的静态偏置磁场作用下在待测试件中产生洛伦兹力，动态洛伦兹力作用下待测试件中产生超声波，超声波接收的过程是超声波激发过程的逆过程。
对于管道来说，管道结构中存在三种模态的导波：纵向模态导波(L模态)、弯曲模态导波(F模态)、扭转模态导波(T模态)，如图1所示，是一个直径为76mm的管道的相速度频散曲线。由图中可以看出，在不同激励频率下各模态的导波存在多阶导波，尤其是弯曲模态的导波，这使得检测信号难以识别。为了尽可能地减少激发出来地导波阶数，本发明采用频率相对较低(50kHz)的激励信号。从管道的相速度频散曲线中可以看出，在低频时除T(0,1)模态外，其余各阶模态都是频散的，因此本发明选用T(0,1)模态对管道进行检测。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法，在传统电磁超声换能器的基础上，通过设计新的磁铁夹持装置，使得磁铁沿着管道周向更加均匀地分布，进而在管道中形成更加均匀的静态偏置磁场。可实现单一模态扭转导波(T(0,1))的激发，获得更高的信噪比和换能器灵敏度、提高信号的辨识度。
本发明采用如下技术方案：一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，包括铰链、永磁铁、刻度螺柱、磁铁夹持装置、激励线圈、待测管道以及卡扣，所述磁铁夹持装置由两个具有对称结构的半圆组成，其中两个半圆的一端通过铰链来连接，另一端由卡扣连接，组成一个圆形，磁铁夹持装置套设于待测管道外侧，磁铁夹持装置的轴线与待测管道的轴线重合，永磁铁镶嵌在磁铁夹持装置的孔中，永磁铁沿待测管道轴对称均匀分布，刻度螺柱均匀地分布在磁铁夹持装置的周向，激励线圈沿待测管道周向均匀分布。
进一步地，所述永磁铁的极化方向沿待测管道的径向，并且相邻两个永磁铁的极化方向相反。
进一步地，所述激励线圈接入的激励信号采用调制的tone-burst信号，电流的方向沿待测管道的轴向。
进一步地，所述刻度螺栓、铰链、卡扣的材料为非铁磁性材料。
本发明还采用如下技术方案：一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：将激励线圈均匀地布置在待测管道上；
步骤二：先将磁铁夹持装置卡扣打开，把磁铁夹持装置套到待测管道上，然后扣上卡扣；
步骤三：沿管道轴向调整磁铁夹持装置，使磁铁夹持装置上安装磁铁的孔正对激励线圈；
步骤四：调整夹持装置上的刻度螺柱，使得磁铁夹持装置的轴线与待测管道的轴线重合；
步骤五：将磁铁安装到磁铁夹持装置的安装孔中，磁铁正对激励线圈，相邻磁铁的极化方向相反，磁铁的偏置磁场沿径向分布；
步骤六：用导线依次将信号发生器、信号放大器、激励线圈、滤波放大电路、信号采集装置、计算机连接起来；
步骤七：在激励线圈中施加猝发激励信号，激励线圈在待测管道中感应出电涡流，电涡流在静态偏置磁场的作用下在待测管道中产生沿管道周向的洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下，待测管道中产生扭转导波。
本发明具有如下有益效果：在相对较低的激励频率(50kHz)下，通过调整磁铁夹持装置上的刻度螺柱，使得永磁铁关于待测管道轴对称均匀分布，进而产生单一模态的扭转导波T(0,1)模态。本发明可广泛应用于管状结构的长度测量以及损伤和腐蚀检测。
附图说明：
图1为用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器的结构图。
图2为用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器的轴向视图。
图3为用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器的径向视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器包括铰链1、永磁铁2、刻度螺柱3、磁铁夹持装置4、激励线圈5、待测管道6以及卡扣7。如图3所示，磁铁夹持装置4由两个具有对称结构的半圆组成，其中两个半圆的一端通过铰链1来连接，另一端由卡扣7连接，组成一个圆形。磁铁夹持装置4套设于待测管道6外侧，磁铁夹持装置4的轴线与待测管道6的轴线重合，12个永磁铁2镶嵌在磁铁夹持装置4中，使得永磁铁2沿待测管道6轴对称均匀分布，3个刻度螺柱3均匀地分布在磁铁夹持装置4的周向，激励线圈5沿待测管道6周向均匀分布。
12个永磁铁2沿待测管道6轴对称均匀分布，相邻永磁铁2安装极性相反，进而产生沿待测管道6轴对称均匀分布的静态偏置磁场，该磁场的方向主要沿待测管道6的径向。激励线圈5中通入沿待测管道6轴向的猝发激励信号后，会在待测管道6中产生轴向的电涡流。静态偏置磁场与电涡流相互作用在待测管道6中激发出扭转导波。
本发明用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：将激励线圈(5)均匀地布置在待测管道(6)上；
步骤二：先将磁铁夹持装置卡扣(7)打开，把磁铁夹持装置(4)套到待测管道(6)上，然后扣上卡扣(7)；
步骤三：沿管道轴向调整磁铁夹持装置(7)，使磁铁夹持装置(7)上安装磁铁的孔正对激励线圈(5)；
步骤四：调整夹持装置(4)上的刻度螺柱(3)，使得磁铁夹持装置(4)的轴线与待测管道(6)的轴线重合；
步骤五：将磁铁(2)安装到磁铁夹持装置(4)的安装孔中，磁铁正对激励线圈(5)，安装磁铁需要注意：相邻磁铁的极化方向相反，磁铁的偏置磁场沿径向分布；
步骤六：用导线依次将信号发生器、信号放大器、激励线圈(5)、滤波放大电路、信号采集装置、计算机连接起来；
步骤七：在激励线圈(5)中施加猝发激励信号，激励线圈(5)在待测管道(6)中感应出电涡流，电涡流在静态偏置磁场的作用下在待测管道(6)中产生沿管道周向的洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下，待测管道(6)中产生扭转导波。
激励线圈5的电流方向沿待测管道6的轴向，电流的表达式为：
I＝A*(1-cos(2*π*f*t/5))*cos(2*π*f*t)[A](t<5*T)
其中，A为电流的幅值，f为激励电流的频率，t为激励电流的作用时间，T为激励电流的周期。
本发明在利用磁铁的相互间的磁极相反的排布方式，设计了全新的磁铁夹持装置，使得磁铁阵列关于待测管道成轴对称均匀分布，产生的静态偏置磁场更加均匀，从而产生的单一模态的扭转导波T(0,1)。由于磁铁夹持装置可以通过卡扣打开和锁紧，因此，方便在已经铺设好的管道上进行安装和使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，其特征在于：包括铰链(1)、永磁铁(2)、刻度螺柱(3)、磁铁夹持装置(4)、激励线圈(5)、待测管道(6)以及卡扣(7)，所述磁铁夹持装置(4)由两个具有对称结构的半圆组成，其中两个半圆的一端通过铰链(1)来连接，另一端由卡扣(7)连接，组成一个圆形，磁铁夹持装置(4)套设于待测管道(6)外侧，磁铁夹持装置(4)的轴线与待测管道(6)的轴线重合，永磁铁(2)镶嵌在磁铁夹持装置(4)的孔中，永磁铁(2)沿待测管道(6)轴对称均匀分布，刻度螺柱(3)均匀地分布在磁铁夹持装置(4)的周向，激励线圈(5)沿待测管道(6)周向均匀分布。
2.如权利要求1所述的用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，其特征在于：所述永磁铁(2)的极化方向沿待测管道(6)的径向，并且相邻两个永磁铁(2)的极化方向相反。
3.如权利要求2所述的用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，其特征在于：所述激励线圈(5)接入的激励信号采用调制的tone-burst信号，电流的方向沿待测管道(6)的轴向。
4.如权利要求1所述的用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，其特征在于：所述刻度螺栓(3)、铰链(1)、卡扣(7)的材料为非铁磁性材料。
5.一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将激励线圈(5)均匀地布置在待测管道(6)上；
步骤二：先将磁铁夹持装置卡扣(7)打开，把磁铁夹持装置(4)套到待测管道(6)上，然后扣上卡扣(7)；
步骤三：沿管道轴向调整磁铁夹持装置(7)，使磁铁夹持装置(7)上安装磁铁的孔正对激励线圈(5)；
步骤四：调整夹持装置(4)上的刻度螺柱(3)，使得磁铁夹持装置(4)的轴线与待测管道(6)的轴线重合；
步骤五：将磁铁(2)安装到磁铁夹持装置(4)的安装孔中，磁铁正对激励线圈(5)，相邻磁铁的极化方向相反，磁铁的偏置磁场沿径向分布；
步骤六：用导线依次将信号发生器、信号放大器、激励线圈(5)、滤波放大电路、信号采集装置、计算机连接起来；
步骤七：在激励线圈(5)中施加猝发激励信号，激励线圈(5)在待测管道(6)中感应出电涡流，电涡流在静态偏置磁场的作用下在待测管道(6)中产生沿管道周向的洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下，待测管道(6)中产生扭转导波。
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