CN108956762A - 一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法，该传感器由一跑道型脉冲偏置磁场线圈、一回折型电磁超声激励线圈、一回折型电磁超声接收线圈和柔性保护层组成；电磁超声激励线圈和接收线圈分别粘贴于脉冲偏置磁场线圈两侧正下方，三线圈各与一屏蔽导线连接，屏蔽导线另一端连接有二芯插头；整个传感器呈柔性、扁平和可开合式结构。其检测方法为，首先将传感器系于被测管道壁一周，通过在偏置磁场线圈中通入矩形脉冲电流产生脉冲偏置磁场，在电磁超声激励线圈中通入大功率射频电流，实现超声导波的非接触激发和接收；本发明传感器可用于狭窄空间环境、不同管径管道的快速检测。

Description

一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法
技术领域
本发明涉及管道超声导波检测技术，具体涉及一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法，可用于不同金属管道管壁腐蚀缺陷和裂纹等的远距离、高效无损检测。
背景技术
管道被大量应用于各重要工业领域，在一些特殊环境中，常伴随着高温、高压、磨损等恶劣的工况，长期运行过程中，管壁容易产生腐蚀和裂纹等各类缺陷，这些缺陷将会引起管道开裂、管内物质泄漏等重大事故发生，因此管道的无损检测为确保其安全运行，防止事故的发生，具有十分重要的意义。超声导波检测技术作为近几年新兴的无损检测技术，不但具有设备简单、携带方便和检测精度高，还具有单点激励即可实现长距离检测的特点，检测速度快，特别是对于带包覆层管道，可在拆除少量包覆层的条件下，实现带包覆层管道的长距离快速检测。目前管道导波检测方法主要有三种：一种是采用常规压电探头的管道导波检测系统，属于接触式超声检测，需液体耦合剂，探头体积较大、对检测对象表面要求较高、安装较复杂且探头受管径限制；另一种是采用贴片式磁致伸缩带的电磁超声导波方法，虽具有探头体积小，不受管径限制等优点，但由于需粘接磁致伸缩带，对安装表面要求也高，安装较复杂；第三种是非接触式电磁超声导波检测系统，可在探头提离条件下实现导波检测，对安装表面要求非常低，但目前主要采用刚性结构的磁铁或电磁铁提供偏置磁场、探头体积大、易受管径限制、难用于狭窄空间环境的检测。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种结构简单紧凑、轻薄柔性、安装移动方便快速、不受管径限制、可用于狭窄复杂空间环境、检测能力强的新型管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种管用柔性电磁超声导波传感器，该传感器由一脉冲偏置磁场线圈1、一电磁超声激励线圈2、一电磁超声接收线圈3、柔性保护层和三根屏蔽导线组成；电磁超声激励线圈2和电磁超声接收线圈3分别粘贴于脉冲偏置磁场线圈1两侧正下方，三个线圈各与一根屏蔽导线连接，屏蔽导线另一端连接有二芯插头；
所述脉冲偏置磁场线圈1为平面跑道型线圈结构，由柔性扁平电缆制成或由漆包线绕制；
所述电磁超声激励线圈2和电磁超声接收线圈3为平面回折型线圈结构，由柔性扁平电缆制成或由漆包线绕制，两线圈的形状、尺寸、材料和制作工艺完全相同。
整个传感器呈柔性、扁平和可开合式结构，使用时直接将该传感器系于被测管道壁7一周，传感器工作时与被测管道管壁直接接触或不与被测管道管壁直接接触，传感器与管壁之间允许存在空气间隙，传感器与被测管道管壁之间不需要耦合剂。
所述的管用柔性电磁超声导波传感器的检测方法，首先将柔性电磁超声导波传感器系于被测管道壁7一周，将传感器的脉冲偏置磁场线圈1与一矩形长脉冲电流源通过二芯插头连接，在管壁产生高强度脉冲偏置磁场；
再将电磁超声激励线圈2与大功率射频脉冲电流源通过二芯插头连接，当脉冲偏置磁场达到峰值时触发射频脉冲电流源，驱动电磁超声激励线圈2在管壁产生涡流场或交变磁场，脉冲偏置磁场与涡流场相互作用产生沿管道传播的超声导波；
最后将电磁超声接收线圈3与信号前置放大器和信号采集单元连接，接收超声脉冲回波与脉冲偏置磁场相互作用产生的脉冲电磁信号，通过对缺陷反射信号进行处理和分析，实现管壁缺陷位置和大小超声导波检测。
所述矩形长脉冲电流源的脉冲波形近似矩形，脉冲宽度tw>2L/c,L为检测区域长度，c为导波传播速度；所述射频脉冲电流源波形为一个或多个周期正弦波，其频率为1kHz～5MHz。
本发明一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法，通过采用一跑道型脉冲偏置磁场线圈、一回折型电磁超声激励线圈、一回折型电磁超声接收线圈和柔性保护层，采用矩形脉冲电流驱动产生强偏置磁场，形成一种结构简单紧凑、轻薄柔性、安装移动方便快速、不受管径限制、可用于狭窄复杂空间环境、检测能力强的新型管用超声导波传感器及检测方法。
附图说明
图1为本发明管用柔性电磁超声导波传感器总体结构及安装示意图。
图2为组成本发明管用柔性电磁超声导波传感器的三线圈结构示意图。
图3为本发明管用柔性电磁超声导波传感器工作原理示意图。
图4为本发明管用柔性电磁超声导波传感器检测方法示意图，其图中图4a为单脉冲偏置磁场一次性检测方式，图4b为多脉冲偏置磁场分段检测方式。
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和图2所示，本发明管用柔性电磁超声导波传感器由一脉冲偏置磁场线圈1、一电磁超声激励线圈2、一电磁超声接收线圈3、柔性保护层和三根屏蔽导线4、5、6组成；电磁超声激励线圈2和电磁超声接收线圈3分别粘贴于脉冲偏置磁场线圈1两侧正下方，三个线圈各与一根屏蔽导线连接，屏蔽导线另一端连接有二芯插头。
如图2所示，本发明管用柔性电磁超声导波传感器的脉冲偏置磁场线圈1为平面跑道型线圈结构，可以由柔性扁平电缆制成，也可以由漆包线绕制；电磁超声激励线圈2和电磁超声接收线圈3为平面回折型线圈结构，以由柔性扁平电缆制成，也可以由漆包线绕制，两线圈的形状、尺寸、材料和制作工艺完全相同。
如图1所示，所发明的管用柔性电磁超声导波传感器，整个传感器呈柔性、扁平和可开合式结构，使用时可直接将柔性电磁超声导波传感器系于被测管道7壁一周。传感器工作时可以不与被测管道管壁直接接触(传感器与管壁直接允许存在空气间隙)，传感器与被测管道管壁之间不需要耦合剂。
如图3和4所示，本发明的管用柔性电磁超声导波传感器具体工作原理及检测方法为：首先将柔性电磁超声导波传感器系于被测管道壁7一周，将脉冲偏置磁场线圈1与一矩形长脉冲电流源通过二芯插头连接，矩形长脉冲电流驱动脉冲偏置磁场线圈1在管壁生高强度脉冲偏置磁场；再将电磁超声激励线圈2与大功率射频脉冲电流源连接，当脉冲偏置磁场达到峰值时触发射频脉冲电流源，驱动电磁超声激励线圈2在管壁产生涡流场(或交变磁场)，脉冲偏置磁场与涡流场相互作用产生沿管道传播的超声导波；最后将电磁超声接收线圈3与信号前置放大器和信号采集单元连接，接收超声脉冲回波与脉冲偏置磁场相互作用产生的脉冲电磁信号，通过对缺陷反射信号进行接收和分析，便可实现对管壁缺陷的检测和定位。
如图4中图4a和图4b所示，所述矩形长脉冲电流源的脉冲波形近似矩形，脉冲宽度tw>2L/c,L为检测区域长度，c为导波传播速度；所述射频脉冲电流源波形为一个或多个周期正弦波，其频率为1kHz～5MHz。其检测方式可分为单脉冲偏置磁场一次性检测方式和多脉冲偏置磁场分段检测方式。为保证用于产生脉冲偏置磁场的矩形脉冲电流具有足够大的幅值，同时防止脉冲偏置磁场线圈1过度发热，长脉冲矩形电流的脉冲宽度不能过长，通常需要保持在1～10ms范围内。当被检测区域长度较短时，即矩形长脉冲电流源的脉冲宽度满足tw>2L/c时，采用单脉冲偏置磁场一次性检测方式即可实现整个区域的检测。当被检测区域长度较长时，即矩形长脉冲电流源的脉冲宽度满足tw<2L/c时，需要采用多脉冲偏置磁场分段检测方式。其检测方法为，首先对被检测区域由近及远分为n段，每段长度满足2L<tw*c；再通过在脉冲偏置磁场线圈1先后通入两个脉宽为tw的矩形脉冲电流，其中第二个脉冲与第一个脉冲的时间间隔为Δt＝(i-1)*L/c(i＝1～n)，第一个脉冲用于产生超声波激发所需的脉冲偏置磁场，第二个用于超声波接收所需的脉冲偏置磁场，这样即可以分别实现对第i段区域缺陷回波信号的接收，从而实现分段检测的目的。

Claims (4)

1.一种管用柔性电磁超声导波传感器，其特征在于：该传感器由一脉冲偏置磁场线圈(1)、一电磁超声激励线圈(2)、一电磁超声接收线圈(3)、柔性保护层和三根屏蔽导线组成；电磁超声激励线圈(2)和电磁超声接收线圈(3)分别粘贴于脉冲偏置磁场线圈(1)两侧正下方，三个线圈各与一根屏蔽导线连接，屏蔽导线另一端连接有二芯插头；
所述脉冲偏置磁场线圈(1)为平面跑道型线圈结构，由柔性扁平电缆制成或由漆包线绕制；
所述电磁超声激励线圈(2)和电磁超声接收线圈(3)为平面回折型线圈结构，由柔性扁平电缆制成或由漆包线绕制，两线圈的形状、尺寸、材料和制作工艺完全相同。
2.根据权利要求1所述的管用柔性电磁超声导波传感器，其特征在于：整个传感器呈柔性、扁平和可开合式结构，使用时直接将该传感器系于被测管道壁(7)一周，传感器工作时与被测管道管壁直接接触或不与被测管道管壁直接接触，传感器与管壁之间允许存在空气间隙，传感器与被测管道管壁之间不需要耦合剂。
3.权利要求1所述的管用柔性电磁超声导波传感器的检测方法，其特征在于：
首先将柔性电磁超声导波传感器系于被测管道壁7一周，将传感器的脉冲偏置磁场线圈(1)与一矩形长脉冲电流源通过二芯插头连接，在管壁产生高强度脉冲偏置磁场；
再将电磁超声激励线圈(2)与大功率射频脉冲电流源通过二芯插头连接，当脉冲偏置磁场达到峰值时触发射频脉冲电流源，驱动电磁超声激励线圈(2)在管壁产生涡流场或交变磁场，脉冲偏置磁场与涡流场相互作用产生沿管道传播的超声导波；
最后将电磁超声接收线圈(3)与信号前置放大器和信号采集单元连接，接收超声脉冲回波与脉冲偏置磁场相互作用产生的脉冲电磁信号，通过对缺陷反射信号进行处理和分析，实现管壁缺陷位置和大小超声导波检测。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：所述矩形长脉冲电流源的脉冲波形近似矩形，脉冲宽度tw>2L/c,L为检测区域长度，c为导波传播速度；所述射频脉冲电流源波形为一个或多个周期正弦波，其频率为1kHz～5MHz。
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