CN110220974B - 适用于铝板缺陷检测的sv超声体波单侧聚焦换能器 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，包括：永磁体和共心的双扇形回折线圈；永磁体位于共心的双扇形回折线圈的上方，永磁体产生的磁感线的NS极沿被测铝板法线方向排列；共心的双扇形回折线圈为双线圈交错排列结构，共心的双扇形回折线圈位于永磁体的正下方，双线圈的激励电流相位相差90°且幅值相同，共心的双扇形回折线圈的布置采用扇形回折结构，共心的双扇形回折线圈的共心位置在被测铝板表面的投影为SV超声体波单向聚焦点的位置；被测铝板的厚度均匀并位于永磁体和共心的双扇形回折线圈的正下方。通过简单的换能器结构设计，使有限的超声能量在感兴趣的特定位置进行信号的单侧聚焦，提高了信号的强度与检测精度。

Description

适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器
技术领域
本申请涉及无损检测领域，尤其涉及一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器。
背景技术
金属板材广泛应用于工业生产中，是构成许多重要工业设施的重要结构。然而，在这些设备的金属板材长期运行中，介质腐蚀、材料老化、地质灾害、外部冲击和事故将不可避免地造成缺陷。若未及时进行检测修复，会对这些设备的安全稳定运行造成极大的负面影响，极易导致介质泄漏，甚至引起火灾和爆炸，造成严重的环境污染、经济损失甚至人员伤亡。为了及时发现金属板材中存在的缺陷，并采取措施避免事故的发生，维护其安全稳定运行，需要按时对金属板材等结构件进行检测，这对于确保人民生命财产安全、保证正常的工业生产生活具有重大意义。
工业在役金属板的在线检测方法主要包括涡流检测、漏磁检测及超声检测等。涡流检测和漏磁检测由于原理上的特点，难以有效检测出材料内部的微小裂纹；超声检测技术具有穿透能力强、缺陷定位准确度高、灵敏度高、检测速度快等优点。
在对金属板材尤指铝板缺陷检测的现有技术中，可利用电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)进行铝板缺陷检测，EMAT依赖于电磁耦合方式完成换能器线圈内的交变电流到被测材料内机械振动的能量转换，无需耦合介质，可以直接在金属板材内产生超声波，并易于调节超声波的模式，可用于非接触及高温等特殊工况下的检测。但是，EMAT的转换效率低、接收到的超声波信号的幅值小。
发明内容
本申请提出一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，用于解决现有技术中EMAT的转换效率低、接收到的超声体波信号的幅值小的问题。
本申请实施例提出了一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，包括：
永磁体和共心的双扇形回折线圈；
所述永磁体位于所述共心的双扇形回折线圈的上方，所述永磁体产生的磁感线的NS极沿被测铝板法线方向排列；
所述共心的双扇形回折线圈为双线圈交错排列结构，所述共心的双扇形回折线圈位于永磁体的正下方，双线圈的激励电流相位相差90°且幅值相同，所述共心的双扇形回折线圈的布置采用扇形回折结构，且共心的双扇形回折线圈的共心位置在所述被测铝板表面的投影为SV超声体波单向聚焦点的位置；
所述被测铝板的厚度均匀并位于所述永磁体和所述共心的双扇形回折线圈的正下方。
本申请实施例的适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，能够通过简单的换能器结构设计，使有限的超声能量在某个感兴趣的特定位置进行信号的单侧聚焦，从而提高了换能器的能量转换效率以及信号的强度与检测精度，进而为不同类型缺陷的检测与识别提供了可靠的信息。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述永磁体所处位置平行于所述被测铝板表面，所述永磁体沿着所述被测铝板表面的法线方向磁化。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述被测铝板的材料一致。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述共心的双扇形回折线圈之间的间距为大小不等的预设值，以使SV超声体波聚焦到同一位置并满足SV超声体波相位叠加。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述共心的双扇形回折线圈的规格一致，所述规格包括材料和尺寸。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述SV超声体波单侧聚焦换能器与所述被测铝板水平放置。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述被测铝板被固定于水平平面上。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述SV超声体波单侧聚焦换能器与所述被测铝板之间通过空气或绝缘材料隔开。
在本申请实施例一种可能的实现方式中，所述还包括：屏蔽罩或法拉第笼。还包括：屏蔽罩或法拉第笼。
本申请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，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/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为本申请实施例提供的一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种SV超声体波单侧聚焦换能器与测量装置的连接示意图；
图3为采用传统的EMAT与本实施例提供的SV超声体波单侧聚焦换能器在实际铝板上的测量结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器。
图1为本申请实施例提供的一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器的结构示意图。
如图1所示，被测铝板101可用本申请实施例的适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器进行缺陷检测，该适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器包括：永磁体102和共心的双扇形回折线圈103与104。
永磁体102位于共心的双扇形回折线圈103、104的上方，永磁体102产生的磁感线的NS极沿被测铝板101法线方向排列。
共心的双扇形回折线圈103、104为双线圈交错排列结构，共心的双扇形回折线圈103、104位于永磁体102的正下方，双线圈的激励电流相位相差90°且幅值相同，共心的双扇形回折线圈103、104的布置采用扇形回折结构，且共心的双扇形回折线圈103、104的共心位置在被测铝板101表面的投影为SV超声体波单向聚焦点的位置。
本实施例中，共心的扇形回折线圈经反复弯折、同一线圈相邻导线段电流方向交替且线圈的回折圆心在被测铝板表面的投影为聚焦点，与该线圈相邻的另一载流回折线圈的激励电流相位与其相差90°，从而实现超声波的单侧聚焦。
被测铝板101的厚度均匀并位于永磁体102和共心的双扇形回折线圈103、104的正下方预设距离处。该预设距离可以根据需要确定。
本实施例中，通过对永磁体与共心的双扇形回折线圈的合理布置来达到聚焦超声波信号的目的，从而提高了超声体波信号的强度与检测的精度。由于SV超声体波的特殊的斜向传播形式，该种结构的聚焦换能器可以将发散的能量聚焦到待测点上，即使有限的超声能量在某个感兴趣的特定位置进行信号的单侧聚焦，从而提高了换能器的能量转换效率。
在实际应用中，永磁体102的厚度可以在10mm～100mm的范围内，永磁体102的长度在50mm～100mm范围内，宽度也在50mm～100mm的范围内，扇形线圈103、104的截面积为0.2mm2～0.5mm2的范围内，共心的双扇形回折线圈的匝数为10～100匝，共心的双扇形回折线圈的半径在5mm～20mm范围内，SV超声体波单侧聚焦换能器放置于距被测铝板1mm～2mm高度处。
在本申请的一个实施例中，永磁体102所处位置平行于被测铝板101表面，永磁体102沿着被测铝板101表面的法线方向磁化。
在本申请的一个实施例中，被测铝板101的材料一致。
由于相邻回折线圈的间距变化会导致SV超声体波的入射角度发生变化，因此合理设置变间距的线圈可以将不同入射角度的SV超声体波聚焦到同一位置并使其满足超声波的相位叠加。因此，在本申请的一个实施例中，共心的双扇形回折线圈103、104之间的间距为大小不等的预设值，即共心的双扇形回折线圈之间的间距是不等长的，以使SV超声体波聚焦到同一位置并满足SV超声体波相位叠加。也就是说，回折线圈的相邻间距不是一个固定值，而是随着线圈的折数而变化，从而将SV超声体波束聚焦在同一点以实现SV超声体波的相位叠加。
为了产生稳定的SV超声体波，使其能够良好的聚焦，在本申请的一个实施例中，共心的双扇形回折线圈103、104的规格一致，规格包括材料、尺寸、适用范围等。
在本申请的一个实施例中，在利用SV超声体波单侧聚焦换能器对被测铝板进行缺陷检测时，SV超声体波单侧聚焦换能器与被测铝板101水平放置，以保证缺陷检测的准确性。
在本申请的一个实施例中，被测铝板101被固定于水平平面上，也就是，将被测铝板101水平固定，以避免外界振动带来测量误差。
在本申请的一个实施例中，SV超声体波单侧聚焦换能器与被测铝板101之间通过空气或绝缘材料隔开。例如，绝缘材料可以为聚酰亚胺薄膜或者其他绝缘材料。
在本申请的一个实施例中，该适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器还可包括屏蔽罩或法拉第笼，SV超声体波单侧聚焦换能器与被测铝板101设置在屏蔽罩或法拉第笼内，用以屏蔽空间电磁场的干扰和环境因素的影响。
基于上述提出的适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，下面介绍利用该SV超声体波单侧聚焦换能器对铝板进行检测以及测量超声体波信号强度的整体结构。
图2为本申请实施例提供的一种SV超声体波单侧聚焦换能器与测量装置的连接示意图。
如图2所示，该测量装置包括：脉冲电源发生器与接收器201、导线、匹配电阻202、示波器205。
在对铝板进行缺陷检测时，需要用到两个SV超声体波单侧聚焦换能器，一个用于发射，另一个用于接收。如图2所示，一个是接收端SV超声体波单侧聚焦换能器203，另一个是接收端SV超声体波单侧聚焦换能器204，这两个SV超声体波单侧聚焦换能器组成了一个换能器组合。
被测铝板的厚度均匀且材料一致，被测铝板的中心位置位于发射端SV超声体波单侧聚焦换能器203和接收端SV超声体波单侧聚焦换能器204的中点上。具体地，两个聚焦换能器都在被测铝板上表面且在同一侧，一个用来发射SV超声体波，一个用来接收SV超声体波，两个聚焦换能器共焦点，即两个聚焦换能器中的共心的扇形回折线圈的各自共心位置在被测铝板表面的投影为同一点，并且被测铝板与整个换能器组合呈对称放置，以避免被测铝板边界的反射和衍射波带来的信号不对称影响。另外，被测铝板表面除换能器外无任何超声耦合介质与其它装置。
具体地测试装置与SV超声体波单侧聚焦换能器的连接如下：脉冲电源发生器与接收器201通过脉冲电流输出端207，经过匹配电阻202与发射端SV超声体波单侧聚焦换能器203通过导线相连。脉冲电源发生器与接收器201通过脉冲电流测量端206，经过匹配电阻202与接收端SV超声体波单侧聚焦换能器204相连。
为了将脉冲发生器与接收器201采集到的电流信号显示出来，通过导线将脉冲发生器与接收器201与示波器205连接来实现直观显示信号的功能。
在实际应用中，匹配电阻202的阻值可以在100Ω～150Ω之间选取，两个电阻的阻值范围为0.1MΩ～200MΩ，导线的截面积可以在0.5mm2～1mm2的范围内。
示波器的输入端205与脉冲发生器与接收器201的输出端相连接，在实际应用中，连接匹配电阻的阻值可以为150Ω。
为了验证本申请提供的SV超声体波单侧聚焦换能器能够聚焦超声波的信号能量，进而提高信号的强度与检测的精度，现用以下方法来证明。
由于是对铝板进行检测，铝板的长、宽、厚为500×500×4mm；永磁体的尺寸固定为100×100×20mm(实施例中横波波速3.2km/s且交流电流频率1MHz)；共心的双扇形回折线圈孔径角为90°，激励电流幅值相等，相位相差90°；聚焦半径为2mm；根据前文所述，两个换能器的提离值为1mm，即两个聚焦换能器与被测铝板之间的距离均为1mm；为体现出信号的聚焦效果，对同等条件下的传统非单侧聚焦的SV超声体波换能器进行了测试。
图3为采用传统的EMAT与本实施例提供的SV超声体波单侧聚焦换能器在实际铝板上的测量结果示意图。采用传统的EMAT接收到的信号幅值大小与本申请实施例的SV超声体波单侧聚焦换能器的信号幅值进行了对比，如图3所示，横坐标表示经过的时间，纵坐标表示接收端聚焦换能器接收信号的归一化幅值。由图3可以看出，本申请提出的新型换能器能够实现单侧聚焦，具有单侧聚焦功能。
可以从图3中发现本申请提出的SV超声体波单侧聚焦换能器在聚焦方面具有对于传统EMAT无可比拟的优势。与传统的EMAT相比，SV超声体波单侧聚焦换能器在检测方面具有很大的优势。结果表明，新型的单侧SV超声体波单侧聚焦换能器的信号强度比传统聚焦换能器的信号强度增加了约40％，这证明了大部分SV超声体波能量确实集中在某一点，且单向超声体波的聚焦效果很明显。因此，本申请提供的一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，能够有效地聚焦超声波的信号能量，进而提高信号的强度与检测的精度。
本申请与现有的传感器相比，可以在一定程度上提高检测效率并减小漏检率。由于传统的电磁超声换能器能量转换效率很低，因此将超声体波能量聚焦到关注的特定位置是一种非常有效的检测手段。本申请可以在工业金属板材缺陷检测中发挥重要作用。

Claims (8)

1.一种适用于铝板缺陷检测的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，包括：永磁体和共心的双扇形回折线圈；
所述永磁体位于所述共心的双扇形回折线圈的上方，所述永磁体产生的磁感线的NS极沿被测铝板法线方向排列；
所述共心的双扇形回折线圈为双线圈交错排列结构，所述共心的双扇形回折线圈位于永磁体的正下方，双线圈的激励电流相位相差90°且幅值相同，所述共心的双扇形回折线圈的布置采用扇形回折结构，且共心的双扇形回折线圈的共心位置在所述被测铝板表面的投影为SV超声体波单向聚焦点的位置，其中，所述共心的双扇形回折线圈之间的间距为大小不等的预设值，以使SV超声体波聚焦到同一位置并满足SV超声体波相位叠加；
所述被测铝板的厚度均匀并位于所述永磁体和所述共心的双扇形回折线圈的正下方。
2.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，所述永磁体所处位置平行于所述被测铝板表面，所述永磁体沿着所述被测铝板表面的法线方向磁化。
3.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，所述被测铝板的材料一致。
4.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，所述共心的双扇形回折线圈的规格一致，所述规格包括材料和尺寸。
5.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，所述SV超声体波单侧聚焦换能器与所述被测铝板水平放置。
6.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，所述被测铝板被固定于水平平面上。
7.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，所述SV超声体波单侧聚焦换能器与所述被测铝板之间通过空气或绝缘材料隔开。
8.根据权利要求1所述的SV超声体波单侧聚焦换能器，其特征在于，还包括：屏蔽罩或法拉第笼。
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