CN110414122B - 一种斜入射线聚焦sv波曲面曲折线圈的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无损检测电磁超声技术领域，具体涉及一种斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法。以工件曲面圆心为原点O，以原点O与曲折线圈的首根导线截面中心点的连线为y轴，构建二维直角坐标系，并使曲折线圈其余各根导线截面中心点沿顺时针方向分布在所述二维直角坐标系第一象限内的工件曲面外壁上；根据曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中的聚焦点坐标计算曲折线圈的最大宽度设计极限值；根据最大宽度设计极限值计算曲折线圈各根导线截面中心点坐标；根据计算出的曲折线圈各根导线截面中心点坐标完成曲面曲折线圈的设计。可以设计出曲面金属工件曲率一致的曲面结构的斜入射线聚焦曲折线圈，减小了设计误差，提高了缺陷检测精度。

Description

一种斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法
技术领域
本发明涉及无损检测电磁超声技术领域，具体涉及一种斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法。
背景技术
日本学者Ogi提出了斜入射线聚焦曲折线圈的计算方法，利用相邻两个线圈点到线聚焦点的距离差为1/2个波长来设计斜入射线聚焦曲折线圈，但设计的线圈为平面曲折线圈，主要用来检测平面结构的板材，而检测类似钢管的曲面工件时，具有较大的误差。
哈尔滨工业大学的苏日亮等人研究了利用射入射线聚焦曲折线圈来检测钢管，但在实验与仿真中将钢管简化为钢板，利用的依然是平面结构的曲折线圈。实际情况中钢管的曲面对缺陷检测存在干扰，从而导致在检测时，设计线聚焦点与实际有差别，使得缺陷检测信号较弱，检测结果准确性低。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，发明了一种斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，它能设计出与曲面金属工件曲率一致的曲面结构的斜入射线聚焦曲折线圈，其优化了曲面金属工件内部缺陷检测信号，提高了缺陷检测的精度。
本发明的技术方案为：包括以下步骤：
步骤S1，以工件曲面圆心为原点O，以原点O与曲折线圈的首根导线截面中心点的连线为y轴，构建二维直角坐标系，并使曲折线圈其余各根导线截面中心点沿顺时针方向分布在所述二维直角坐标系第一象限内的工件曲面外壁上；
步骤S2，根据曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中的聚焦点坐标计算曲折线圈的最大宽度设计极限值；
步骤S3，根据最大宽度设计极限值计算曲折线圈各根导线截面中心点坐标；
步骤S4，根据计算出的曲折线圈各根导线截面中心点坐标完成曲面曲折线圈的设计。
较为优选的，所述步骤S2中，根据曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中的聚焦点坐标计算曲折线圈的最大宽度设计极限值包括：
步骤S21，计算经过原点O与聚焦点(xF，yF)的直线l1：
Figure BDA0002141839630000021
步骤S22，计算直线l1与工件曲面外壁的相交点(xmax，y)，所述相交点(xmax，y)为曲折线圈的最大宽度设计极限值。
较为优选的，所述步骤S3中，根据最大宽度设计极限值计算曲折线圈各根导线截面中心点坐标包括：
步骤S31，根据工件的曲面半径R1和聚焦点坐标(xF，yF)计算曲折线圈首根导线截面中心点到聚焦点的距离r1，所述
Figure BDA0002141839630000031
步骤S32：根据首根导线截面中心点到聚焦点的距离r1计算第i根导线截面中心点到聚焦点的距离ri，所述
Figure BDA0002141839630000032
其中，c为横波在工件中的传播速度；
步骤S33，根据第i根导线截面中心点到聚焦点的距离ri和最大宽度设计极限值(xmax，y)计算第i根导线截面中心点横坐标xi，并结合外圆方程计算出第i根导线截面中心点坐标(xi，yi)，其中
当0≤xi≤xF时，第i根导线截面中心点横坐标
Figure BDA0002141839630000033
当xF＜xi≤xmax时，第i根导线截面中心点横坐标
Figure BDA0002141839630000034
较为优选的，还包括步骤S5：通过坐标旋转将曲折线圈在曲面上的各根导线截面中心点坐标展开为平面坐标，并根据所述平面坐标设计平面曲折线圈。
较为优选的，所述步骤S5中，所述旋转为逆时针旋转，所述曲折线圈在曲面上的第i根导线截面中心点坐标与其展开后的平面坐标对应关系为：展开后的横坐标为：Li＝R1*αi，展开后的纵坐标为R1，
Figure BDA0002141839630000041
所述xi、yi为曲折线圈在曲面上的第i根导线截面中心点坐标，αi为原点和第i根导线截面中心点连线与y轴的夹角。
较为优选的，所述曲折线圈的长度方向与曲面金属工件的长度方向平行。
较为优选的，所述曲折线圈为单层或多层，单匝或多匝。
本发明的有益效果为：本发明的方法可以设计出曲面金属工件曲率一致的曲面结构的斜入射线聚焦曲折线圈，减小了设计误差，提高了缺陷检测精度。同时，提供了将曲面曲折线圈转化为平面曲折线圈的方法，降低了生产难度，节约了生产成本。
附图说明
图1是一种斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法的流程图；
图2是各根导线截面中心点沿顺时针方向分布在二维直角坐标系第一象限内的工件曲面外壁示意图；
图3是曲面曲折线圈与曲面金属工件的位置关系示意图；
图4是利用本发明设计的线圈检测曲面金属工件内部缺陷的二维仿真模型；
图5是利用本发明设计的曲面曲折线圈与传统设计的斜入射线聚焦平面曲折线圈检测曲面金属的指向性对比图；
图6是利用本发明设计的曲面曲折线圈与传统设计的斜入射线聚焦平面曲折线圈检测曲面金属的内部缺陷的信号对比图；
图7是利用本发明设计的曲面曲折线圈与传统设计的斜入射线聚焦平面曲折线圈检测曲面金属的内部缺陷的缺陷反射信号对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
按照图1的设计流程，结合图2设计出一个与之曲率一致的斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈，包含如下步骤：
步骤S1，假设曲面金属工件在长度方向上相对于曲折线圈为近似无限大，以工件曲面圆心为原点O，以原点O与曲折线圈的首根导线截面中心点的连线为y轴，构建二维直角坐标系，并使曲折线圈其余各根导线截面中心点沿顺时针方向分布在所述二维直角坐标系第一象限内的工件曲面外壁上；
步骤S2，曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中可看作聚焦在某一点，根据曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中的聚焦点坐标计算曲折线圈的最大宽度设计极限值；
步骤S3，根据最大宽度设计极限值计算曲折线圈各根导线截面中心点坐标；
步骤S4，根据计算出的曲折线圈各根导线截面中心点坐标完成曲面曲折线圈的设计；
步骤5，通过坐标旋转将曲折线圈在曲面上的各根导线截面中心点坐标展开为平面坐标，并根据所述平面坐标设计平面曲折线圈。
其中，步骤4和步骤5可并列执行，根据实际生产需要，可以选择根据步骤4生产曲面曲折线圈或根据步骤5生产柔性材质的平面曲折线圈。平面曲折线圈使用时，将其弯折成与工件曲面贴合的形状使用即可。
步骤S2具体包括：
步骤S21，计算经过原点O与聚焦点(xF，yF)的直线l1：
Figure BDA0002141839630000061
步骤S22，计算直线l1与工件曲面外壁的相交点(xmax，y)，所述相交点(xmax，y)为曲折线圈的最大宽度设计极限值。
步骤S3具体包括：
步骤S31，根据工件的曲面半径R1和聚焦点坐标(xF，yF)计算曲折线圈首根导线截面中心点到聚焦点的距离r1，所述
Figure BDA0002141839630000062
步骤S32：根据首根导线截面中心点到聚焦点的距离r1计算第i根导线截面中心点到聚焦点的距离ri，所述
Figure BDA0002141839630000063
其中，c为横波在工件中的传播速度；
步骤S33，根据第i根导线截面中心点到聚焦点的距离ri和最大宽度设计极限值(xmax，y)计算第i根导线截面中心点横坐标xi，并结合外圆方程计算出第i根导线截面中心点坐标(xi，yi)，其中
当0≤xi≤xF时，第i根导线截面中心点横坐标
Figure BDA0002141839630000071
当xF＜xi≤xmax时，第i根导线截面中心点横坐标
Figure BDA0002141839630000072
步骤5中，旋转为逆时针旋转，所述曲折线圈在曲面上的第i根导线截面中心点坐标与其展开后的平面坐标对应关系为：展开后的横坐标为：Li＝R1*αi，展开后的纵坐标为R1，
Figure BDA0002141839630000073
所述xi、yi为曲折线圈在曲面上的第i根导线截面中心点坐标，αi为原点和第i根导线截面中心点连线与y轴的夹角。
为了对本方案进行验证，以下列举一个实施例进行说明：
实施例一
按照本发明的设计步骤，选取一个外径为φ426mm的曲面金属工件作为例子，建立坐标系后，在坐标(17.518，200.24)处有一个半径为1mm的圆孔缺陷，以此处坐标作为线聚焦点设计曲面曲折线圈，共计算出12个线圈点，曲面曲折线圈的线圈点坐标以及经过坐标旋转后的平面坐标如下表一所示，此曲面曲折线圈激励出的线聚焦SV波的偏转角度为41.611°。
Figure BDA0002141839630000081
建立如图4所示EMAT二维模型，采用同发同收，选取利用传统设计的匝数为12，激励线聚聚焦SV波偏转角度为41.611°及线聚焦点一致的平面曲折线圈，对比平面曲折线圈与曲面曲折检测钢管内壁缺陷的能力。
如图5所示的仿真结果，曲面结构的曲折线圈在43.106°有最大的信号幅值，与理论值偏差为3.59％，平面结构的曲折线圈在36.128°有最大的信号幅值，与理论值偏差15.18％，可以看出曲面结构的曲折线圈在检测曲面金属工件时大大的减小了线聚焦误差。
如图6、7所示，曲面结构的曲折线圈检测缺陷的信号强度比平面结构的曲折线圈提高了54.08％，极大的提高了缺陷检测能力。说明对于曲面金属工件的内部缺陷检测，利用本发明设计的曲面结构的曲折线圈减小了设计误差，提高了缺陷检测能力。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，以工件曲面圆心为原点O，以原点O与曲折线圈的首根导线截面中心点的连线为y轴，构建二维直角坐标系，并使曲折线圈其余各根导线截面中心点沿顺时针方向分布在所述二维直角坐标系第一象限内的工件曲面外壁上；
步骤S2，根据曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中的聚焦点坐标计算曲折线圈的最大宽度设计极限值；
步骤S3，根据最大宽度设计极限值计算曲折线圈各根导线截面中心点坐标；
步骤S4，根据计算出的曲折线圈各根导线截面中心点坐标完成曲面曲折线圈的设计；
所述步骤S2中，根据曲折线圈产生的SV波在二维直角坐标系中的聚焦点坐标计算曲折线圈的最大宽度设计极限值包括：
步骤S21，计算经过原点O与聚焦点坐标(xF,yF)的直线l1：
Figure FDA0002372235970000011
步骤S22，计算直线l1与工件曲面外壁的相交点(xmax，y)，所述相交点(xmax，y)为曲折线圈的最大宽度设计极限值。
2.根据权利要求1所述的斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据最大宽度设计极限值计算曲折线圈各根导线截面中心点坐标包括：
步骤S31，根据工件的曲面半径R1和聚焦点坐标(xF,yF)计算曲折线圈首根导线截面中心点到聚焦点的距离r1，所述
Figure FDA0002372235970000021
步骤S32：根据首根导线截面中心点到聚焦点的距离r1计算第i根导线截面中心点到聚焦点的距离ri，所述
Figure FDA0002372235970000022
其中，c为横波在工件中的传播速度，所述f为线圈激励频率；
步骤S33，根据第i根导线截面中心点到聚焦点的距离ri和最大宽度设计极限值(xmax，y)计算第i根导线截面中心点横坐标xi，并结合外圆方程计算出第i根导线截面中心点坐标(xi,yi)，其中
当0≤xi≤xF时，第i根导线截面中心点横坐标
Figure FDA0002372235970000023
Figure FDA0002372235970000024
当xF<xi≤xmax时，第i根导线截面中心点横坐标
Figure FDA0002372235970000025
Figure FDA0002372235970000026
3.如权利要求1所述的斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，其特征在于，还包括步骤S5：通过坐标旋转将曲折线圈在曲面上的各根导线截面中心点坐标展开为平面坐标，并根据所述平面坐标设计平面曲折线圈。
4.如权利要求3所述的斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述旋转为逆时针旋转，所述曲折线圈在曲面上的第i根导线截面中心点坐标与其展开后的平面坐标对应关系为：展开后的横坐标为：Li＝R1*αi，展开后的纵坐标为R1，
Figure FDA0002372235970000027
所述xi、yi为曲折线圈在曲面上的第i根导线截面中心点坐标，αi为原点和第i根导线截面中心点连线与y轴的夹角。
5.如权利要求1所述的斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，其特征在于，所述曲折线圈的长度方向与曲面金属工件的长度方向平行。
6.如权利要求1所述的斜入射线聚焦SV波曲面曲折线圈的设计方法，其特征在于，所述曲折线圈为单或多层，单匝或多匝。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101002087A (zh) * 2004-07-23 2007-07-18 电力研究所有限公司 挠性电磁声学换能传感器
CN104483382A (zh) * 2014-11-20 2015-04-01 北京工业大学 一种纵向模态磁致伸缩阵列传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103257184A (zh) * 2013-05-16 2013-08-21 哈尔滨工业大学 一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101002087A (zh) * 2004-07-23 2007-07-18 电力研究所有限公司 挠性电磁声学换能传感器
CN104483382A (zh) * 2014-11-20 2015-04-01 北京工业大学 一种纵向模态磁致伸缩阵列传感器

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