CN113252796A - 一种耐高温横波电磁超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温横波电磁超声换能器，所述电磁超声换能器包括耐高温金属外壳、励磁线圈、涡流线圈、铜箔片、云母片、耐高温金属片、耐高温陶瓷胶、连接杆和隔热手柄，其中：励磁线圈和耐高温金属片采用耐高温陶瓷胶浇筑在耐高温金属外壳的圆柱形凹陷的外圈；涡流线圈、铜箔和云母片采用耐高温陶瓷胶浇筑在耐高温金属外壳的圆柱形凹陷的中心；连接杆的下端焊接在耐高温金属外壳上表面的中心，其上端套有隔热手柄。本发明的换能器由耐高温柔性材料制造而成，换能器的工作端可根据被测试件的不规则表面进行浇筑，检测时可与表面复杂的高温金属构件紧密贴合，减少了涡流线圈和励磁线圈的提离，能够增强材料内涡流强度和静磁场强度。

Description

一种耐高温横波电磁超声换能器
技术领域
本发明属于电磁超声无损检测技术领域，涉及一种电磁超声换能器，具体涉及一种耐高温横波电磁超声换能器。
背景技术
在航空航天、石油化工、冶金制造、核电热电等行业内，金属材料在生产、加工及服役的过程中，常处于300～1200℃的环境下。长期处在高温条件下服役的金属材料，其组织结构与性能会变化，导致高温部件存在重大安全隐患。如管道、压力容器、储罐和吸收管，在高温下运行，可能会发生蠕变、热机械疲劳或热腐蚀等。
高温压电超声换能器由于缺乏合适的高温耦合剂，导致目前高温压电换能器仅限于在永久安装位置进行检测。相比之下，电磁超声技术利用电磁耦合方式激励和接收超声波，具有非接触性、无需声耦合剂的特点，因此具备在高温、高速等恶劣环境下在线检测的优势。
根据电磁超声换能机理可知，电磁超声换能器(Electromagnetic acoustictransducer EMAT)由偏置磁场、涡流线圈和被测金属试件三部分构成。常规EMAT通常使用稀土永磁体(SmCo或NdFeB)提供EMAT换能过程所需静磁场，但永磁体工作温度受居里点(300℃)限制，为了解决永磁体高温下退磁的问题，现有的技术有：
1、永磁体采用主动水循环冷却或空气冷却的方案：这会产生EMAT体积较大、适应恶劣工况鲁棒性变差的问题。
2、脉冲电磁铁替代永磁体方案：脉冲电磁铁由带铁轭的电磁线圈和涡流线圈组成。已有文献报道脉冲电磁铁EMAT，可以在无需冷却的条件下，对高温金属进行无损检测。但由于铁磁材料的磁化曲线受环境温度的影响，偏置磁场随温度的变化趋势不确定，这会给换能器带来未知的误差和漂移。
3、空心励磁线圈替代脉冲电磁铁方案：空芯励磁线圈仅由线圈组成，与常规电磁铁相比，其物理特性受温度影响小且结构简单，是高温EMAT的主要发展方向。
但目前，关于耐高温空芯励磁线圈式EMAT的报道中，探头是刚性的，且探头的工作表面为平面，无法满足管道、压力容器等带有曲率或狭小空间的高温金属检测需求。
发明内容
鉴于以上存在问题，本发明的目的是提供一种耐高温横波电磁超声换能器。该电磁超声换能器能够在高温环境下长时间、稳定运行，适用于高温条件下具有复杂表面结构金属的性能检测，进而为高温条件下金属材料的质量和可靠性提供有力保障。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种耐高温横波电磁超声换能器，包括耐高温金属外壳、励磁线圈、涡流线圈、铜箔片、云母片、耐高温金属片、耐高温陶瓷胶、连接杆和隔热手柄，其中：
所述耐高温金属外壳的上表面中心有小圆孔，下表面有圆柱形凹陷；
所述励磁线圈留有第一接头和第二接头用于接通电源，进而提供偏置磁场；
所述涡流线圈留有第一接头和第二接头用于接通电源，进而激发和接收超声横波信号；
所述铜箔为中心带有圆孔的圆形片；
所述云母片为圆形片；
所述耐高温金属片为圆环形片；
所述励磁线圈和耐高温金属片采用耐高温陶瓷胶浇筑在耐高温金属外壳的圆柱形凹陷的外圈；
所述励磁线圈的上表面与耐高温金属外壳相对，励磁线圈的下表面与耐高温金属片的上表面相对，耐高温金属片的下表面为电磁超声换能器工作端；
所述涡流线圈、铜箔和云母片采用耐高温陶瓷胶浇筑在耐高温金属外壳的圆柱形凹陷的中心；
所述铜箔的上表面与耐高温金属外壳相对，铜箔的下表面与涡流线圈的上表面相对，云母片的上表面与涡流线圈的下表面相对，云母片的下表面为电磁超声换能器工作端；
所述连接杆为空心圆柱体，其下端焊接在耐高温金属外壳上表面的中心，其上端套有隔热手柄；
所述涡流线圈的第一接头和第二接头依次通过铜箔的圆孔、耐高温金属外壳的小圆孔和连接杆的空心延伸到换能器外；
所述励磁线圈的第一接头和第二接头依次通过耐高温金属外壳的小圆孔和连接杆的空心延伸到换能器外。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的换能器由耐高温柔性材料制造而成，因此，换能器的工作端可根据被测试件的不规则表面进行浇筑，适用于管道、板壳等曲面结构在高温条件下的长期、在线的厚度或缺陷检测，检测时可与表面复杂的高温金属构件紧密贴合，减少了涡流线圈和励磁线圈的提离，能够增强材料内涡流强度和静磁场强度，进而提高EMAT换能效率。
2、本发明的换能器采用励磁线圈产生偏置磁场，主要优势为在高温下仍然可以激励出可观的偏置磁场，保证了换能器在高温环境下的正常运行。实验证实了本发明的换能器可以在770℃的高温环境下长期工作(实验时长10小时)，实验后，换能器结构完整，仍能正常的发射和接收超声横波信号。
3、本发明的换能器用励磁线圈代替永磁铁或电磁铁，故具有结构简单、体积小、成本低廉、操作方便、易于在高温检测现场推广使用的优势。
附图说明
图1为耐高温电磁超声换能器的结构示意图。
图2为图1沿a–a面的剖视图。
图3为图1沿b–b面的剖视图。
图4为图1沿c–c面的剖视图。
图5为图1沿d–d面的剖视图。
图6为图1沿e–e面的剖视图。
图7为横波激发原理图。
图8为不同温度下的超声波信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种耐高温横波电磁超声换能器，如图1-6所示，所述电磁超声换能器的结构包括耐高温金属外壳1、励磁线圈2、涡流线圈3、铜箔片4、云母片5、耐高温金属片6、耐高温陶瓷胶7、连接杆8和隔热手柄9，其中：
如图1所示，耐高温金属外壳1由钛基合金不锈钢或镍基合金不锈钢材料制成，其上表面中心有小圆孔III，下表面有圆柱形凹陷II。
如图1、图3和图4所示，励磁线圈2是由直径0.5mm～3mm、表面带有高硅氧套管的镍线盘绕而成的单层多圈圆环形螺旋线；励磁线圈2留有第一接头C和第二接头D用于接通电源，进而提供偏置磁场。
如图1和图3所示，涡流线圈3是由直径0.05mm～0.5mm、表面带有高硅氧套管的镍线盘绕而成的单层多圈圆形螺旋线；涡流线圈3留有第一接头A和第二接头B用于接通电源，进而激发和接收超声横波信号。
如图1和图4所示，铜箔4为中心带有圆孔III的圆形片。
如图1和图2所示，云母片5为圆形片，耐高温金属片6是由钛基合金不锈钢或镍基合金不锈钢材料制成的圆环形片。
如图1所示，励磁线圈2和耐高温金属片6采用耐高温陶瓷胶7浇筑在耐高温金属外壳1的圆柱形凹陷II的外圈。励磁线圈2的上表面与耐高温金属外壳1相对，励磁线圈2的下表面与耐高温金属片6的上表面相对。耐高温金属片6的下表面为耐高温横波电磁超声换能器工作端。
如图1所示，涡流线圈3、铜箔4和云母片5采用耐高温陶瓷胶7浇筑在耐高温金属外壳1的圆柱形凹陷II的中心I。铜箔4的上表面与耐高温金属外壳1相对，铜箔4的下表面与涡流线圈3的上表面相对，铜箔4可以防止涡流线圈3在耐高温金属外壳1中形成涡流。云母片5的上表面与涡流线圈3的下表面相对，云母片5的下表面为耐高温电磁超声换能器工作端。云母片5和耐高温金属片6能够增强耐高温电磁超声换能器的耐磨性。
如图1和图6所示，连接杆8为空心圆柱体，其下端焊接在耐高温金属外壳1上表面的中心，其上端套有隔热手柄9。
如图1所示，涡流线圈3的第一接头A和第二接头B依次通过铜箔4的圆孔III、耐高温金属外壳1的小圆孔III和连接杆8的空心延伸到换能器外，以方便接通电源。
如图1所示，励磁线圈2的第一接头C和第二接头D依次通过耐高温金属外壳1的小圆孔III和连接杆8的空心延伸到换能器外，以方便接通电源。
如图1、图3和图7所示，由于励磁线圈2浇筑在耐高温金属外壳1的圆柱形凹陷II的外圈，而涡流线圈3浇筑在耐高温金属外壳1的圆柱形凹陷II的中心I中，这保证了励磁线圈2在被测试件内的换能区IV中产生的偏置磁场Bs为竖直方向，进而与涡流11作用在被测试件内产生超声横波12。
本发明中，按照被测钢管道10的表面进行耐高温金属外壳1制作和换能器浇筑，保证检测时换能器的工作表面与被测试件紧密贴合。
本发明中，使用耐高温横波电磁超声换能器时，手持隔热手柄9，将换能器工作端紧贴钢管道10的表面，对涡流线圈3的第一接头A和第二接头B通频率为4MHZ、峰峰值为20A的电流，对励磁线圈2的第一接头C和第二接头D通时长为1毫秒、峰值为4000A的半正弦形电流，对不同温度下的钢管道10进行厚度检测，采到的超声信号参见图8。由图8可得：本发明的换能器在高温环境下能正常发射和接收超声横波信号，并可以对770℃的高温钢管道进行厚度检测。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种耐高温横波电磁超声换能器，其特征在于所述电磁超声换能器包括耐高温金属外壳、励磁线圈、涡流线圈、铜箔片、云母片、耐高温金属片、耐高温陶瓷胶、连接杆和隔热手柄，其中：
所述耐高温金属外壳的上表面中心有小圆孔，下表面有圆柱形凹陷；
所述励磁线圈留有第一接头和第二接头用于接通电源，进而提供偏置磁场；
所述涡流线圈留有第一接头和第二接头用于接通电源，进而激发和接收超声横波信号；
所述铜箔为中心带有圆孔的圆形片；
所述云母片为圆形片；
所述耐高温金属片为圆环形片；
所述励磁线圈和耐高温金属片采用耐高温陶瓷胶浇筑在耐高温金属外壳的圆柱形凹陷的外圈；
所述励磁线圈的上表面与耐高温金属外壳相对，励磁线圈的下表面与耐高温金属片的上表面相对，耐高温金属片的下表面为电磁超声换能器工作端；
所述涡流线圈、铜箔和云母片采用耐高温陶瓷胶浇筑在耐高温金属外壳的圆柱形凹陷的中心；
所述铜箔的上表面与耐高温金属外壳相对，铜箔的下表面与涡流线圈的上表面相对，云母片的上表面与涡流线圈的下表面相对，云母片的下表面为电磁超声换能器工作端；
所述连接杆为空心圆柱体，其下端焊接在耐高温金属外壳上表面的中心，其上端套有隔热手柄；
所述涡流线圈的第一接头和第二接头依次通过铜箔的圆孔、耐高温金属外壳的小圆孔和连接杆的空心延伸到换能器外；
所述励磁线圈的第一接头和第二接头依次通过耐高温金属外壳的小圆孔和连接杆的空心延伸到换能器外。
2.根据权利要求1所述的耐高温横波电磁超声换能器，其特征在于所述耐高温金属外壳由钛基合金不锈钢或镍基合金不锈钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的耐高温横波电磁超声换能器，其特征在于所述励磁线圈是由直径0.5mm～3mm、表面带有高硅氧套管的镍线盘绕而成的单层多圈圆环形螺旋线。
4.根据权利要求1所述的耐高温横波电磁超声换能器，其特征在于所述涡流线圈是由直径0.05mm～0.5mm、表面带有高硅氧套管的镍线盘绕而成的单层多圈圆形螺旋线。
5.根据权利要求1所述的耐高温横波电磁超声换能器，其特征在于所述耐高温金属片由钛基合金不锈钢或镍基合金不锈钢材料制成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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