CN113466347A - 一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，属于超声无损检测技术领域。包括若干通过转轴机构依次连接的探头单体，探头单体包括激励线圈电路板、探头壳体和永磁体，探头壳体内部中空，激励线圈电路板固定在探头壳体与待测工件贴合的检测面上，永磁体设在探头壳体内部；相邻探头单体的激励线圈电路板依次连接后连接至超声检测系统。本发明能够缩小探头的等效提离距离，增大在管道内激励出的电磁超声信号的幅值，提高检测精度；对管道类构件缺陷检测具有良好的通用性，减少了作业人员的负重；探头单体相互独立，不会因为单个探头单体的损坏造成整个探头的报废。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头。
背景技术
管道类结构在有着极其广泛的应用，从石油、天然气等资源的长距离传输，到城市楼宇内随处可见的通信、电力、暖通的排布。这些管道支撑着经济发展和日常生活，一旦其中某些结构产生故障，除了会影响经济的正常运转，也会给人们的生活带来极大的不便利，因此进行管道结构的无损检测与评估有着极其重大的经济意义和现实需求。管道结构的无损检测一方面包括构件服役前的残次品的剔除，另一方面也包括在役构件的筛查，在构件投入使用前通过无损检测找出内部含有夹渣、孔隙和断层等缺陷的不合格产品，在构件服役期内通过定期筛查，检测出那些老化较快产生缺陷的管道段并及时更换，对提高整个结构的安全性，延长其服役期具有重要意义。
无损检测是指在检查机械材料内部不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材对试件内部及表面的结构、状态及缺陷的类型、数量、形状、性质、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。在众多的无损检测方法中，超声无损检测方法以其较低的成本、结构简单、操作方便、检测精度高以及对检测人员比较友好等优势获得了比较广泛的应用。
超声无损检测中超声信号的激励方式有很多种，常见的主要有压电超声、电磁超声、激光超声等等。压电超声是目前应用最多的一种方法，然而，由于压电超声探头工作温度范围小而且需要依赖耦合剂，因此在复杂的工程环境中，压电超声的应用领域受到很大的制约。电磁超声通过被测试件集肤层内的交变感应涡流和偏置磁场的相互作用产生超声波，具有低耦合、高精度、对检测试件表面要求低等优点，可以进一步提高超声无损检测的效率，扩大其应用范围，利用电磁超声进行管道类结构质量检测具有广阔的应用前景。在利用电磁超声进行无损检测的过程中，虽然不再需要耦合剂，但是提离距离对检测结果的影响还是很大的，因此普通的电磁超声探头检测平面结构的效果尚可，但对于非平面类构件如管道，传统的电磁超声探头的检测效果不太理想。近年来也有部分研究人员采用柔性电磁超声探头进行管道类构件的检测，这种探头的不足之处是通用性较差，当试件尺寸发生变化的时候探头就需要重新设计。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，能够解决传统探头检测非平面构件效果不理想的缺点，具有良好的通用性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，包括若干通过转轴机构依次连接的探头单体，探头单体包括激励线圈电路板、探头壳体和永磁体，探头壳体内部中空，激励线圈电路板固定在探头壳体与待测工件贴合的检测面上，永磁体设在探头壳体内部；相邻探头单体的激励线圈电路板依次连接后连接至超声检测系统。
优选地，激励线圈电路板包括线圈、基板、引出焊点和引出导线；线圈迂回设置在基板上，线圈两端分别通过引出焊点与引出导线连接。
优选地，探头壳体为铝合金材质，探头壳体与待测工件贴合的检测面上设有凹槽，激励线圈电路板固定在凹槽内。
优选地，永磁体为钕铁硼材质，永磁体表面为镀锌层。
优选地，永磁体充磁方向为厚度方向。
进一步优选地，相邻探头单体的永磁体磁极方向相反。
优选地，永磁体的剩余磁通密度为1.2～1.5T。
优选地，相邻探头单体之间夹角的可调范围为145°～180°。
优选地，激励线圈电路板产生的表面波频率为0.5～2.5MHz。
优选地，转轴机构为不锈钢铰链转轴。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，在进行管道类构件的实际检测过程中，可以通过对探头单体进行弯折，使整个探头的所有探头单体都紧紧贴合在管道的表面，这样相当于缩小了探头的等效提离距离，就可以增大在管道内激励出的电磁超声信号的幅值，提高检测精度。针对管道类构件缺陷检测具有良好的通用性，当试件尺寸在一定范围内变化的时候，不需要重新设计新的探头，只需要调整探头单体之间的弯折角度，使单体重新紧密贴合新的待测管道，即可继续进行检测，只需一种探头就可以实现一定范围内不同尺寸试件的检测，减少了作业人员的负重。探头单体是相互独立的，可以根据现场需要自行确定所需的探头单体个数。当某个探头单体损坏的时候，只需更换损坏的探头单体，不会因为单个探头单体的损坏造成整个探头的报废。同时，电磁超声探头不需要液态耦合剂，因此更适合应用于工作在高温环境下的管道的在线检测，同时这种特性也可以在需要进行大范围、多数据采集点的检测环境下大大提高检测效率。
进一步地，探头壳体采用铝合金材质，保证了探头在高温环境下检测的可靠性，避免探头壳体因高温而融化变形，影响结构的稳定性和检测效果。探头壳体与待测工件贴合的检测面上设有凹槽，激励线圈电路板固定在凹槽内，能够提高结构的可靠性。
进一步地，永磁体采用钕铁硼材质，可以为激励线圈提供较大的磁场；表面镀锌，不易被氧化。
进一步地，永磁体充磁方向为厚度方向，保证激励线圈处在永磁体磁场强度最大的区域内，激发出的电磁超声信号幅值最大。
进一步地，相邻探头单体的永磁体磁极方向相反，整个探头的换能效率更高。
进一步地，永磁体的剩余磁通密度为1.2～1.5T，根据实际需要选择适合的钕铁硼磁铁型号。
进一步地，相邻探头单体之间夹角的可调范围为145～180°，能够适应市面上大多数曲率的管道，提高了适用性。
进一步地，激励线圈电路板产生的表面波频率为0.5～2.5MHz，在传统的电磁超声表面波检测过程中，表面波的频率一般选择为500kHz，但是，频率越低意味着激励线圈的线间距越大，电路板的尺寸也就越大，这就相当于增加了探头单体的提离距离。当激励线圈中的电流的频率选择为0.5～2.5MHz的时候，激励出的电磁超声信号的幅值并没有明显的降低，不过却可以将探头单体的尺寸缩小到原来的一半左右。管道的曲率和激励线圈的频率比较匹配的时候，检测效果最佳，探头的激励主频可调节有助于进一步提高检测精度。
进一步地，转轴机构为不锈钢铰链转轴，转动阻尼比较大，可以保证相邻探头单体能够稳定保持任意角度的夹角；同时，能够抵消探头单体的永磁体之间的磁力吸引，避免在实际检测过程中单体因磁力而吸附在一起，造成探头的损坏，影响检测过程的正常进行。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的探头壳体的结构示意图；
图3为本发明的激励线圈电路板的结构示意图；
图4为本发明应用在实际管道检测中的工作状态图。
图中：1-激励线圈电路板、11-线圈、12-基板、13-引出焊点、14-引出导线、2-探头壳体、3-转轴机构、4-永磁体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，为本发明的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，包括若干通过转轴机构3依次连接的探头单体，探头单体包括激励线圈电路板1、探头壳体2和永磁体4，探头壳体2内部中空，激励线圈电路板1固定在探头壳体2与待测工件贴合的检测面上，永磁体4设在探头壳体2内部；相邻探头单体的激励线圈电路板1依次连接后连接至超声检测系统。
如图3，在本发明的一个较优的实施例中，激励线圈电路板1包括线圈11、基板12、引出焊点13和引出导线14；线圈11优选铜质导线，线圈11迂回设置在基板12上，线圈11两端分别通过引出焊点13与引出导线14连接，与外接高能超声检测系统相连接。
如图2，在本发明的一个较优的实施例中，探头壳体2为3D打印技术制作的感光树脂材质，探头壳体2与待测工件贴合的检测面上设有凹槽，激励线圈电路板1固定在凹槽内。激励线圈电路板1朝下放置在探头壳体2内，保证线圈11和被测管道的提离距离最小，激励出的电磁超声信号幅值尽可能大；为了减小提离距离，探头壳体2放置线圈11的凹槽是半开放式的，因此可以通过胶水将激励线圈电路板1和探头壳体2粘接在一起；每个激励线圈电路板有两个导线引出焊点13，方便接入激励电流以及单体之间的电流通路连接。
在本发明的一个较优的实施例中，永磁体4为钕铁硼材质，永磁体4表面为镀锌层，形状为厚度较薄的长方体造型。型号可以采用N35，最高工作温度80摄氏度。
在本发明的一个较优的实施例中，永磁体4充磁方向为厚度方向。优选地，相邻探头单体的永磁体4磁极方向相反。
在本发明的一个较优的实施例中，永磁体4的剩余磁通密度1.2～1.5T。
在本发明的一个较优的实施例中，相邻探头单体之间夹角的可调范围为145～180°间无级调节。
在本发明的一个较优的实施例中，激励线圈电路板1产生的表面波频率为0.5～2.5MHz。
在本发明的一个较优的实施例中，转轴机构3为不锈钢铰链转轴。
本发明的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头在使用时：
首先将激励线圈电路板1、探头壳体2和永磁体4组装在一起，得到半柔性电磁超声探头单体；然后利用铰链式机械转轴将探头单体组装在一起；根据检测需要确定所需的探头单体数量，每个探头单体的激励线圈电路板1的引出导线14分为接入导线和输出导线，将相邻探头单体的接入导线和输出导线首尾相接，边缘的两个探头单体的剩下的接入导线和输出导线作为整个半柔性电磁超声探头的引出线。
如图4，对于半径为R1的管道的检测，将半柔性电磁超声探头放置在管道上，调整铰链式机械转轴，使每个探头单体都能紧贴管道表面，此时所有探头单体相对于管道表面的提离距离都是相同的，探头单体弧面和管道圆心所成的圆心角为θ1，将整个探头的引出线接入高能超声检测系统，通入激励电流，然后对接收回波进行分析，即可实现半径为R1的管道的检测；
对于半径为R2的管道的检测，同样将半柔性电磁超声探头放置在管道上，重新调整铰链式机械转轴，使每个探头单体都能紧贴管道表面，探头单体弧面和管道圆心所成的圆心角为θ2，重复上述检测过程，即可实现半径为R2的管道的检测。
这样当R1、R2和半柔性电磁超声探头的尺寸保持在一定范围内的时候，就可以通过一种探头实现一定范围内不同尺寸试件的检测。
需要注意的是：当被测试件表面平整度较好的时候，探头的提离距离较小，可以选择较少的探头单体数量，而当被测试件的表面平整度较差的时候，试件表面的凸起、凹坑等障碍导致探头的提离距离较大，就需要选择较多的探头单体数量。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (10)
1.一种针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，包括若干通过转轴机构(3)依次连接的探头单体，探头单体包括激励线圈电路板(1)、探头壳体(2)和永磁体(4)，探头壳体(2)内部中空，激励线圈电路板(1)固定在探头壳体(2)与待测工件贴合的检测面上，永磁体(4)设在探头壳体(2)内部；相邻探头单体的激励线圈电路板(1)依次连接后连接至超声检测系统。
2.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，激励线圈电路板(1)包括线圈(11)、基板(12)、引出焊点(13)和引出导线(14)；线圈(11)迂回设置在基板(12)上，线圈(11)两端分别通过引出焊点(13)与引出导线(14)连接。
3.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，探头壳体(2)为铝合金材质，探头壳体(2)与待测工件贴合的检测面上设有凹槽，激励线圈电路板(1)固定在凹槽内。
4.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，永磁体(4)为钕铁硼材质，永磁体(4)表面为镀锌层。
5.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，永磁体(4)充磁方向为厚度方向。
6.根据权利要求5所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，相邻探头单体的永磁体(4)磁极方向相反。
7.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，永磁体(4)的剩余磁通密度为1.2～1.5T。
8.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，相邻探头单体之间夹角的可调范围为145°～180°。
9.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，激励线圈电路板(1)产生的表面波频率为0.5～2.5MHz。
10.根据权利要求1所述的针对管道类构件缺陷检测的半柔性电磁超声探头，其特征在于，转轴机构(3)为不锈钢铰链转轴。
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- 2021-06-16 CN CN202110668798.7A patent/CN113466347A/zh active Pending
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