CN113848250A - 超高温金属材料在线检测探头、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高温金属材料在线检测探头、系统及方法，其中探头包括：探头外壳；刚玉片，设置于探头外壳底部镂空区；接收线圈，设置于刚玉片上方；励磁线圈，设置于接收线圈上方，用于产生垂直于接收线圈平面的静态偏置磁场；激光入射通道，贯穿于探头外壳，用于激光源通过；第一进水通道，贯穿探头外壳内部腔体并与激光入射通道连通；两个第二进水通道，分别位于刚玉片两侧并贯通探头外壳，且两个第二进水通道位于探头外壳底部的底端相对开设有通孔。采用无永磁体式EMAT接收超声波，不仅解决了超高温环境下的永磁体失磁、氧化铁皮损坏探头等问题，而且提高了激光激励‑无永磁体式EMAT接收的换能效率，实现了持续耐高温无损检测。

Description

超高温金属材料在线检测探头、系统及方法

技术领域

本发明涉及铸锻件缺陷检测技术领域，尤其涉及一种超高温金属材料在线检测探头、系统及方法。

背景技术

高温金属材料广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船等多个领域，高温金属材料在生产加工过程中，难免会出现缩孔、缩松、夹杂物、裂纹、折叠等缺陷，尤其是在高温、高压、冲蚀等恶劣工况作用下，高温金属材料内部结构变化使原来微小的缺陷进一步恶化成更大的缺陷，严重影响着其服役的安全性和可靠性。对高温状态下金属材料进行快速、准确的在线缺陷检测，获取缺陷信息，及时改进加工工艺，剔除残次品的，具有重要的工程应用价值。

超声导波检测技术通过单点激励即可实现长距离检测，可以快速、有效地检测到金属材料中的缺陷。导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。当被检试件为金属板材时，被检试件的厚度是产生不同类型导波的重要条件。当被检试件的厚度超过超声波波长4倍时，一般超声波以表面波的形式沿试件长度方向传播。当被测试件的厚度小于超声波波长或等于超声波波长时，超声导波以Lamb波形式在试件中传播。将超声导波技术应用于高温金属材料的检测当中，利用超声导波的多模式、多模态特性，可检出不同类型缺陷，提高检测的可靠度和精准度。

常规电磁超声换能器(EMAT)通常由永磁体、线圈和被检金属试件组成，利用电磁耦合方法激励和接收超声波，具有非接触式测量、无需耦合剂、适应性强、检测速度快等优点，被广泛应用于超高温金属材料的无损检测与监测。但在超高温环境下，环境温度超过了居里点769℃，即使耐高温的钐钴永磁体，其磁感应强度也将消失，严重影响EMAT的接收效率。且在检测过程中，EMAT表面极易吸附铁磁性氧化皮，若不及时清理，将对EMAT造成永久性损伤，且在超高温环境下热辐射较大，无法进行持续无损检测与监测。

目前关于高温导波检测方法及装置的专利报道主要有以下：

专利CN103063170A，公开了一种高温压力管道壁厚的超声导波检测方法，该检测方法先将与管道材料相同的阶梯导波杆以非焊透的形式垂直地焊接在高温压力管道检测部位，阶梯导波杆的中上部设置冷却装置，使其上端部温度降低，以便使用常规超声波探头及耦合剂进行测量，被测高温压力管道及阶梯导波杆下部加保温材料保证导波杆阶梯段的温度接近被测高温压力管道的温度，利用数字超声波探伤仪的测厚功能测量各界面的反射波，根据导波杆阶梯段的已知长度及各界面反射波的声程差推算出被测高温压力管道的厚度。

专利CN21280691U，公开了一种高温管道磁致伸缩导波检测系统。该系统包括导波发射单元和导波接收处理单元。导波发射单元包括：FPGA信号发射模块、数模转换模块、功率放大器和发射探头。导波接收处理单元包括：接收探头、放大电路、数据采集模块和便携式计算机。发射探头和接收探头安装到高温管道待监测部位两端，发射探头和接收探头之间为有效监测范围，根据被监测管道条件的不同，监测范围为1-10米，稳定工作最高温度为150℃。

以上专利，虽涉及高温导波检测，但需采用冷却装置对导波杆进行冷却，并且要测量导波杆的温度分布并对试件及导波杆内的声速进行修正才能推算出被测试件的检测信息，操作复杂不利于推广。且常规压电超声探头，需要耦合剂对被检测试件表面光洁度要求高，接触时间短，无法实现长时间的高温检测。专利CN21280691U中所设计的高温管道磁致伸缩导波检测系统，虽采用非接触式探头利用铁磁性管道自身的磁致伸缩效应可实现非接触式高温检测，但稳定工作最高温度为150℃。

目前关于无永磁体电磁超声导波检测方法的专利报导主要有以下：

专利CN108956762A，公开了一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法，该传感器由跑道型脉冲偏置磁场线圈、回折型电磁超声激励线圈、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，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，同时在激励线圈中通入大功率射频电流，实现超声导波的非接触式激发和接收。

专利CN110514743A，公开了一种管道缺陷的电磁超声检测方法及装置。该装置利用多个直流线圈交错，并通以直流电，产生沿管道交替分布的径向静磁场；再利用多个交流线圈产生方向一致的周向涡流；其中，周向涡流与径向静磁场作用产生轴向交变洛伦兹力，进行管道缺陷的探伤。

专利CN113155977A，公布了一种用于高温金属材料检测的电磁超声表面波换能器及检测方法。该换能器由励磁线圈和激励线圈组成，无需永磁体提供偏置磁场；励磁线圈选用铜制螺旋线圈、激励线圈选用具有高温绝缘层的镍线，依靠材料本身的耐热性能，无需额外配置冷却系统，，即可实现高温(800℃)、表面粗糙金属材料内部缺陷的长时间、精确检测。

以上专利通过对励磁线圈和激励线圈组合设计，虽然不需要永磁体提供偏置磁场，但最高检测温度仅在800℃，无法实现1000℃以上超高温环境下的高温金属构件的持续在线检测与监测，且用电磁超声换能器激励超声波的换能效率低于脉冲激光器激励超声波的换能效率，目前针对超高温金属材料无永磁体式激光-电磁超声导波在线检测技术在国内外尚未见报道。

发明内容

本发明提供了一种超高温金属材料在线检测探头、系统及方法，以解决现有的电磁超声检测技术换能效率较低及不能实现超高温环境下持续检测的问题。

第一方面，提供了一种超高温金属材料在线检测探头，包括：

探头外壳；

刚玉片，设置于所述探头外壳底部镂空区；

接收线圈，设置于所述刚玉片上方；

励磁线圈，设置于所述接收线圈上方，用于产生垂直于所述接收线圈平面的静态偏置磁场；

激光入射通道，贯穿于所述探头外壳，用于激光源通过；

第一进水通道，贯穿所述探头外壳内部腔体并与所述激光入射通道连通；

两个第二进水通道，分别位于所述刚玉片两侧并贯通所述探头外壳，且所述两个第二进水通道位于所述探头外壳底部的底端相对开设有通孔。

使用该探头时，激光源穿过激光入射通道垂直照射到高温工件表面，励磁线圈中通入激励电流，以产生垂直于接收线圈平面的静态偏置磁场，接收线圈对回波信号进行接收。通过在刚玉片两侧设置两个第二进水通道，并在探头外壳底部相对开设通孔，构成了瞬态局部喷水冷却通道，喷出的水可对高温工件的具体表面进行冷却，使探头底部、接收线圈所处位置即EMAT接触在高温工件的区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可极大程度地提高线圈接收超声波的接收效率。另外，冷却水流从第一进水通道进水经激光入射通道喷洒至高温工件的激光作用区域，在高温工件表面迅速蒸发，产生一层水膜，起到水膜表面约束作用，可提高激光源所激发出的超声导波的能量，提高检测换能效率，同时又避免了探头表面烧灼损伤。该探头没有永磁体，不会出现超过居里温度点，导致永磁体磁感应强度消失的情况。从而确保了该探头能在超高温下持续检测的同时具有较高的换能效率。

进一步地，所述探头外壳上还设置有进水口和出水口，所述探头外壳与所述接收线圈、励磁线圈、激光入射通道、第一进水通道、两个第二进水通道、刚玉片之间的空腔构成循环冷却通道。

冷却水从进水口进入循环冷却通道，在高温环境下，探头内部水循环冷却可维持接收/励磁线圈的常温状态，实现接收/励磁线圈的持续正常工作，进而确保该探头能在超高温下持续检测。

进一步地，所述接收线圈缠绕在高温陶瓷骨架上，所述高温陶瓷骨架通过一层耐高温密封胶固定在所述刚玉片上。通过设置一层耐高温密封胶，可对接收/励磁线圈起到绝缘隔热作用。

进一步地，所述接收线圈为曲折线圈，所述励磁线圈为跑道线圈，所述励磁线圈的直道部分与所述接收线圈平行设置；所述励磁线圈用于覆盖所述接收线圈产生均匀的静态偏置磁场。

进一步地，所述接收线圈和励磁线圈均由多股陶瓷层银线捆绑成一簇绕制而成。

接收/励磁线圈经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结制成，在高温环境中，陶瓷层绝缘可靠，不易击穿而形成电磁噪音，银线表面不容易形成氧化层，使得线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，后续电磁超声接收电路的功率分配特性不受影响。

进一步地，所述探头外壳还设置有接收信号端口和励磁信号端口，所述接收信号端口通过高温导线与所述接收线圈连接，所述励磁信号端口通过高温导线与所述励磁线圈连接。

进一步地，所述两个第二进水通道的底端均相对开设有多个通孔。通孔均位于接收线圈下方，可使得第二进水通道腔体内的冷却水均匀地喷至EMAT接收超声波的区域，极大程度地提高线圈接收超声波的接收效率。

进一步地，刚玉片由氧化铝材料制成，耐磨、耐水煮、耐腐蚀、耐高温，且具备足够硬度，刚玉片边界设置在探头外壳底部镂空区域，在接触区域涂抹耐高温密封胶。进一步地，所述探头外壳、激光入射通道臂、第一进水通道臂及第二进水通道臂均为黄铜壳。

第二方面，提供了一种超高温金属材料在线检测系统，包括脉冲激光器、光路系统、脉冲重复触发电路、励磁电路、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机以及如上所述的超高温金属材料在线检测探头；

所述光路系统设置于所述脉冲激光器出光方向，所述光路系统正对所述激光入射通道设置；

所述脉冲重复触发电路、励磁电路、励磁线圈依次连接；所述接收线圈、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机依次连接。

经脉冲激光器、光路系统产生的激光源，并通过探头的激光入射通道垂直照射在超高温金属工件上，加上探头内部第一进水通道给超高温金属工件表面喷水，构成水膜表面约束，产生高幅值、高信噪比的超声导波，超声导波在金属工件中传播，采用探头内部的励磁线圈/接收线圈及外围电路组合成的无永磁体式EMAT对超声导波进行接收。接收线圈放置在励磁线圈正下方接收感生电压信号，接收到的感生电压信号经过阻抗匹配滤除直流电压信号，同时为了防止电压幅值过大损坏接收设备和方便拾取小幅值的回波电压信号，需将电压信号进行分压、限幅。感生电压信号经过分压限幅电路后，进入前置放大器，将微弱感生电压信号进行滤波和放大，并经过数据采集卡的模数转换，送入PC机上LabVIEW软件界面中，调整阻抗匹配网络、前置放大器参数使得接收到的超声波信噪比达到最佳，这样就接收到了信噪比较高的超声回波信号。

进一步地，所述光路系统包括依次设置的分光器和柱面透镜阵列，所述分光器用于将所述脉冲激光器产生的单束激光源分成两束激光源后照射到所述柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列用于将两束激光源转化成一系列线性光源。

光路系统将点光源转化成一系列线性光源，线性光源阵列具有较大的作用面积，可以输入更多的激光能量而不至于损伤金属工件表面，而且产生的超声波具有方向性好，衰减小等优点。同时线性激光源阵列，相比单点或单线源，使用空间调制激光源可以产生明显的窄带信号，窄带信号的幅值可以在仅使用单线源产生的相应带宽信号上增强N倍，提高系统的信噪比。照射在被检金属工件表面的线性激光的线数可以通过改变入射激光光斑大小来调节至最佳线数。

第三方面，提供了一种超高温金属材料在线检测方法，采用如上所述超高温金属材料在线检测系统进行在线检测，包括：

脉冲重复触发电路、励磁电路产生激励信号至励磁线圈，以产生静态偏置磁场；

通过脉冲激光器及光路系统产生激光源垂直照射到待测试件表面；

接收线圈接收回波产生感生电压信号，经过阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡传输至PC机，PC机对接收的回波信号进行分析，对待测试件表面、内部缺陷进行评判。

本发明基于热弹性激发超声波机制，无永磁体式EMAT接收超声导波的换能机理，对无永磁体式探头，线性激光阵列光路进行设计，实现了超声波的激励和接收。采用无永磁体式EMAT接收超声波，解决超高温环境下的永磁体失磁、氧化铁皮损坏线圈的问题，提高了无永磁体式EMAT的接收效率，减小了检测盲区宽度，实现了持续的耐高温检测。同时脉冲激光激发的超声波具有较高换能效率和分辨率，超声导波具有多模态和频散的特点，选用不同模态超声导波对超高温板类金属材料表面和内部多种缺陷的在线快速扫查。

本发明提出了一种超高温金属材料在线检测探头、系统及方法，具有如下优点：

1)现有专利没有涉及激光超声、导波检测技术及无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT相结合。采用激光超声、导波检测技术和电磁超声技术相结合，激光脉冲能量高，光发散角度小，持续时间长，使得在时间域和空间域上具有较高的分辨率，检测灵敏度高。超声导波扫查速度快、传输距离远、检验空间分辨率高、导波多模态和频散特性，因此可对多种缺陷和裂纹进行高精度，长时间的在线检测。

2)采用跑道线圈、曲折线圈及其外围电路组合成的EMAT作为超声波的接收部分，减少激光干涉仪带来的昂贵的检测成本，同时激光干涉仪对试件表面状况比较敏感，在高温、沙尘等恶劣环境下的检测不稳定。EMAT对检测环境、检测工件表面光洁度要求不高，具有良好的灵敏度，提高了检测回波信号的接收效率。

3)本发明采用耐高温陶瓷层银线绕制的跑道线圈、曲折线圈及其外围电路作为接收部分，陶瓷绝缘可靠，不易击穿而形成噪音，银线表面不容易形成氧化层，可实现长时间靠近超高温金属薄板构件表面进行无损检测与监测。本发明专利采用无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT的外围电路为跑道线圈提供励磁电流用于提供静态偏置磁场，可有效避免在超高温金属构件检测时的永磁体高温消磁、和永磁体吸附构件表面探头难移动，永磁体相对位置移动导致的偏置磁场分布不均，磁性颗粒吸附造成EMAT和金属构件损伤等问题，提高了EMAT的接收效率和探头的使用寿命。

4)本发明设计的线性光源阵列光路系统，透过特殊的透镜阵列将点光源转化为一系列的线光源阵列。相比于点源，线源较大的作用面积可以输入更多的激光能量而不至于损伤材料表面，且产生的超声波方向性好，衰减小。线性激光源阵列，相比于单线源，可以产生明显的窄带信号，窄带信号的幅值可以在仅使用单线源产生的相应带宽信号上增强N倍，提高系统的信噪比。

5)本发明根据表面约束机制，在探头的激光入射通道内部设有缺口，缺口连通的进水通道为激光换能区喷水，在超高温的检测环境下，水迅速蒸发，产生一层水膜，可提高激光所激发出的超声导波的能量，提高换能效率，同时又避免探头表面烧灼损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种超高温金属材料在线检测探头结构示意图；

图2是本发明实施例提供的励磁线圈、接收线圈的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种超高温金属材料在线检测系统结构示意图；

图4是本发明实施例提供的无永磁体式EMAT的外围电路示意图；

图5是本发明实施例提供的基于热弹性机制的激光产生超声导波原理图；

图6是本发明实施例提供的有无水膜约束机制钢板激光-电磁检测波形示意图；

图7是本发明实施例提供的无永磁体式EMAT换能机理图。

图中：1-探头外壳；2-进水口；3-出水口；4-激光入射通道；5-第一进水通道；6-励磁信号端口；7-接收信号端口；8-循环冷却通道；9-通孔；10-刚玉片；11-接收线圈；12-高温陶瓷骨架；13-励磁线圈；14-第二进水通道；15-高温导线；16-脉冲激光器；17-分光器；18-柱面透镜阵列；19-脉冲重复触发电路；20-励磁电路；21-阻抗匹配电路；22-分压限幅电路；23-前置放大器；24-数据采集卡；25-PC机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或顺序。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供了一种超高温金属材料在线检测探头，包括：

探头外壳1，该探头外壳1顶部设置有进水口2、出水口3、接收信号端口7和励磁信号端口6；

刚玉片10，设置于所述探头外壳1底部镂空区；

接收线圈11，设置于所述刚玉片10上方，通过高温导线15与接收信号端口7连接；

励磁线圈13，设置于所述接收线圈11上方，通过高温导线15与励磁信号端口6连接，用于产生垂直于所述接收线圈11平面的静态偏置磁场；

激光入射通道4，贯穿于所述探头外壳1，用于激光源通过；

第一进水通道5，贯穿所述探头外壳1内部腔体并与所述激光入射通道4连通；

两个第二进水通道14，分别位于所述刚玉片10两侧并贯通所述探头外壳1，且所述两个第二进水通道14位于所述探头外壳1底部的底端相对开设有通孔9；

所述探头外壳1与所述接收线圈11、励磁线圈13、激光入射通道4、第一进水通道5、两个第二进水通道14、刚玉片10之间的空腔构成循环冷却通道8。

使用该探头时，激光源穿过激光入射通道4垂直照射到高温工件表面，励磁线圈13内通入激励电流，以产生垂直于接收线圈11平面的静态偏置磁场，接收线圈11对回波信号进行接收。所述进水口2连接水管用于进水，所述出水口3连接抽水水泵进行抽水式出水。采用抽水式水循环方式，可以形成负压，可以降低探头对高温环境中密封的要求，避免由于高温密封性较差而引起的漏水问题。冷却水从进水口2进入循环冷却通道8，在高温环境下，探头内部水循环冷却可维持接收/励磁线圈的常温状态，实现接收/励磁线圈的持续正常工作。通过在刚玉片10两侧设置两个第二进水通道14，并在探头外壳1底部相对开设通孔9，构成了瞬态局部喷水冷却通道，喷出的水可对高温工件的具体表面进行冷却，使探头底部、接收线圈11所处位置即EMAT接触在高温工件的区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可极大程度地提高线圈接收超声波的接收效率。另外，冷却水流从第一进水通道5流入经激光入射通道4喷洒至高温工件的激光源作用区域，进而在高温工件表面迅速蒸发，产生一层水膜，起到水膜表面约束作用，提高激光源所激发出的超声导波的能量和检测换能效率，同时又避免探头表面烧灼损伤。由于该探头没有永磁体，因此不会出现超过居里温度点，导致永磁体磁感应强度消失的情况，也不会出现吸附铁磁性氧化皮的情况。从而确保了该探头能在超高温下持续检测的同时具有较高的换能效率。循环冷却通道8、第一进水通道5、第二进水通道14均由独立水冷系统供冷却水。

具体的，所述接收线圈11缠绕在高温陶瓷骨架12上，刚玉片10上表面涂抹一层一定厚度的耐高温密封胶后，将接收线圈11、高温陶瓷骨架12、励磁线圈13水平居中黏合固定于其上方，可起到对接收/励磁线圈绝缘隔热的作用；同时，高温条件下，配备探头内部水循环冷却后，可很好地起到对接收/励磁线圈的冷却保护作用。

刚玉片10由氧化铝材料制成，耐磨、耐水煮、耐腐蚀、耐高温，且具足够硬度，刚玉片10边界设置在探头外壳1底部镂空区域，在接触区域涂抹耐高温密封胶。所述探头外壳1、激光入射通道臂4、第一进水通道5臂及第二进水通道臂均为黄铜壳。

本实施例中，所述接收线圈11为曲折线圈，所述励磁线圈13为跑道线圈，所述励磁线圈13的直道部分与所述接收线圈11平行设置；所述励磁线圈13用于覆盖所述接收线圈11产生均匀的静态偏置磁场。而且，所述接收线圈11和励磁线圈13均由多股陶瓷层银线捆绑成一簇绕制而成。

接收/励磁线圈经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结制成，在高温环境中，陶瓷层绝缘可靠，不易击穿而形成电磁噪音，银线表面不容易形成氧化层，使得线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，后续电磁超声接收电路的功率分配不受影响。接收线圈11、励磁线圈13通过耐高温导线15连接接收信号端口7和励磁信号端口6，所述接收信号端口7、励磁信号端口6与外围电路相连，用于传递导波回波信号和产生静态偏置磁场；跑道线圈(励磁线圈13)的直道部分和曲折线圈(接收线圈11)平行放置，跑道线圈的直道部分为产生静态偏置磁场的有效区域。曲折线圈(接收线圈11)相邻导线间距为λ/2是为了实现表面波/Lamb的干涉，进而增大表面波/Lamb幅值。接收线圈11的整体尺寸限制是综合考虑到表面波/Lamb的幅值和换能器体积大小而进行的选择。励磁线圈13整体尺寸限制是能够覆盖曲折接收线圈11产生均匀的静态偏置磁场。采用无永磁体式EMAT设计，对电磁线进行耐高温设计并配备水循环系统冷却线圈，即可满足持续高温检测与监测的要求。由此可见，将无永磁体式EMAT应用于1000℃以上超高温环境下金属材料的在线无损检测与监测具有重要的工程应用价值。

本实施例中，所述两个第二进水通道14的底端均相对开设有多个通孔9。通孔9均位于接收线圈11下方，可使得第二进水通道14腔体内的冷却水均匀地喷至EMAT接收超声波的区域，极大程度地提高线圈接收超声波的接收效率。

实施例2

如图3、图4所示，本实施例提供了一种超高温金属材料在线检测系统，包括脉冲激光器16、光路系统、脉冲重复触发电路19、励磁电路20、阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23、数据采集卡24、PC机25以及如实施例1所述的超高温金属材料在线检测探头；

所述光路系统设置于所述脉冲激光器16出光方向，所述光路系统正对所述激光入射通道4设置；

所述脉冲重复触发电路19、励磁电路20、励磁线圈13依次连接；所述接收线圈11、阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23、数据采集卡24、PC机25依次连接。

经脉冲激光器16、光路系统产生的激光源通过探头的激光入射通道4垂直照射在超高温金属工件上，加上探头内部第一进水通道5给超高温金属工件表面喷水，构成水膜表面约束，产生高幅值高信噪比的超声导波，超声导波在金属工件中传播，采用探头内部励磁线圈13/接收线圈11及外围电路组合成的无永磁体式EMAT对超声导波进行接收。接收线圈11放置在励磁线圈13正下方接收感生电压信号，接收到的感生电压信号经过阻抗匹配滤除直流电压信号，同时为了防止电压幅值过大损坏接收设备和方便拾取小幅值的回波电压信号，需将电压信号进行分压、限幅。感生电压信号经过分压限幅电路22后，进入前置放大器23，将微弱感生电压信号进行滤波和放大，并经过数据采集卡24的模数转换，送入PC机25上LabVIEW软件检测界面中，调整阻抗匹配网络、前置放大器23参数使得接收到的超声波信噪比达到最佳，这样就接收到了信噪比较高的超声回波信号。通过对超声回波信号的飞行时间、幅值等信息进行分析，可以对金属工件表面、内部多种缺陷等信息进行评判。脉冲激光器16可实现非接触条件下超声波的激发，且激励效率几乎不受环境温度的影响。同时激光脉冲具有能量高，光发散角度小，持续时间长等特点，使得激励出的信号在时域上窄，频域上宽，且激发的超声波频率较高，因此在时间域和空间域上具有较高的分辨率，适用于微小损伤的检测。因此采用脉冲激光激励超声波和无永磁体式EMAT接收超声导波的这一无损检测方式使得超高温金属构件持续在线检测与监测得以实现。

具体的，图5所示为热弹效应下脉冲激光产生超声导波的原理图。当激光束垂直照射在金属工件表面时，材料吸收光能，金属工件表面将产生以光斑中心为中心的局部非均匀温度场，引起材料内部急剧的热膨胀，形成应变场和应变场，使金属粒子产生波动，波动在金属粒子间的传递从而在金属试样中产生超声波。其产生的超声波既有沿厚度方向入射的纵波，又有沿与厚度方向呈30°～60°角传播的横波和沿着金属板表面传播的表面波或者沿着整个金属板厚传播的Lamb波。其中纵波、表面波/Lamb、横波等能量随着激光功率密度、光斑半径以及脉冲宽度的变化而变化。脉冲激光在板材中激励的导波主要有表面波和Lamb波，是由纵波和横波在板材中不断反射和折射耦合形成的，具体导波模式由金属工件厚度决定。金属工件厚度大于或等于4倍超声波波长，超声导波模式为表面波。金属工件厚度小于或等于4倍超声波波长，超声导波模式为Lamb波。利用超声导波的多模态和频散特性，本发明主要通过接收不同金属工件厚度下产生的超声导波对超高温金属材料表面及内部不同缺陷进行在线的无损检测与监测。

图7所示为本发明所设计的无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT换能机理图，当脉冲激光热源作用于金属工件表面产生超声导波后，采用无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT进行导波的接收，无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT的外围电路提供励磁电流，用于跑道线圈产生静态偏置磁场，产生的偏置磁场在x轴方向，粒子振动方向为z轴方向，根据电磁感应定律，粒子振动做切割磁感线的运动，引起周围磁场的变化，在金属薄板表面产生源电流密度，进而在曲折线圈中产生感生电压。

优选地，所述光路系统包括依次设置的分光器17和柱面透镜阵列18，所述分光器17用于将所述脉冲激光器16产生的单束激光源分成两束激光源后照射到所述柱面透镜阵列18，所述柱面透镜阵列18用于将两束激光源转化成一系列线性光源。透镜每个阵列的每英寸有53个柱面透镜元件，点光源经过光路系统转变成线性光源阵列，辐射在被检金属工件上。一般阵列数在7-9为最佳。

光路系统将点光源转化成一系列线性光源，线性光源阵列具有较大的作用面积，可以输入更多的激光能量而不至于损伤金属工件表面，而且产生的超声波具有方向性好，衰减小等优点。同时线性激光源阵列，相比单点或单线源，使用空间调制激光源可以产生明显的窄带信号，窄带信号的幅值可以在仅使用单线源产生的相应带宽信号上增强N倍，提高系统的信噪比。照射在被检金属工件表面的线性激光的线数可以通过改变入射激光光斑大小来调节至最佳线数。

本实施例所用脉冲激光器16光斑半径为4mm，最大输出能量可达650mJ，脉冲重复频率为10Hz，脉冲持续时间为8ns，激发出的超声波频率在1MHz左右。所采用的脉冲激光器16为输出能量可调，脉冲激光器16输出能量由激发电压来控制，可根据现场情况进行调整激光光斑能量大小。脉冲激光器16在发射激光束的同时，将给数据采集卡24和无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT的外围电路提供一个同步触发信号，一方面用于保证数据采集卡24的同步数据采集，另一方面用于同步触发无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT外围电路的励磁电流，用于提供静态偏置磁场。

第一进水通道5连接水管进水，水经激光入射通道4喷至激光源产生超声波的换能区域，在超高温环境下，水迅速蒸发，产生水膜，起到表面约束作用。参看图6，图6为有无水膜约束机制钢板激光-电磁检测波形示意图。从对比图中可以看出，加入水膜表面约束机制后，接收到的表面波，包括横波和纵波幅值都显著提高，而且接收到的超生波信号的信噪比也明显的提高了。

如图4所示，脉冲重复触发电路19、励磁电路20、阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23构成外围电路。MOS管及其脉冲触发电路构成脉冲重复触发电路19，直流电压和充电电容构成励磁电路20。接收显示设备为数据采集卡24以及安装有LabVIEW电磁超声信号采集界面的PC机25。脉冲触发电路产生矩形脉冲信号输入至MOS管，调节矩形脉冲宽度控制MOS管的导通与截止时间。MOS管导通，电容C1放电给跑道线圈提供幅值足够大和持续时间足够长的励磁电流，MOS管截止，电容充电。单次矩形脉冲宽度满足t_w>2L/c，使得跑道线圈在接收超声波的整个过程中提供稳定的静态偏置磁场，其中L为检测区域长度，c为导波传播速度。由于传输线中存在分布电容、寄生电容和电感、曲折线圈的阻抗特性等，需要进行阻抗匹配以使曲折线圈接收到的感生电压能够最大程度地输出。阻抗匹配电路21由电容C2和电感L1组成。电容C2由一系列独立的电容组成，电感L1为一系列独立的电感组成，设置开关可以使不同参数的电容和电感参与组成阻抗匹配电路21，使其阻抗与曲折线圈的等效阻抗满足共轭匹配要求，此时电路输出功率最大，即超声波信噪比最高。根据电容C3的隔直通交特性，滤除高频直流电，防止其直接进入前置放大器23造成器件损坏，并保证小幅值的超声波顺利通过。为了保护后续电路不至于被励磁电流损坏，采用R2、R3电阻与两个二极管并联将感生电压进行分压、限幅，随后进入前置放大器23进行放大滤波处理后将信号输出。以上所述便是无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT外围电路的设计，以上电路探头内部励磁线圈13、接收线圈11组合即为无永磁体式跑道-曲折线圈EMAT接收装置。选用直流电压和充电电容组成的励磁电路20可以在金属工件内表面产生静态偏置磁场的优点在于避免了传统的永磁体在超高温环境下的磁感应强度消失所造成的静态偏置磁场不稳定等问题，氧化层和磁性颗粒吸附等问题，提升EMAT接收效率和超声波信号信噪比。在超声波接收过程中，曲折线圈接收到感应电压信号通过探头接收信号接口输入至超声波接收电路，经LC阻抗匹配，电容电阻分压限幅和前置放大器23的放大处理以达到增强超声回波信噪比、改善超声探测盲区和保护后续电路元器件的目的。

实施例3

本实施例提供了一种超高温金属材料在线检测方法，采用如上所述超高温金属材料在线检测系统进行在线检测，包括：

脉冲重复触发电路19、励磁电路20产生激励信号至励磁线圈13，以产生静态偏置磁场；

通过脉冲激光器16及光路系统产生激光源垂直照射到待测试件表面；

接收线圈11接收回波产生感生电压信号，经过阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23、数据采集卡24传输至PC机25，PC机25对接收的回波信号进行分析，对待测试件表面、内部缺陷进行评判。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，包括：

探头外壳；

刚玉片，设置于所述探头外壳底部镂空区；

接收线圈，设置于所述刚玉片上方；

励磁线圈，设置于所述接收线圈上方，用于产生垂直于所述接收线圈平面的静态偏置磁场；

激光入射通道，贯穿于所述探头外壳，用于激光源通过；

第一进水通道，贯穿所述探头外壳内部腔体并与所述激光入射通道连通；

两个第二进水通道，分别位于所述刚玉片两侧并贯通所述探头外壳，且所述两个第二进水通道位于所述探头外壳底部的底端相对开设有通孔。

2.根据权利要求1所述的超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，所述探头外壳上还设置有进水口和出水口，所述探头外壳与所述接收线圈、励磁线圈、激光入射通道、第一进水通道、两个第二进水通道、刚玉片之间的空腔构成循环冷却通道。

3.根据权利要求1所述的超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，所述接收线圈缠绕在高温陶瓷骨架上，所述高温陶瓷骨架通过一层耐高温密封胶固定在所述刚玉片上。

4.根据权利要求1所述的超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，所述接收线圈为曲折线圈，所述励磁线圈为跑道线圈，所述励磁线圈的直道部分与所述接收线圈平行设置；所述励磁线圈用于覆盖所述接收线圈产生均匀的静态偏置磁场。

5.根据权利要求1所述的超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，所述接收线圈和励磁线圈均由多股陶瓷层银线捆绑成一簇绕制而成。

6.根据权利要求1所述的超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，所述探头外壳还设置有接收信号端口和励磁信号端口，所述接收信号端口通过高温导线与所述接收线圈连接，所述励磁信号端口通过高温导线与所述励磁线圈连接。

7.根据权利要求1所述的超高温金属材料在线检测探头，其特征在于，所述两个第二进水通道的底端均相对开设有多个通孔。

8.一种超高温金属材料在线检测系统，其特征在于，包括脉冲激光器、光路系统、脉冲重复触发电路、励磁电路、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机以及如权利要求1至7任一项所述的超高温金属材料在线检测探头；

所述光路系统设置于所述脉冲激光器出光方向，所述光路系统正对所述激光入射通道设置；

所述脉冲重复触发电路、励磁电路、励磁线圈依次连接；所述接收线圈、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机依次连接。

9.根据权利要求8所述的超高温金属材料在线检测系统，其特征在于，所述光路系统包括依次设置的分光器和柱面透镜阵列，所述分光器用于将所述脉冲激光器产生的单束激光源分成两束激光源后照射到所述柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列用于将两束激光源转化成一系列线性光源。

10.一种超高温金属材料在线检测方法，其特征在于，采用如权利要求8或9所述超高温金属材料在线检测系统进行在线检测，包括：

脉冲重复触发电路、励磁电路产生激励电流至励磁线圈，以产生静态偏置磁场；

通过脉冲激光器及光路系统产生激光源垂直照射到待测试件表面；

接收线圈接收回波产生感生电压信号，经过阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡传输至PC机，PC机对接收的回波信号进行分析，对待测试件表面、内部缺陷进行评判。

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