CN113984892B - 一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头 - Google Patents

一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，属于超声无损检测技术领域。包括支撑框架和若干电磁探头单体；若干电磁探头单体阵列排布在支撑框架内，支撑框架形状可调，相邻电磁探头单体之间通过第一弹性连接体连接，所述阵列边缘的电磁探头单体通过第二弹性连接体与支撑框架连接；所有电磁探头单体均连接至电磁超声检测系统。本发明能够解决传统电磁超声探头检测非平面构件效果不理想的缺点，同时能够大幅提高检测效率，具有良好的通用性。

Description

一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头。
背景技术
球面板材在生产生活中有着广泛的应用，从建筑物的穹顶、储罐的壳体，到飞机、高铁列车的头部等，到处都有球面板材构件在发挥着不可或缺的作用。这些球面构件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，因此进行球面构件的无损检测与评估有着极其重大的经济意义和现实需求。球面构件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，利用电磁超声进行球面板材构件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，但对于球面板材构件，传统的电磁超声探头的检测效果不太理想。一方面，单个电磁超声探头的回波信号较弱，检测效果差；另一方面，单个探头进行大尺寸球面构件无损检测的时候效率太低。近年来也有部分研究人员采用柔性电磁超声探头进行球面构件的检测，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用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，能够解决传统电磁超声探头检测非平面构件效果不理想的缺点，同时能够大幅提高检测效率，具有良好的通用性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，包括支撑框架和若干电磁探头单体；若干电磁探头单体阵列排布在支撑框架内，支撑框架形状可调，相邻电磁探头单体之间通过第一弹性连接体连接，所述阵列边缘的电磁探头单体通过第二弹性连接体与支撑框架连接；所有电磁探头单体均连接至电磁超声检测系统。
优选地，电磁探头单体包括永磁体、探头壳体和激励线圈电路板，永磁体设在探头壳体内，激励线圈电路板设在检测面上。
进一步优选地，探头壳体为铝合金材质，探头壳体上开设有凹槽，激励线圈电路板放置在凹槽内。
进一步优选地，永磁体为圆柱体钕铁硼磁体，永磁体表面设有镀锌层，永磁体表面最大剩余磁通为1.2～1.5T。
进一步优选地，永磁体的充磁方向为厚度方向。
进一步优选地，激励线圈电路板包括基板、线圈、引出焊点和引出导线；线圈螺旋设置在基板上，线圈两端分别通过基板上的引出焊点与引出导线连接，引出导线连接至电磁超声检测系统。
进一步优选地，激励线圈电路板产生的体波频率为0.5～2.5MHz。
进一步优选地，相邻电磁探头单体内永磁体的磁极方向相反。
优选地，相邻电磁探头单体之间的夹角可在145°～180°之间无级调节。
优选地，支撑框架为金属定型软管，第一弹性连接体和第二弹性连接体为高强弹性材质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，在进行球面类构件的实际检测过程中，通过第一弹性连接体和第二弹性连接体，能够实现对探头的弯折，支撑框架在提供整个探头支撑的同时，也能调节形状与检测面随形匹配，使整个探头上的所有电磁探头单体都紧紧贴合在构件的曲面上，这样相当于缩小了探头的等效提离距离，就可以增大在球面构件内激励出的电磁超声信号的幅值，提高检测精度。针对球面构件缺陷检测，半柔性阵列式电磁超声探头具有良好的通用性，当试件球面半径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，使电磁探头单体重新紧密贴合新的构件的球面上，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球面半径试件的检测，节约了探头成本，同时可以减少检测操作的复杂度，提高检测效率。电磁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矩阵中电磁探头单体的个数，例如2*2、3*3、4*4等。由于探头的单体是相互独立的，因此当其中某个电磁探头单体损坏的时候，只需更换损坏的电磁探头单体，不会因为单个电磁探头单体的损坏造成整个探头的报废。这种探头在工作的时候不需要液态耦合剂，因此更适合应用于工作在高温环境下的球面构件的在线检测，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，能够保证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开有凹槽，激励线圈电路板固定在凹槽内，可以最大程度地减小提离距离，提高激励信号的幅值，同时能够提高探头的可靠性。
进一步地，圆柱体的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，能够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，相邻电磁探头单体的永磁体磁极方向相反，相对于所有电磁探头单体都具有同样的磁极方向，激励线圈电路板区域的磁场强度更大，整个探头具有更高的换能效率。
进一步地，相邻电磁探头单体之间的夹角可在145°～180°之间调节，能够保证比较良好的检测效果，在电磁探头单体数量设置合理的情况下，能够适应绝大多数曲率的球面构件。
进一步地，支撑框架为金属定型软管，能够对电磁探头单体起到固定作用，并可以任意弯曲并确定方向。第一弹性连接体和第二弹性连接体采用高强弹性材质，用于电磁探头单体之间、以及电磁探头单体与支撑框架相互之间的连接。这两种弹性连接体可以在一定范围内伸缩，同时弹力比较大，这样可以保证所有的电磁探头单体在球面构件检测过程中能够自由移动，紧密贴合在构件的表面；同时，弹性连接体的弹力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为本发明的整体结构俯视示意图；
图3为本发明的探头单体的结构示意图；
图4为本发明的激励线圈电路板的结构示意图；
图5为本发明应用在实际球面构件检测中的工作状态图；
图6为本发明应用在管道构件检测中的工作状态图。
图中：1-永磁体、2-探头壳体、3-激励线圈电路板、31-基板、32-线圈、33-引出焊点、34-引出导线、4-电磁探头单体、5-支撑框架、6-第一弹性连接体、7-第二弹性连接体。
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和图2，为本发明的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，包括支撑框架5和若干电磁探头单体4；若干电磁探头单体4阵列排布在支撑框架5内，支撑框架5形状可调，相邻电磁探头单体4之间通过第一弹性连接体6连接，所述阵列边缘的电磁探头单体4通过第二弹性连接体7与支撑框架5连接；所有电磁探头单体4依次连接后连接至电磁超声检测系统。
如图3，电磁探头单体4包括永磁体1、探头壳体2和激励线圈电路板3，永磁体1设在探头壳体2内，激励线圈电路板3设在检测面上。
在本发明的一个较优的实施例中，探头壳体2为铝合金材质，可以采用3D打印制作，探头壳体2上开设有凹槽，激励线圈电路板3放置在凹槽内。
在本发明的一个较优的实施例中，永磁体1为圆柱体钕铁硼磁体，钕铁硼型号可以采用N35，最高工作温度80摄氏度。永磁体1表面设有镀锌层，永磁体1表面最大剩余磁通为1.2～1.5T。
在本发明的一个较优的实施例中，永磁体1的充磁方向为厚度方向。
如图4，在本发明的一个较优的实施例中，激励线圈电路板3包括基板31、线圈32、引出焊点33和引出导线34；线圈32优选铜质导线，螺旋设置在基板31上，线圈32两端分别通过基板31上的引出焊点33与引出导线34连接，引出导线34连接至电磁超声检测系统。为了减小提离距离，探头壳体2上放置线圈32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3和探头壳体2粘接在一起；每个激励线圈电路板3有两个导线引出焊点33，方便接入激励电流以及电磁探头单体4之间的电流通路连接。
在本发明的一个较优的实施例中，激励线圈电路板3产生的体波频率为0.5～2.5MHz。
在本发明的一个较优的实施例中，相邻电磁探头单体4内永磁体1的磁极方向相反。
在本发明的一个较优的实施例中，相邻电磁探头单体4之间的夹角可在145°～180°之间无级调节。
在本发明的一个较优的实施例中，支撑框架5为金属定型软管，第一弹性连接体6和第二弹性连接体7为高强弹性材质，可以在一定范围内伸缩，同时弹力比较大，如硅橡胶、聚乙烯、聚醚酯等。
本发明的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头在工作时：
首先将永磁体1、探头壳体2和激励线圈电路板3组装在一起，得到半柔性矩阵式电磁超声探头的电磁探头单体4；然后利用第一弹性连接体6和第二弹性连接体7将探头单体和支撑框架5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3的引出导线34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，第一个探头单体的接入导线和最后一个探头单体的输出导线作为整个半柔性矩阵式电磁超声探头的输入输出线。
如图5，对于半径为R1的球面构件的检测，将半柔性电磁超声探头放置在构件的球面上，调整支撑框架5、第一弹性连接体6和第二弹性连接体7，使每个探头单体都能紧贴待测构件表面。此时所有探头单体相对于球面构件表面的提离距离都是相同的，探头单体弧面和待测构件的球心所成的球心角为θ1，将整个探头的输入输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的球面构件的检测。
对于半径为R2的球面构件的检测，同样将半柔性矩阵式电磁超声探头放置在管道上，重新调整支撑框架5、第一弹性连接体6和第二弹性连接体7，使每个探头单体再次紧贴待测构件表面，此时探头单体弧面和待测构件的球心所成的球心角为θ2，重复上述检测过程，即可实现半径为R2的球面构件的检测。
这样当R1、R2和半柔性矩阵式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球面半径试件的检测。
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。
本发明对于球面构件有着比较大的检测优势，同时也适应于其他类型的非平面构件的检测，如图6所示。当进行管道类构件的检测的时候，半柔性矩阵式电磁超声探头只需要在沿管道的周向进行弯折，在管道的轴向不需要进行弯折。这样就可以沿管道轴向将半柔性矩阵式电磁超声探头分成一组新的“单体”，在检测中相互协同工作，实现更高精度的检测。
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 (7)

1.一种用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，包括支撑框架(5)和若干电磁探头单体(4)；若干电磁探头单体(4)阵列排布在支撑框架(5)内，支撑框架(5)形状可调，相邻电磁探头单体(4)之间通过第一弹性连接体(6)连接，所述阵列边缘的电磁探头单体(4)通过第二弹性连接体(7)与支撑框架(5)连接；所有电磁探头单体(4)均连接至电磁超声检测系统；电磁探头单体(4)包括永磁体(1)、探头壳体(2)和激励线圈电路板(3)，永磁体(1)设在探头壳体(2)内，激励线圈电路板(3)设在检测面上；探头壳体(2)为铝合金材质，探头壳体(2)上开设有凹槽，激励线圈电路板(3)放置在凹槽内；支撑框架(5)为金属定型软管，第一弹性连接体(6)和第二弹性连接体(7)为高强弹性材质。
2.根据权利要求1所述的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，永磁体(1)为圆柱体钕铁硼磁体，永磁体(1)表面设有镀锌层，永磁体(1)表面最大剩余磁通为1.2～1.5T。
3.根据权利要求1所述的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，永磁体(1)的充磁方向为厚度方向。
4.根据权利要求1所述的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，激励线圈电路板(3)包括基板(31)、线圈(32)、引出焊点(33)和引出导线(34)；线圈(32)螺旋设置在基板(31)上，线圈(32)两端分别通过基板(31)上的引出焊点(33)与引出导线(34)连接，引出导线(34)连接至电磁超声检测系统。
5.根据权利要求1所述的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，激励线圈电路板(3)产生的体波频率为0.5～2.5MHz。
6.根据权利要求1所述的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，相邻电磁探头单体(4)内永磁体(1)的磁极方向相反。
7.根据权利要求1所述的用于球面板材缺陷检测的半柔性阵列式电磁超声探头，其特征在于，相邻电磁探头单体(4)之间的夹角可在145°～180°之间无级调节。
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