CN115166030A - 一种超声横波换能器、探头、制作方法及在线检测系统 - Google Patents

一种超声横波换能器、探头、制作方法及在线检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声横波换能器、探头及在线检测系统。本发明的超声横波换能器采用椭圆柱体的电磁线圈，通过线圈产生的涡流场，同时在双磁体永磁铁提供的外磁场作用下，可以产生较纯的垂直入射水平偏振超声横波，用于在线车轮检测，能长期稳定检出在役列车货车车轮内部较大的辋裂缺陷，同时超声横波换能器整体结构轻便紧凑，方便维护更换。超声横波换能器制成的探头结合探伤仪对车轮内部进行测试，能够满足重载铁路货车车轮在线检测系统的实际工程应用，保障重载铁路货车车轮的安全可靠运行，其提离距离可增大到5mm，减小了对探头机械安装机构的要求。

Description

一种超声横波换能器、探头、制作方法及在线检测系统
技术领域
本发明涉及交通行业重载货车车轮的在线(在役)伤损检测领域，特别涉及一种超声横波换能器、探头、制作方法及在线检测系统。
背景技术
重载铁路货车是煤炭能源运输的主要装备，其走行部件车轮，可实现铁路货车的承载、走行与导向等重要功能，是关系铁路货车运行安全的关键部件。在线重载货车车轮轮辋缺陷检测系统可以在不拆卸轮对、保持铁路货车在线运行状态的情况下，对在役的铁路货车车轮轮辋实现超声波自动检测，及时发现埋藏在车轮轮辋内部的大面积辋裂缺陷，避免这些危害型缺陷发展成车轮掉块甚至崩轮，为我国能源的安全运输提供基础保障。由于货车通过在线检测系统时会产生粉尘和煤渣掉块，严重影响传统的压电超声换能器耦合水的喷注，为了适应这样的使用环境，需要一种非接触的超声波耦合方式对货车车轮进行在线检测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，本发明旨在提供一种超声横波换能器、探头、制作方法及在线检测系统，用于解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的上述技术目的将通过以下所述的技术方案予以实现。
一种超声横波换能器，所述超声横波换能器包括：第一磁体、第二磁体和线圈，
其中,所述第一磁体和第二磁体平行设置且极性相反，用于产生垂直静磁场；
所述第一磁体和第二磁体的上方设置有所述线圈，所述线圈用于产生涡流，所述涡流和所述垂直静磁场在洛伦兹力机理下产生所述超声横波；
所述线圈的两端引出有正极引线和负极引线，用于连接外部激励电流；
所述第一磁体和第二磁体的上方与所述线圈之间还设置有铁粉包层，用于保护线圈。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线圈周边还设置有屏蔽层，用于阻止在屏蔽位置处所述线圈产生的所述涡流。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线圈为椭圆柱体形状，所述椭圆柱体的长度为1-80mm，宽度为1-60mm，高度为0.1-5mm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线圈由铜漆包线缠绕形成，所述铜漆包线的直径为0.01-0.1mm，缠绕圈数为20-200圈。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一磁体和第二磁体的上方与所述铁粉包层之间、所述铁粉包层和所述线圈之间均采用树脂胶进行粘接。
本发明还提供了一种超声横波探头，所述探头包括底面板、壳体和本发明所述的超声横波换能器，
其中所述底面板粘接所述超声横波换能器；
所述壳体密封套设在所述底面板上，所述超声横波换能器位于所述壳体与底面板形成的空腔中。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，还包括设置在所述壳体上的接插件，所述接插件连接所述超声横波换能器的正极引线和负极引线。
本发明还提供了一种制作超声横波探头的方法，包括如下步骤：S1.在底面板上粘接双面胶的其中一面，然后双面胶的另外一面粘接带有屏蔽层的线圈的顶面，带有屏蔽层的线圈的底面粘接粘接第一磁体和第二磁体的顶面，即所述底面板、带有屏蔽层的线圈、第一和第二磁体形成装配体；
S2.将所述壳体套在所述装配体上，且壳体的底边与所述底面板的周边密封粘合；
S3.将接插件安置该壳体的其中一面上开设的孔槽中，将正极引线和负极引线焊接在所述接插件上。
本发明还提供了一种在线检测系统，所述系统包括探伤仪、轨道和至少一个所述的超声横波探头，至少一个所述超声横波探头设置在轨道上，所述超声横波探头与所述探伤仪通过探头线连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述探伤仪包括多个通道，每个所述超声横波探头均连接其中一个通道。
本发明的有益技术效果
本发明提供的实施例，超声横波换能器采用椭圆柱体的电磁线圈，通过薄铜箔屏蔽部分换能线圈的涡流场，在双磁体永磁铁提供的外磁场作用下，可以产生较纯的垂直入射水平偏振超声横波，用于在线车轮检测，能长期稳定检出在役列车货车车轮内部较大的辋裂缺陷，同时超声横波换能器整体结构轻便紧凑，方便维护更换。结合探伤仪对车轮内部进行测试，超声横波换能器制成的探头能够满足重载铁路货车车轮在线检测系统的实际工程应用，保障重载铁路货车车轮的安全可靠运行，其提离距离可增大到5mm，减小了对探头机械安装机构的要求。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明的实施例中的超声横波换能器的结构示意图；
图2为本发明的实施例中的超声横波探头的结构示意图；
图3为本发明的实施例中的在线检测系统的结构示意图；
图4为本发明的实施例中的超声横波探头组安装在钢轨上的局部示意图；
图5为本发明的实施例中的在线检测系统整体布置现场示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明的超声横波换能器，所述换能器包括：第一磁体1、第二磁体4、屏蔽层7、铁粉包层5和线圈6，
其中,所述第一磁体1和第二磁体4并列设置；
所述第一磁体1和第二磁体4的上方设置有所述铁粉包层5；
所述铁粉包层5上设置有所述线圈6，所述线圈6的周边设置有所述屏蔽层7；所述线圈的两端引出有正极引线2和负极引线3。
具体地，本发明中的超声横波换能器中的线圈6即能发射超声波，也能接收超声波，脉冲电流作为激励信号通过正极引线2和负极引线3施加到该线圈后，该电磁超声换能器在待测车轮中产生水平偏振超声横波，该超声波在车轮中传播，又被同一线圈接收，形成脉冲回波信号，线圈6采用铜漆包线在椭圆形的框架上进行缠绕，形成椭圆柱体，用特制绕线机绕制实现，在车轮中产生涡流的有效区域为椭圆柱体的长边形成的圆形区，线圈6的周边用薄铜箔7进行屏蔽，即除了线圈6的发射有效区域以外，在椭圆柱体的线圈6的周围需要用薄铜箔7作屏蔽。在测量时，薄铜箔7置于被检车轮上，阻止在薄铜箔7的所在屏蔽位置处的车轮表面产生涡流，只有未屏蔽的区域可以产生涡流，即线圈6缠绕的框架所在区域，即在椭圆柱体的线圈6上形成表面力源。第一磁体1和第二磁体4位于椭圆柱体的线圈6，为两个半圆柱形永磁铁，磁极方向相反，且粘合在一起。第一磁体1和第二磁体4形成双磁体永磁铁，其中的磁极近似垂直磁场，作为外偏置磁场，配合设置有铜箔7屏蔽的椭圆柱体线圈6，这种双磁体永磁铁形成的磁场和椭圆柱体的线圈6产生的涡流的分布使得在各向同性均匀钢介质表面产生水平剪切力，形成了水平偏振的横波声场。用双磁体永磁铁产生垂直静磁场，其中的磁极覆盖椭圆柱体线圈6上，在被检测的车轮的钢介质表面形成非均匀外磁场，使得产生的水平偏振的横波纯度比较高。垂直静磁场和涡流的相互作用产生剪切力源，从而该椭圆柱体线圈6和双磁体永磁铁的配置通过洛伦兹力机理产生了非均匀的水平剪切应力，能够产生较纯的水平偏振横波。缠绕线圈所用的铜漆包线，由于铜漆包线的直径决定了换能器的外形大小和通过电流的能力，因此，结合铜漆包线的直径为0.01-0.1mm，优选0.05mm。本发明中，被检测对象为车轮，车轮的尺寸为40mm*40mm，要检测该范围内的平底缺陷，因此，椭圆柱体的长度选择为1-80mm，宽度选择为1-60mm，高度选择为0.1-5mm。优选地，椭圆柱体的宽和长约20mm和60mm，高度3mm。换能器的电感大小和线圈的圈数相关，圈数大小会实现电信号的阻抗匹配，换能器效果好，灵敏度高，幅值高等优点，改变线圈6的圈数会影响信号的大小和质量，因此，线圈的缠绕匝数20-200圈，优选100圈。钕铁硼强磁铁磁铁磁性强，用来增强外磁场，使提离距离增大，增强现场适用性，减小外界对探头的电磁干扰，因此，第一磁体1和第二磁体4采用钕铁硼强磁铁。所述第一磁体1和第二磁体4的上方与铁粉包层5之间、所述铁粉包层5和所述线圈6之间均采用环氧类树脂胶进行粘接，铁粉包层5用来增强外磁场，使提离距离增大，同时能起到保护超声横波换能器线圈的作用，线圈6由一根连续的铜漆包线组成，包括两个抽头，在线圈最里侧的起点抽头处引出负极引线2，在线圈最外侧的终点抽头处引出正极引线3，用于连接激励信号源。
优选地，如图2所示，本发明还提供了一种超声横波探头，包括壳体、接插件和本发明所述的超声横波换能器，其中所述壳体套设在所述超声横波换能器上；所述接插件设置在所述壳体上；所述超声横波换能器的正极引线2和负极引线3连接所述接插件9。接插件9与壳体的连接部分设置有螺纹孔，接插件9和壳体采用螺纹拧紧，或者直接采用探头线与正极和负极引线相连接，用于引入脉冲电流给换能器，同时换能器将测量的信号传输给探头线连接的探伤仪。接插件9采用Lemon接插件，其外接探头线，探头线与探伤仪器连接，这样探伤仪即可以给换能器发送激励电流也可以接收换能器发出的信号，并在探伤仪的软件界面显示波形。本发明还提供了一种超声横波探头的装配方法，包括如下步骤：首先准备一个干净的平面板作为底面板，在平面板上粘接双面胶，双面胶的一面与所述平面板粘接，然后将带有铜箔的线圈的顶面粘接在双面胶的另外一面，接下来在带有铜箔的线圈的底面粘接铁粉包层5的顶面，在铁粉包层5的底面粘接第一磁铁1和第二磁铁4上方的顶面，形成装配体，再将壳体套在装配体上，且壳体的底边与所述平面板的周边密封粘合；壳体上与平面板相对的一面上开设有孔槽，接插件9安置在该孔槽中，壳体上还设置有螺纹孔，接插件9嵌入孔槽内，采用螺纹通过螺纹孔拧紧，将正负极引线2和3在壳体内焊接在接插件9上。接插件9采用Lemon接插件接头，在壳体外部与探头线相连接，探头线与探伤仪器相连接，这样探伤仪器即可以给电磁超声探头发送激励电流也可以接收信号，并在探伤仪器软件界面显示波形，本发明的壳体采用铝壳8，并将机加工好的铝壳8按照合适的间距套在装配体的上面，铝壳8的周围采用环氧树脂胶与平面板的四周进行粘接。将铝壳8、磁铁1和4以及线圈6和薄铜箔7粘接并进行24小时粘接胶固化，等固化完成之后将正负极引线2和3焊接在Lemon接插件上面，就构成一个单电磁超声横波探头，并接电磁超声探伤仪测试超声回波性能，保证后续研制的总计200个电磁超声横波探头声学性能的一致性。
优选地，如图3所示，本发明还提供了一种在线检测系统，包括探伤仪、轨道和本发明所述的超声横波探头，所述超声横波探头设置在轨道上，所述超声横波探头与所述探伤仪通过信号线12连接，探伤仪选用电磁超声探伤仪，信号线12采用同轴电缆信号线。图3所示为单个电磁超声横波探头外接电磁超声探伤仪后在线检测重载铁路货车车轮的情况，首先将超声横波探头14布置在钢轨11上，当车轮10轧过超声横波探头14的正上方时，超声横波探头14产生水平偏振横波，水平偏振横波在货车的车轮中传播，遇到轮辋缺陷后会反射横波回超声横波探头14，超声横波探头14将反射的横波信号通过信号线12发送给电磁超声探伤仪13，电磁超声探伤仪13接收并处理该横波信号，生成判别轮辋缺陷有无的超声回波脉冲信号和检测图像。
本发明中重载铁路货车在线超声检测系统在轨行区布置有多个超声横波探头，对车轮内部的辋裂缺陷进行检测。在线检测系统将超声横波探头的间距设定为10-100mm，优选40mm，保证在线检测系统可有效检出大于和等于40mm*40mm的整体型辋裂缺陷，同时能够减少因为提离距离不稳定导致的信号中干扰波形的影响，保证给出准确的辋裂缺陷检测结果。被检测货车车轮通过检测后，在线检测系统给出超标缺陷数据的检测结果。本发明所设计的用于重载铁路货车车轮检测的在线检测系统，在保证无人值守的前提下，解决了相比于传统压电超声探头耦合困难的难题，在正确安装超声横波探头到钢轨被监测区域表面后，能长期稳定检出在役的货车车轮内辋裂缺陷发展情况，具有很强的使用价值。
实施例1：如图4所示为，200个超声横波探头14采用设计好的机械夹具以阵列方式排布固定在车辆检修入库咽喉口位置的轨道的支撑轨15和护轮轨16中间，采用具有200个通道收发的电磁超声多通道探伤仪，在车辆在线低速通过(小于15km/h)后，能保证准确激发接收车轮经过处的超声横波探头14，通过200个超声横波探头阵列实现对整个车轮的声场全覆盖，防止漏检，保证电磁超声对车轮内部辋裂缺陷的检测效果。
实施例2：图5所示为在线检测系统整体现场布置情况。在设备安装前要确认列车进库的方向，确认好方向有助于方便后续探伤设备的安装。将车号仪天线18安装在列车进库之前，距离超声横波探头4米左右，根据现场的实际安装要求和现场情况，将车号仪天线18在现场接线槽里面引线来接车号仪21，车号仪天线18用来接收每节车厢的车轮信息，并在设备软件上与探伤车轮相匹配，这样能更加准确的判断车轮的缺陷信息。在车号仪21前面安装磁钢17，通过磁钢17判读车辆是入库还是出库，同时通过触发进车磁钢17进行软件和设备的启动，工作原理是当车轮的轮圆触发到磁钢的作用距离，磁钢会发一个高电平，使得工控机里面的采集卡接收到，发送命令使得设备和软件开始启动，开启工作模式，避免设备的长时间工作导致数据大等问题，保证设备的流畅性。接下来在超声横波探头14与支撑轨15之间布置接近开关24，以20个超声横波探头为节点布置1个接近开关24，主要作用是通过计速来触发各个超声横波探头，使得各个超声横波探头14与车轮经过时匹配到最佳点，保证电磁超声探伤仪13能补捉到最佳的探头入射点，使得检出缺陷的能力达到做好。每个超声横波探头引出线12’，图3中是单探头引出探头线12和200个探头引出线都是一样的，都是每个探头引出的。并采用多芯线接给电磁超声探伤仪13，本发明采用200个超声横波探头接入4台电磁超声探伤仪13，每台电磁超声探伤仪13连接50个通道的超声横波探头，电磁超声探伤仪13布置在距离支撑轨15的1.5-2.5米的地方，根据现场条件来定。电磁超声探伤仪13磁超声检测仪器13通过交换机做中介，使用网线26与工控机19连接，工控机19接收到电磁超声探伤仪13发送的数据。在超声横波探头组中间位置装有红外对射传感器23和25共两对，用来观察车辆的停车情况，由软件进行实时判读，2对红外对射传感器23和25距离要大于每节车厢的间距，当车轮经过布置有超声横波探头的区域后，在后面接有离车磁钢22，离车磁钢接线通过最早施工架设的地沟，将连接线接至工控机19。200个探头接电磁超声探伤仪13，电磁超声探伤仪13采用多通道方式，之后通过网线26接到工控机19。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声横波换能器，其特征在于，所述超声横波换能器包括：第一磁体、第二磁体和线圈，
其中,所述第一磁体和第二磁体平行设置且极性相反，用于产生垂直静磁场；
所述第一磁体和第二磁体的上方设置有所述线圈，所述线圈用于产生涡流，所述涡流和所述垂直静磁场在洛伦兹力机理下产生所述超声横波；
所述线圈的两端引出有正极引线和负极引线，用于连接外部激励电流；
所述第一磁体和第二磁体的上方与所述线圈之间还设置有铁粉包层，用于保护线圈。
2.根据权利要求1所述的超声横波换能器，其特征在于，所述线圈周边还设置有屏蔽层，用于阻止在屏蔽位置处所述线圈产生的所述涡流。
3.根据权利要求1所述的超声横波换能器，其特征在于，所述线圈为椭圆柱体形状，所述椭圆柱体的长度为1-80mm，宽度为1-60mm，高度为0.1-5mm。
4.根据权利要求1所述的超声横波换能器，其特征在于，所述线圈由铜漆包线缠绕形成，所述铜漆包线的直径为0.01-0.1mm，缠绕圈数为20-200圈。
5.根据权利要求2所述的超声横波换能器，其特征在于，所述第一磁体和第二磁体的上方与所述铁粉包层之间、所述铁粉包层和所述线圈之间均采用树脂胶进行粘接。
6.一种超声横波探头，其特征在于，所述探头包括底面板、壳体和权利要求1-5任一项所述的超声横波换能器，
其中所述底面板粘接所述超声横波换能器；
所述壳体密封套设在所述底面板上，所述超声横波换能器位于所述壳体与底面板形成的空腔中。
7.根据权利要求6所述的超声横波探头，其特征在于，还包括设置在所述壳体上的接插件，所述接插件连接所述超声横波换能器的正极引线和负极引线。
8.一种制作权利要求6-7任一项所述的超声横波探头的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.在底面板上粘接双面胶的其中一面，然后双面胶的另外一面粘接带有屏蔽层的线圈的顶面，带有屏蔽层的线圈的底面粘接第一磁体和第二磁体的顶面，即所述底面板、带有屏蔽层的线圈、第一和第二磁体形成装配体；
S2.将所述壳体套在所述装配体上，且壳体的底边与所述底面板的周边密封粘合；
S3.将接插件安置该壳体的其中一面上开设的孔槽中，将正极引线和负极引线焊接在所述接插件上。
9.一种在线检测系统，其特征在于，所述系统包括探伤仪、轨道和至少一个权利要求6-7任一项所述的超声横波探头，至少一个所述超声横波探头设置在轨道上，所述超声横波探头与所述探伤仪通过探头线连接。
10.根据权利要求9所述的在线检测系统，其特征在于，所述探伤仪包括多个通道，每个所述超声横波探头均连接其中一个通道。
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