CN115389621A - 管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法，该系统包括设于被测试管道一端的若干组脉冲电磁铁和激励线圈；脉冲电磁铁能够产生沿被测试管道径向方向的瞬时静态磁场；激励线圈通过模具沿被测试管道内壁放置，通电后电流经过激励线圈，在被测试管道的趋肤深度内表面感生交变涡流场，同时在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而在被测试管道内传播并激励出扭转模态导波；扭转模态导波在遇到管壁缺陷后发生反射，反射回波经过激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察感应电压随时间的变化判断被测试管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
Description
技术领域
本发明属于管道超声导波无损检测技术领域，更具体地，涉及一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法。
背景技术
热交换器广泛存在于化工厂和核电站等大型工厂。热交换器管束长期工作在恶劣环境中，极易产生各种类型的腐蚀与缺陷，进而产生泄漏。尤其对于某些关键热交换器，如核电站的蒸发器，一旦发生泄漏，便可能造成核污染。因此，对于此种关键换热器细长管路管束的结构健康检测是非常有必要的。但由于换热器管路没有探出热交换器外，且热交换器处于高温高辐射环境中，检测人员难以进入，然而，对于热交换器细长管路的检测，目前主要使用涡流检测方法，涡流探伤灵敏度高，但需点对点经行检测，效率低且安装困难。
另外，用于管道检测的超声导波换能器主要有压电式换能器和电磁式超声换能器；压电式换能器一般需要耦合剂，且材料价格一般比较贵，加工起来相对复杂，而利用试件本身的磁致伸缩效应一般性能较弱，并且很难激励出扭转模态的导波；另外，现有的管道检测换能器技术领域虽有通过阵列式周期性永磁铁(periodic permanent magnet,PPM)的管内电磁声式传感器，成功激发出T(0,2)的周向扭转导波模态，并使用周期性永磁铁增强管内EMAT的转换效率；但永磁铁有体积大、剩余磁通密度一定、且形状单一等问题，不利于细长管道的检测与传感器的安装，在工程应用上存在一定困难。
因此，急需一种能够适用于如换热器管束等非铁磁性细长管道，且结构简单、体积小、安装简易的、可对细长管路进行全管路无损探伤的电磁声式扭转模态检测设备。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及测试方法，通过将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；通过信号发生器发出正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，能够使所述被测试管道1内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力；依据洛伦兹力原理，被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，从而在管道中激发出扭转模态导波；该扭转模态导波沿着管道轴线方向传播并在遇到缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察该感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估；本发明能够对细长管路进行全管路无损探伤，具有非接触、对管道表面要求低、检测效率高的优点；本发明采用管内激发并使用扭转模态导波，避免了换热器管路不外露、人力不易靠近、管内有液体负载所带来的检测问题。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，包括设于被测试管道一端的若干组脉冲电磁铁和激励线圈、与所述激励线圈通信连接的功率放大器和信号预处理装置、与所述功率放大器相连的信号发生器以及与所述信号预处理装置通信相连的信号接收器；其中，
所述脉冲电磁铁通过特制模具绕制而成，能够产生沿所述被测试管道径向方向的瞬时静态磁场；所述激励线圈为跑道型，通过模具沿被测试管道内壁放置，其与所述被测试管道内壁的提离距离为0.3mm；所述脉冲电磁铁采用阵列式周期性设置；每组所述脉冲电磁铁的脉冲线圈缠绕在被测试管道内部对应四个径向方向上，其相邻两组所述脉冲电磁铁的脉冲线圈的夹角为90度，在周向能够形成四个相互垂直方向的静态磁场；通过所述信号发生器发出周期正弦信号，经所述功率放大器放大并送至所述激励线圈，在所述被测试管道的趋肤深度内表面感生交变涡流场，同时在所述脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使所述被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而使所述被测试管道内能够产生沿切向的剪切力，并在所述被测试管道内传播，进而激励出扭转模态导波；所述扭转模态导波沿着所述被测试管道的轴线方向传播并在遇到管壁缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察所述感应电压随时间的变化判断所述被测试管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
进一步地，所述扭转模态导波的激发还包括，激励线圈中因回波导致的感应电流变化导波信号流入所述信号预处理装置中再输入到所述信号接收器中进行信号的后处理和模态提取工作。
进一步地，所述激励线圈包括直线部分和弧形部分，所述直线部分沿着所述被测试管道的轴向布置并与所述脉冲电磁铁的磁场方向相垂直。
进一步地，所述脉冲电磁铁在被测试管道轴向形成一个周期性的交替磁场，并根据所选择的激励频率与其频散曲线计算得到的半波长进行交替放置。
进一步地，所述脉冲电磁铁的阵列数与被测试管道的圆周尺寸有关，对于不同尺寸的管道其阵列数和尺寸不同；且被测试管道的圆周尺寸的变化会引起每个阵列尺寸的变化、所述激励线圈的个数和尺寸的变化。
进一步地，在被测试管道轴向方向排列的脉冲电磁铁的个数确定的情况下，由于被测试管道的同一轴向方向每个相反磁场方向的所述脉冲电磁铁的间隔距离为
λ为波长；通过改变脉冲电磁铁内电流流向，改变两个不同磁场方向脉冲电磁铁的间隔距离。
进一步地，所述被测试管道在不同频率下的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线以及各模态导波的结构根据被测试管道的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量参数，采用半解析有限元计算得到。
本发明的另一个方面提供一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统测试方法，包括如下步骤：
S1：将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；
S2：将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；
S3：信号发生器发出周期正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使所述被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而使被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，进而激发出超声导波；
S4：超声导波激发后，激励线圈作为接收线圈，超声导波的回波将在接收线圈中产生感应电流并被信号接收器接收，获得超声导波的周向位移信号时域图，通过计算相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离，获得超声导波波包群速度；
S5：根据被测试管道的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量，采用半解析有限元计算得到该被测试管道在不同频率下的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线；
S6：将步骤S4获得的相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离以及超声导波包群速度与步骤S5获得的导波群速度频散曲线对比，获得超声导波的扭转模态；
S7：扭转模态导波沿着被测试管道轴线方向传播并在遇到缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察该感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，使用扭转模态超声导波，超声导波检测技术是目前新型的无损检测手段，超声导波仅需单点激发，并可沿轴向传播，传播损耗低、传播距离原，因此对于换热器管路而言仅需在管子一段端激发，便可检测整根管子，检测效率高；本发明的扭转模态超声导波为周向位移导波，其在对管道纵向裂纹的检测上相对其他模态的导波具有更高灵敏度，且扭转波对管内液体和管外负载不敏感，更适用于换热器管路的缺陷检测。
(2)本发明的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，采用电磁超声式换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)，电磁式超声换能器不需要通过耦合剂与管道产生物理约束，而是利用电磁感应原理，在靠近被测金属表面线圈中通高频电流，由于趋肤效应，在被测金属中感生相同频率的涡流场，感生涡流场在外加磁场的作用下，产生相同频率的洛伦兹力，作用于金属晶格上，使其产生周期性振动，从而激发超声导波；电磁式超声换能器对被测物体表面要求不高，且可对高温物体和表面有涂层的物体直接检测；EMAT借助于电磁场中的被测试件作为发送和接受声波的介质，所以不需要油、水等之类的耦合剂，且不存在接触压力变化的问题，探伤灵敏度稳定；可见，相比于传统的压电式换能器，电磁超声式换能器具有非接触、对管道表面要求低、检测效率高的优点；本发明采用管内激发并使用扭转模态导波，避免了换热器管路不外露、人力不易靠近、管内有液体负载所带来的检测问题。
(3)本发明的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，相比于其他电磁声式导波换能器，本发明可以在同一管道中激发两种频率的T(0,m)扭转模态导波，且其频率为两倍关系，且结构简单、安装方便、成本较低；由于使用长脉冲电磁铁代替传统永磁铁，更易调节静磁场强度，进而更好地与动磁场匹配，使换能器的激发效率高且不易烧毁；另外，由于本发明为管内安装且不需要耦合剂与管道连接，适用于检测人力不可抵达区域的各管路管系。
(4)本发明的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，采用基于电磁声式换能器，使用阵列式周期性脉冲电磁铁代替传统EMAT换能器中永磁铁；脉冲电磁铁具有更大的电流振幅，能提供比传统永磁铁和直流电磁铁磁通密度更高的磁场，且能耗低，避免了普通直流电磁铁易过热的问题。
附图说明
图1为本发明实施例管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统的三维结构示意图；
图3为本发明实施例管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统的脉冲电磁铁的排布结构示意图；
图4为本发明实施例管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统的激励线圈的结构示意图；
图5为本发明实施例管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统的激励线圈在管道内的布置结构示意图；
图6为本发明实施例的管道相速度频散曲线示意图；
图7为本发明实施例的管道群速度频散曲线示意图；
图8为本发明实施例的导波信号接收器接收的周向位移信号时域示意图；
图9为本发明实施例管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统测试方法的流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-被测试管道、2-脉冲电磁铁、3-激励线圈、4-功率放大器、5-信号发生器、6-信号预处理装置、7-信号接收器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图8所示，本发明提供管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，包括设于被测试管道1一端的若干组脉冲电磁铁2和激励线圈3、与所述激励线圈3通信连接的功率放大器4和信号预处理装置6、与所述功率放大器4相连的信号发生器5以及与所述信号预处理装置6通信相连的信号接收器7；本发明通过所述信号发生器5连接功率放大器4将正弦交流信号输入激励线圈3中；激励线圈3中因回波导致的感应电流经导线流入信号预处理装置6中再输入到信号接收器7；本发明的电磁声式扭转模态导波换能器同时作为信号采集装置，通过回波引起的线圈感应电流的变化，收集导波信号，并传到信号接收器7中进行信号的后处理和模态提取工作；通过观察感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估；本发明可以在同一管道中激发两种频率的T(0,m)扭转模态导波，且其频率为两倍关系，且结构简单、安装方便、成本较低；其在对管道纵向裂纹的检测上相对其他模态的导波具有更高灵敏度，且扭转波对管内液体和管外负载不敏感，与现有技术的纵波相比更适用于换热器管路的缺陷检测；本发明具有非接触、对管道表面要求低、检测效率高的优点；本发明采用管内激发并使用扭转模态导波，避免了换热器管路不外露、人力不易靠近、管内有液体负载所带来的检测问题。
进一步地，如图1-图8所示，所述脉冲电磁铁2通过特制模具绕制而成，能够产生沿所述被测试管道1径向方向的瞬时静态磁场；所述激励线圈3为跑道型，包括直线部分和弧形部分；所述激励线圈3的直线部分沿被测试管道1的轴向放置并与被测试管道1内壁相靠近，通以交流电后，在交变电流的作用下，由于趋肤效应，能够在所述被测试管道1的趋肤深度内表面感生交变涡流场；被测试管道1内的感生交变涡流场在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，能够使所述被测试管道1内产生沿被测试管道1切向的洛伦兹力；依据洛伦兹力原理，所述被测试管道1内能够产生沿切向的剪切力，且这一切向剪切应力在被测试管道1内传播，从而在被测试管道1中激励出扭转模态导波；该扭转模态导波沿着管道轴线方向传播并在遇到缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察该感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
进一步地，如图1-图8所示，所述脉冲电磁铁2采用阵列式周期性设置；所述脉冲电磁铁2的阵列数与被测试管道1的圆周尺寸有关，对于不同尺寸的管道其阵列数和尺寸不同；且被测试管道1的圆周尺寸的变化会引起每个阵列尺寸的变化、所述激励线圈3的个数和尺寸的变化；在被测试管道1轴向方向排列的脉冲电磁铁2的个数确定的情况下，由于同一轴向方向每个相反磁场方向的脉冲电磁铁的间隔为
通过改变脉冲电磁铁内电流流向，改变两个不同磁场方向脉冲电磁铁的间隔距离，本发明的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统可以在同一管道中激发两种频率的T(0,m)扭转模态导波，且其频率为两倍关系。
进一步地，如图1-图5所示，本实施例中，所述被测试管道1的外径为20mm,壁厚2mm,长度0.5m；20mm外径的被测换热器管路能够放置四组脉冲电磁铁2和两组激励线圈3；每组所述脉冲电磁铁2的脉冲线圈缠绕在被测试管道1内部对应四个径向方向上，其相邻两组所述脉冲电磁铁2的脉冲线圈的夹角为90度，在周向能够形成四个相互垂直方向的静态磁场；两组激励线圈3通过模具沿被测试管道1内壁放置，其提离距离为0.3mm，不与管道内壁贴合，且两组激励线圈3的四个直线部分沿着管道轴向并与脉冲电磁铁2的磁场方向相垂直；由于所述激励线圈3具有两个相反方向的电流，则每个所述激励线圈3的两个直线部分上对应的脉冲电磁铁2产生的顺时静态磁场方向也相反；所述脉冲电磁铁2的磁场方向与被测试管道1内壁感生交变涡流场的电流方向相匹配，进而保证周向的洛伦兹力为同一方向，使被测试管道1内产生同一圆周方向的切向应力，增强圆周震动并产生沿管道传播扭转波。
进一步地，根据麦克斯韦方程，电磁声式换能器(Electromagnetic AcousticTransducer，EMAT)的洛伦兹力通过式(1)～式(6)计算：
Bd＝μmHd (2)
Je＝γEE (4)
fL＝Je×(Bd+Bs) (5)
FL＝∫∫∫VfLdV (6)
其中，
是梯度算子；Hd是激励线圈的动态磁场强度，J0是激励电流密度，Bd是脉冲电磁铁的动态磁通密度；μm是被测试管道的相对磁导率，EE是感生涡流场的电场强度，γ是被测试管道的电导率，Je是涡流密度，Bs是脉冲电磁铁的静态磁通密度，fL是单位体积的洛仑磁力，FL是洛伦兹力。
根据公式(5)，洛伦兹力是由磁场和涡流场决定的；当激励电流不高时，脉冲电磁铁的动态磁场要比静态磁场弱的多；因此公式(5)还可以表示为：
fL＝Je×Bs (7)
由上可知，通过控制脉冲电磁铁静态磁场与激励线圈激励电流的方向，可以在被测试管道中激发出特定方向上的洛伦兹力FL；根据公式(1)～(4)与(7)可知洛伦兹力FL的激励频率由激励电流密度J0决定；
对于激发扭转模态导波的周期性脉冲电磁铁，径向磁场与轴向电流被设计放置在被测试管道内部并激发出一个沿被测试管道切向的洛伦兹力从而激发扭转波；周期性脉冲电磁铁在轴向提供了一个周期性的交替磁化效果并根据所选择的激励频率与其频散曲线计算得到的半波长进行交替放置，起到增幅其周向震动的作用。
进一步地，如图1-图8所示，将带有4个周期性脉冲电磁铁阵列的电磁声式扭转模态导波换能器安装在距离被测试管道1的左端；本实施例中被测试管道1的外径为20mm，长度为0.5m，壁厚为2mm；信号发生器5连接功率放大器4将正弦交流信号输入激励线圈3中；激励线圈3中因回波导致的感应电流经导线流入信号预处理装置6中再输入到信号接收器7；本发明的电磁声式扭转模态导波换能器同时作为信号采集装置，通过回波引起的线圈感应电流的变化，收集导波信号，并传到信号接收器7中进行信号的后处理和模态提取工作；根据被测试管道1的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量等参数，采用半解析有限元计算得到该被测试管道1的导波群速度频散曲线(如图7所示)、相速度频散曲线(如图6所示)以及各模态导波的结构；其中L(0，1)、L(0，2)为纵向导波，T(0，1)为周向扭转波，F(1，1)、F(1，2)为非轴对称弯曲波；实施例最终选择的激发频率为80kHz，其相应的目标扭转模态为T(0，1)其频散曲线如图7和图6中标识所示其理论群速度为3194m/s；
如图9所示，本发明的另一个方面提供一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能方法，包括如下步骤：
S1：将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；
S2：将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；
S3：信号发生器发出经汉宁窗调制的5周期正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，能够使所述被测试管道1内产生沿被测试管道1切向的洛伦兹力；依据洛伦兹力原理，被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，进而激发出超声导波；
S4：超声导波激发后，激励线圈3作为接收线圈，超声导波的回波将在接收线圈中产生感应电流并被信号接收器接收，获得超声导波的周向位移信号时域图，通过计算相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离，获得超声导波波包的群速度；具体地，信号接收器接收步骤S2获得的超声导波信号，获得超声导波的周向位移信号时域图(如图8所示)，计算相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离以及超声导波包群速度；其中，本实施例中相邻两个信号回波之间的时间间隔Δt＝0.32[ms]；导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离Δs＝1000[mm]；超声导波包群速度cg＝3125[m/s]；
S5：根据被测试管道的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量，采用半解析有限元计算得到该被测试管道在不同频率下的导波群速度频散曲线(如图7所示)、相速度频散曲线(如图6所示)；其中L(0,1)、L(0,2)为纵向导波，T(0,1)为周向扭转波，F(1,1)、F(1,2)为非轴对称弯曲波；
S6：将步骤S4获得的相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离以及超声导波包群速度与步骤S5获得的导波群速度频散曲线对比，获得超声导波的扭转模态，即扭转模态导波；本发明的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统所激发的导波为周向轴对称扭转波T(0,1)；若实验所测导波群速度与群速度频散曲线图中相应频率下的群速度相同，则本发明可激发纯净扭转波T(0,1)；
S7：扭转模态导波沿着被测试管道轴线方向传播并在遇到缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察该感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
本发明提供的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统及方法的工作原理：将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；通过信号发生器发出正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，能够使所述被测试管道1内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力；依据洛伦兹力原理，被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，从而在管道中激发出扭转模态导波；相比于其他电磁声式导波换能器，本发明可以在被测试管道1中激发扭转模态导波，且结构简单、安装方便、成本较低；由于使用长脉冲电磁铁代替传统永磁铁，更易调节静磁场强度，进而更好地与动磁场匹配，使换能器的激发效率高且不易烧毁；另外，由于本发明为管内安装且使用激励线圈使管道内产生沿管道轴向方向的交变涡流场，且线圈与管道无需耦合剂，安装简易，适用于检测人力不可抵达区域的各管路管系。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：包括设于被测试管道(1)一端的若干组脉冲电磁铁(2)和激励线圈(3)、与所述激励线圈(3)通信连接的功率放大器(4)和信号预处理装置(6)、与所述功率放大器(4)相连的信号发生器(5)以及与所述信号预处理装置(6)通信相连的信号接收器(7)；其中，
所述脉冲电磁铁(2)通过特制模具绕制而成，能够产生沿所述被测试管道(1)径向方向的瞬时静态磁场；所述激励线圈(3)为跑道型，通过模具沿被测试管道(1)内壁放置，其与所述被测试管道(1)内壁的提离距离为0.3mm；所述脉冲电磁铁(2)采用阵列式周期性设置；每组所述脉冲电磁铁(2)的脉冲线圈缠绕在被测试管道(1)内部对应四个径向方向上，其相邻两组所述脉冲电磁铁(2)的脉冲线圈的夹角为90度，在周向能够形成四个相互垂直方向的静态磁场；通过所述信号发生器(5)发出周期正弦信号，经所述功率放大器(4)放大并送至所述激励线圈(3)，在所述被测试管道(1)的趋肤深度内表面感生交变涡流场，同时在所述脉冲电磁铁(2)的静态磁场作用下，使所述被测试管道(1)内产生沿被测试管道(1)切向的洛伦兹力，进而使所述被测试管道(1)内能够产生沿切向的剪切力，并在所述被测试管道(1)内传播，进而激励出扭转模态导波；所述扭转模态导波沿着所述被测试管道(1)的轴线方向传播并在遇到管壁缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈(3)时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察所述感应电压随时间的变化判断所述被测试管道(1)中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
2.根据权利要求1所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述扭转模态导波的激发还包括，激励线圈(3)中因回波导致的感应电流变化导波信号流入所述信号预处理装置(6)中再输入到所述信号接收器(7)中进行信号的后处理和模态提取工作。
3.根据权利要求2所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述激励线圈(3)包括直线部分和弧形部分，所述直线部分沿着所述被测试管道(1)的轴向布置并与所述脉冲电磁铁(2)的磁场方向相垂直。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述脉冲电磁铁(2)在被测试管道(1)轴向形成一个周期性的交替磁场，并根据所选择的激励频率与其频散曲线计算得到的半波长进行交替放置。
5.根据权利要求4所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述脉冲电磁铁(2)的阵列数与被测试管道(1)的圆周尺寸有关，对于不同尺寸的管道其阵列数和尺寸不同；且被测试管道(1)的圆周尺寸的变化会引起每个阵列尺寸的变化、所述激励线圈(3)的个数和尺寸的变化。
6.根据权利要求5所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：在被测试管道(1)轴向方向排列的脉冲电磁铁(2)的个数确定的情况下，由于被测试管道(1)的同一轴向方向每个相反磁场方向的所述脉冲电磁铁(2)的间隔距离为
λ为波长；通过改变脉冲电磁铁内电流流向，改变两个不同磁场方向脉冲电磁铁的间隔距离。
7.根据权利要求6所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统，其特征在于：所述被测试管道(1)在不同频率下的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线以及各模态导波的结构根据被测试管道(1)的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量参数，采用半解析有限元计算得到。
8.一种管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统测试方法，应用如权利要求1-7中任一项所述的管内非接触电磁声式扭转模态导波换能系统实现，包括如下步骤：
S1：将脉冲电磁铁和激励线圈插入被测试管道的一端，使激励线圈贴合被测试管道内壁曲率；
S2：将功率放大器和信号预处理装置分别与激励线圈通信连接，在功率放大器上通信连接信号发生器，在信号预处理装置上通信连接信号接收器；
S3：信号发生器发出周期正弦信号，经功率放大器放大并送至激励线圈中，在被测试管内的趋肤深度表面感生出交变涡流场，在脉冲电磁铁的静态磁场作用下，使所述被测试管道内产生沿被测试管道切向的洛伦兹力，进而使被测试管道内产生沿管道切向的应变，从而将此形变在被测试管道内传递，进而激发出超声导波；
S4：超声导波激发后，激励线圈作为接收线圈，超声导波的回波将在接收线圈中产生感应电流并被信号接收器接收，获得超声导波的周向位移信号时域图，通过计算相邻两个信号回波之间的时间间隔、导波首次经过信号接收器和第二次到达信号接收器之间的距离，获得超声导波波包群速度；
S5：根据被测试管道的尺寸、材料的泊松比和杨氏模量，采用半解析有限元计算得到该被测试管道在不同频率下的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线；
S6：将步骤S4获得的超声导波包群速度与步骤S5获得的导波群速度频散曲线、相速度频散曲线对比，获得扭转模态超声导波；
S7：扭转模态导波沿着被测试管道轴线方向传播并在遇到缺陷后发生反射，反射回波经过所述激励线圈时即可引起传感线圈的感应电压发生变化，通过观察该感应电压随时间的变化，即可判断管道中是否存在缺陷并对缺陷进行定位和评估。
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