CN201229172Y - 一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器 - Google Patents

Abstract

一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，属于声学换能器技术领域。本实用新型主要由激励端换能器(1)和接收端换能器(2)组成，两者沿管道(3)轴向并排布置。激励端换能器(1)主要包括直流线圈骨架(6)、直流线圈(7)、励磁线圈骨架(8)、励磁线圈(9)和激励端阻抗匹配网络(10)；接收端换能器(2)包括直流线圈骨架(6)、接收端直流线圈(4)、励磁线圈骨架(8)、接收端励磁线圈(5)和接收端阻抗匹配网络(11)。本实用新型可以实现对不同铁磁性材料钢管的检测，同时换能效率较高，信噪比高，体积小，传播距离远，重复性好，能较好地满足铁磁性管道的检测要求。

Description

一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器

技术领域

本实用新型涉及一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，属于声学换能器技术领域。

背景技术

管道是现行的五大运输工具之一，其在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势，尤其在石油化工及天然气等产业中具有不可替代的作用。同时，和我们日常生活密切相关的城市供水系统、煤气系统更是极为庞大的管道网络。经济可靠的检测技术可以大幅度地减少更换管道的数量，延长那些虽已到服务期限但仍安然无恙的管道的使用期限，将带来十分可观的经济效益。

超声导波技术是目前较为成熟的一种管道检测手段。这种技术具有检测效率高、一次性检测覆盖的范围大、耗时少等优点。常用的超声换能器有压电换能器和电磁超声换能器，其中电磁超声换能器在检测时具有换能器与媒质表面非接触、无需加入声耦合剂、重复性好、检测速度高等优点，因而受到广大无损检测与评估工作者的关注。

电磁超声换能器在检测系统中的主要作用是通过高频电磁力产生机械波(超声波)，将电磁能转换为机械能。电磁超声检测是利用电磁超声换能器激励出超声波，并在试件中传播，在接收端将机械波转化为电信号，通过分析接收到的电信号，从而达到检测目的。根据材料的不同，电磁超声换能器产生超声波有不同的激发机制：在非铁磁性金属材料中为洛仑兹力式；在铁磁性金属材料中除洛仑兹力外，磁致伸缩作用也是其工作的主要原因，并且此时磁致伸缩力常占主导作用。

电磁超声换能器主要由偏置磁场与励磁磁场组成，当换能器用于铁磁性材料的检测时，偏置磁场在试件附近产生恒定磁场，励磁磁场在该磁场的基础上提供交变磁场，从而在试件中产生周期性变化的磁致伸缩效应；当换能器用于非铁磁性材料的检测时，偏置磁场在试件附近产生均匀磁场，励磁磁场的线圈在试件表面产生交变的感生电流，从而在试件表面产生周期性变化的洛仑兹力。

中国专利96193606.1公开了一种利用磁致伸缩效应进行管道检测的电磁超声换能器，其中偏置磁场由永久磁铁提供，励磁磁场由通有交变电流的线圈提供。使用这种换能器可以实现对铁磁性管道的检测，同时配合磁致伸缩贴片可以实现对非铁磁性管道的检测。但是在利用磁滞伸缩效应进行检测时，对于不同的管道材料，其最佳工作磁场并不相同。而在这种换能器中，由于偏置磁场由永久磁铁提供，因而其磁场强度很难改变，且其产生的磁场沿管道周向呈不均匀分布，这就在很大程度上限制了这种换能器的应用。

另外，传统的电磁超声换能器还具有电声转换效率低，信噪比差等缺点。

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型提供了一种利用超声导波针对铁磁性材料管道进行检测的电磁超声换能器。它不仅可用于管道长度的测量，还可用于管道中污物、缺陷等的检测，且其可以灵活改变换能器的偏置磁场强度，以实现对不同铁磁性材料钢管的检测，使用中具有信噪比高，体积小，传播距离远等特点，并且重复性好，能较好地满足实验要求。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：

换能器系统主要由激励端换能器和接收端换能器组成，激励端换能器与接收端换能器沿管道轴向并排布置。激励端换能器主要包括直流线圈骨架、励磁线圈骨架、直流线圈、励磁线圈和激励端阻抗匹配网络等。直流线圈缠绕在直流线圈骨架上，励磁线圈缠绕在励磁线圈骨架上，直流线圈骨架与励磁线圈骨架套接，激励端阻抗匹配网络端口与励磁线圈端口相连。接收端换能器与激励端换能器结构相似，包括直流线圈骨架、接收端直流线圈、励磁线圈骨架、接收端励磁线圈和接收端阻抗匹配网络等；接收端直流线圈缠绕在直流线圈骨架上，接收端励磁线圈缠绕在励磁线圈骨架上，直流线圈骨架与励磁线圈骨架套接，接收端阻抗匹配网络端口与励磁线圈端口相连。

本实用新型中，激励端换能器的直流线圈中通有直流电，从而在管道表面附近产生恒定磁场，即偏置磁场。在励磁线圈中通有交变电流，从而在管道表面附近产生交变磁场，即励磁磁场。在偏置磁场和励磁磁场的共同作用下，管道表面会产生周期性的伸长与缩短，从而激励出机械波，在超声的频率范围内，该机械波形成超声波。这样，就完成了电声换能过程。而在接收端换能器附近，在偏置磁场的作用下管道表面的周期形变产生交变磁场，从而在接收端励磁磁场中产生交变电流。这样就完成了声电换能过程。分析接收端换能器中接收到的电信号，就可得到管道长度、缺陷等信息。

本实用新型中，激励端换能器和接收端换能器的直流线圈端口和接收端直流线圈端口连接到直流稳压电源，因此通过改变电流的大小，就可以实现对偏置磁场强弱的控制，从而很容易实现对不同铁磁性材料管道的检测。而且，使用线圈方式产生的磁场，磁场沿管道周向分布均匀，在利用超声导波轴对称模态进行管道检测时，这一特点是相当有利的。

本实用新型中，励磁线圈和接收端励磁线圈可采用单向绕制，即整个线圈的绕制方向相同。作为一种优选方案，也可采用双向绕制方式，即线圈沿轴线按照顺时针-逆时针-顺时针方向绕制。

本实用新型中，在外部信号源与激励端励磁线圈之间、以及接收端励磁线圈与信号接收装置之间进行了阻抗匹配。阻抗匹配网络采用电容或电容-电感方式。进行阻抗匹配后，换能器的换能效率得到了一定的改善，信噪比取得明显提高。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图，图中未画出激励端阻抗匹配网络10与接收端阻抗匹配网络11；

图2是励磁线圈骨架和励磁线圈的立体图；

图3、图4是激励端阻抗匹配网络的电路图；

图5是接收端阻抗匹配网络的电路图。

图中：1、激励端换能器，2、接收端换能器，3、管道，4、接收端直流线圈，5、接收端励磁线圈，6、直流线圈骨架，7、直流线圈，8、励磁线圈骨架，9、励磁线圈，10、激励端阻抗匹配网络，11、接收端阻抗匹配网络。

具体实施方式

下面通过实施例及附图对本实用新型进行具体描述。

有必要在此指出的是本实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述本实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整。

如图1、图2及图3所示，换能器系统由激励端换能器1和接收端换能器2组成，两者沿管道3的轴向并排布置。激励端换能器1主要包括直流线圈骨架6、励磁线圈骨架8、直流线圈7、励磁线圈9和激励端阻抗匹配网络10等。直流线圈骨架6经由孔601和励磁线圈骨架8的左外表面803、右外表面802配合，管道3穿过励磁线圈骨架8的中心孔801。直流线圈7缠绕在直流线圈骨架6上，并通过端口A1、B1连接到外部直流稳压电源，提供换能器工作时的偏置磁场。励磁线圈9缠绕在励磁线圈骨架8上，并通过端口C1、D1与激励端阻抗匹配网络10的端口E1、F1连接。激励端阻抗匹配网络10的端口G1、H1连接到外部信号源。

接收端换能器2的结构与激励端换能器1基本相同，接收端换能器2主要包括直流线圈骨架6、励磁线圈骨架8、接收端直流线圈4、接收端励磁线圈5和接收端阻抗匹配网络11等。直流线圈骨架6经由孔601和励磁线圈骨架8的外表面配合，管道3穿过励磁线圈骨架8的中心孔。接收端直流线圈4通过端口A2、B2连接到外部直流稳压电源，提供换能器工作时的偏置磁场。如图5所示，接收端励磁线圈5通过端口C2、D2与接收端阻抗匹配网络11的端口E2、F2连接。接收端阻抗匹配网络11的端口G2、H2连接到信号接收装置。

换能器工作时，外部直流稳压电源通入直流线圈4和接收端直流线圈7中，从而在激励端换能器1和接收端换能器2中心产生偏置磁场。外部信号发生器发出的信号经功率放大器放大，然后通过激励端阻抗匹配网络10输入到励磁线圈9中，在磁致伸缩效应的作用下，在管道中激励声波。当声波传播到接收端换能器2时，在磁致伸缩逆效应的作用下，在接收端励磁线圈5中产生交变电流，该电流通过接收端阻抗匹配网络11输出到信号接收装置中。通过分析接收信号对管道缺陷进行检测。

如图2所示，作为一种优选方案，励磁线圈9采用双向绕制方式。励磁线圈9的左引线901、右引线902分别通过励磁线圈骨架8的引线左凹槽804、右凹槽809和端口C1、D1相连。励磁线圈9的逆绕线圈905沿励磁线圈骨架8的绕线表面805绕制，且绕线方向为逆时针方向。励磁线圈9的顺绕线圈903沿励磁线圈骨架8的绕线表面808绕制，且绕线方向为顺时针方向。顺绕线圈903与逆绕线圈905被线圈骨架8的线脊807分隔开来，且由经过线圈骨架8的换向凹槽806的换向线904相连。通过上述这种结构，就可以实现线圈的双向绕制，且所述顺绕线圈903与逆绕线圈905可以是多个。接收端励磁线圈5同样采用所述双向绕制方式。

如图3、图4所示，激励端阻抗匹配网络10采用电容-电感方式。从端口E1、F1看过去，匹配网络既可采用先并联电感L₂再串联电容C₂的方式，也可采用先并联电容C₃再串联电感L₃的方式。本实施例采用先并联电容C₃再串联电感L₃的方式，这种匹配方式在换能器的实际使用中滤波效果更好。

如图5所示，接收端阻抗匹配网络11采用串联电容C₁的方式进行匹配。

本实用新型将传统的永久磁铁替换为直流线圈来产生偏置磁场，从而实现了偏置磁场强度可变的目的。励磁线圈采用双向绕制方式，提高了换能效率。使用了阻抗匹配网络，提高了换能器的信噪比。本实用新型可以实现对不同铁磁性材料钢管的检测，同时换能效率较高，信噪比高，体积小，传播距离远，重复性好，能较好地满足铁磁性管道的检测要求。

Claims (5)

1、一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，由激励端换能器(1)和接收端换能器(2)组成，两者沿管道(3)轴向并排布置，其特征在于，激励端换能器(1)主要包括直流线圈骨架(6)、直流线圈(7)、励磁线圈骨架(8)、励磁线圈(9)和激励端阻抗匹配网络(10)，直流线圈(7)缠绕在直流线圈骨架(6)上，励磁线圈(9)缠绕在励磁线圈骨架(8)上，直流线圈骨架(6)与励磁线圈骨架(8)套接，激励端阻抗匹配网络端口与励磁线圈端口相连；接收端换能器(2)与激励端换能器(1)结构相似，包括直流线圈骨架(6)、接收端直流线圈(4)、励磁线圈骨架(8)、接收端励磁线圈(5)和接收端阻抗匹配网络(11)；接收端直流线圈(4)缠绕在直流线圈骨架(6)上，接收端励磁线圈(5)缠绕在励磁线圈骨架(8)上，直流线圈骨架(6)与励磁线圈骨架(8)套接，接收端阻抗匹配网络端口与励磁线圈端口相连。

2、根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，其特征在于，直流线圈(7)和接收端直流线圈(4)连接到外部直流稳压电源，直流线圈(7)和接收端直流线圈(4)中电流大小可调节。

3、根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，其特征在于，所述励磁线圈(9)和接收端励磁线圈(5)可采用单向绕制，也可采用双向绕制方式。

4、根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，其特征在于，所述激励端阻抗匹配网络(10)采用电容-电感方式匹配，既可采用先并联电感再串联电容的方式，也可采用先并联电容再串联电感的方式。

5、根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道检测的电磁超声换能器，其特征在于，所述接收端阻抗匹配网络(11)采用串联电容方式匹配。

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