CN203465240U - 非接触式激光-电磁超声连铸坯检测探头装置 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式激光-电磁超声探头装置，它包括EMAT传感器，其特征是EMAT传感器包括由金属制成的冷却壳体上壳和冷却壳体下壳，在冷却壳体下壳底部设置漏磁窗，在漏磁窗两侧设置耐高温的非金属材料封闭漏磁窗；在冷却壳体上壳的顶部设置进水口，出水口和出水护筒，在出水护筒上方设置有带出水口的出水护筒盖帽；在冷却壳体上壳和冷却壳体下壳内设置有前置放大电路单元、接收线圈单元、羰基铁粉板和永磁体，充注循环水以维持正常的工作温度；前置放大电路单元放置于屏蔽磁场壳体内，用灌封胶灌封后整体放于永磁体上方，在永磁体下方放置羰基铁粉板，在羰基铁粉板下方放置接收线圈单元。解决红热状态下连铸坯检测的高温冷却问题；实现连铸坯的在线检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种连铸坯检测的探头装置，尤其是能耐高温的连铸坯在线检测的非接触式探头装置, 属于超声无损检测与评价领域。
背景技术
表面裂纹是影响连铸坯表面质量的重要因素, 如何在线检测连铸坯表面裂纹不仅对于提高连铸坯质量具有重要的意义, 而且是控制次道工序产品退废率的主要手段。目前，在常温下对连铸坯表面裂纹检测有较高的检测精度的方法有传统超声方法和涡流方法，但是传统超声方法需要耦合剂，涡流检测在高温下灵敏度不高，难以应用于表面温度最高可达1100℃的在线连铸坯检测。激光-电磁超声具有非接触检测、高精度、高灵敏度和高速度等特点，适合于高温、腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等恶劣环境下使用，该技术能够同时激发表面波、纵波和横波等多种波型，因此可以同时检测不同类型的缺陷。到目前为止还未有应用于在线连铸坯检测的基于激光-电磁超声技术的非接触式探头装置。
发明内容
为了解决现有技术无法应用于在线高温连铸坯检测的问题，本实用新型提供了一种基于激光-电磁超声技术的非接触式探头装置。
本实用新型为解决上述问题而提供一套基于激光-电磁超声技术的非接触式探头装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非接触式激光-电磁超声探头装置，它包括EMAT传感器，其特征是EMAT传感器包括由金属制成的冷却壳体上壳和冷却壳体下壳，在冷却壳体下壳底部设置漏磁窗，在漏磁窗设置耐高温的非金属材料封闭漏磁窗；在冷却壳体上壳的顶部设置进水口，出水口和出水护筒，在出水护筒上方设置有带出水口的出水护筒盖帽；在冷却壳体上壳和冷却壳体下壳内设置有前置放大电路单元、接收线圈单元、羰基铁粉板和永磁体，充注循环水以维持正常的工作温度；前置放大电路单元放置于屏蔽磁场壳体内，用灌封胶灌封后整体放于永磁体上方，在永磁体下方放置羰基铁粉板，在羰基铁粉板下方放置接收线圈单元。EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducers，电磁超声传感器，下文简称EMAT传感器。
本方案的具体特点还有，冷却壳体下壳和冷却壳体上壳之间用石墨盘根密封，出水护筒盖帽和出水护筒之间用O型圈密封，冷却壳体上壳和冷却壳体下壳用奥氏体不锈钢（牌号:AISI 304）加工。
所述非金属材料是指SiC陶瓷板和SiO2陶瓷板，在漏磁窗处设置SiC陶瓷板，在漏磁窗和接收线圈单元之间设置隔热效果优良的SiO2陶瓷板。同时考虑到耐高温的非金属材料还要有良好的耐磨性，EMAT传感器底部选用的是SiC陶瓷板； SiC陶瓷板直接与红热状态的高温连铸坯贴合，且具有良好的导热性，不利于EMAT传感器内部水冷却循环的效果，因此，在在漏磁窗和接收线圈单元之间设置隔热效果优良的SiO2陶瓷板。
所述SiO2陶瓷板是指导热系数较小的等静压烧结成型的SiO2陶瓷板（SiO2粉末60吨以上等静压压制成型，放入烧结炉中烧结制备）。而SiO2陶瓷板有不同的成型方式，不同的成型方式烧结的陶瓷导热系数不同，在此选用导热系数较小的等静压烧结成型的SiO2陶瓷板（SiO2粉末60吨以上等静压压制成型，放入烧结炉中烧结制备），可以使EMAT传感器内部冷却循环循环达到一个良好效果；
所述在漏磁窗外设置SiC陶瓷板，在漏磁窗和接收线圈单元之间设置隔热效果优良的SiO2陶瓷板是指用高温胶把SiC陶瓷板、SiO2陶瓷板和不锈钢制成的冷却壳体下壳粘结，在高温胶凝固后在其上表面覆盖高温灌封胶，使得凝固后高温胶完全浸入到高温灌封胶中。
所述高温胶是耐1300℃的HR-8787单组分高温胶，所述高温灌封胶是奥斯邦190高温灌封胶。
出水护筒固定多芯接插头和多芯线缆。
接收线圈单元由横波接收线圈、瑞利波接收线圈和屏蔽板组成。
本实用新型的有益效果是：由于采用的冷却方式是水循环冷却。因为红热状态的连铸坯温度可达1100℃，为保证线圈可以接收连铸坯中的超声波信号，EMAT传感器的金属壳体底部必须开窗漏磁，开窗部分用耐高温的非金属材料与接收线圈隔离起来，行成一个封闭空间组成水冷却循环回路，将永磁体、磁屏蔽保护的前置放大电路单元和接受线圈等工作部件置于水循环中，用高温胶把非金属材料的SiC陶瓷、SiO2陶瓷和不锈钢制成的EMAT壳体粘结，这种高温胶技术要求至少耐温1100℃以上，不溶于水，抗拉力和抗剪力强，为验证耐高温胶的性质，通过对大量国内外的各种高温胶的多次试验，不论是有机材料的还是无机材料的高温胶，试验结果表明目前国内外还没有一种耐高温胶满足这么苛刻的要求，因此这就需要一定的工艺组合不同性质的胶来满足既耐高温又防水的要求。经多次试验形成如下工艺：试验选用耐1300℃的HR-8787单组分高温胶，主要成分是经改造的特殊环氧树脂，用于粘结SiC陶瓷、SiO2陶瓷和不锈钢的壳体，由于HR-8787单组分高温胶长时间浸入水中可溶于水，为保证EMAT传感器的防水密封性能，需要在HR-8787高温胶凝固后在其上覆盖奥斯邦190高温灌封胶，使得凝固后HR-8787高温胶完全浸入到奥斯邦190高温灌封胶中，高温灌封胶凝固后，通过多次防水试验和现场的高温试验，此工艺完全满足EMAT传感器长时间工作于高温环境且内部水循环的要求，解决了高温恶劣环境下金属材料和非金属材料粘结防水性的问题。非接触式探伤，不受被检材料几何形状和表面粗糙度的限制；解决红热状态下连铸坯检测的高温冷却问题，保证接收缺陷信号的灵敏度和准确性；上位工控机对采集到的数据进行处理，实时显示缺陷警报，实现连铸坯的在线检测；脉冲激光可以同时激发出瑞利波、纵波和横纵波，不同的线圈可以接收不同的超声波，检测无盲区。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1 是本实用新型结构示意图。图2 是EMAT传感器的正视剖面结构图。图3 是水循环的系统结构示意图。图4 是本实用新型原理框图。
图1 中：1-高功率脉冲激光器，2-线型聚焦单元，3-线聚焦后激光，4- EMAT传感器，5-信号采集单元，6-上位工控机，7-高温连铸坯；8-SiC陶瓷板,9-SiO2陶瓷板，10-接收线圈单元，11-羰基铁粉板，12-冷却壳体下壳，13-冷却壳体上壳，14-水，15-水嘴，16-多芯接插头，17-出水护筒盖帽，18-出水护筒，19-多芯线缆，20-高温灌封胶，21-前置放大电路单元，22-屏蔽磁场壳体，23-永磁体；24-EMAT传感器出水水管，25-EMAT传感器信号线冷却水管，26- EMAT传感器进水水管，27-水泵引水管，28-储水箱，29-水泵。
具体实施方式
在图1 中，高功率脉冲激光器1 发射高能量的脉冲激光到柱面透镜2 ，经透镜2 聚焦成线性光斑照射在高温连铸坯7 上，在高温连铸坯7 激发出横波、纵波和瑞利波，瑞利波遇缺陷发生波形转化成横波，被EMAT传感器4 接收，通过信号采集单元5 数据采集后传输到上位工控机6 进行缺陷判别。
具体步骤如下：① 校准高功率脉冲激光器1 的输出能量，调整线型聚焦单元2 中柱面透镜的位置，使二者同中心放置，且满足被检测高温连铸坯7 表面与线型聚焦单元2 中柱面透镜之间的距离等于柱面透镜焦距。其中：所述的高功率脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器，脉冲宽度8～15 ns，波长1064 nm，能量0～200 mJ/pulse，脉冲重复频率为1～20 Hz；所述的线型聚焦单元2 由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成。
② 将EMAT传感器4 固定于加持装置上，调整EMAT传感器4 与高温连铸坯7 之间的距离至7 mm左右。
③ 开启信号采集单元5、数字示波器和上位工控机6 的工作电源，设定信号采集单元5 的采样频率等参数，校正数字示波器，然后确认信号采集单元5、数字示波器和上位工控机6 处于联通状态。
④ 开启高功率脉冲激光器1 工作电源，以激励出脉冲激光，利用线型聚焦单元2 将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线聚焦后激光3 传输至高温连铸坯7 表面，激励出超声波信号。
⑤ EMAT传感器4 接收线聚焦后激光3 激励出的超声波信号，经过信号采集单元5 数据采集后并将数据传输到上位工控机6 进行数据处理，进行缺陷识别和报警。
其中：所述信号采集单元5 是一整套信号采集和处理系统，包括滤波、信号采集、必要的数据处理等，在上位工控机6 上使用LabView编写数据处理软件，具有数据处理后显示、缺陷识别和报警等功能，同时对信号采集单元5 有控制反馈作用，示波器可以在检测过程中起到信号触发和在线信号检测等作用。
如图2所示，一种非接触式激光-电磁超声探头装置，它包括EMAT传感器4， EMAT传感器4 包括由金属制成的冷却壳体上壳13和冷却壳体下壳12，在冷却壳体下壳12 底部设置漏磁窗，在漏磁窗两侧设置耐高温的非金属材料封闭漏磁窗；在冷却壳体上壳13 的顶部设置进水口，出水口和出水护筒18，在出水护筒18 上方设置有带出水口的出水护筒盖帽17；在冷却壳体上壳13 和冷却壳体下壳12 内设置有前置放大电路单元21、接收线圈单元10、羰基铁粉板11和永磁体23，充注循环水以维持正常的工作温度；前置放大电路单元21 放置于屏蔽磁场壳体22 内，用高温灌封胶20 灌封后整体放于永磁体23 上方，在永磁体23 下方放置羰基铁粉板11，在羰基铁粉板11 下方放置接收线圈单元10。羰基铁粉板11 用于加强磁场。
冷却壳体下壳12 和冷却壳体上壳13 之间用石墨盘根密封，出水护筒盖帽17 和出水护筒18 之间用O型圈密封，冷却壳体上壳13 和冷却壳体下壳12 用奥氏体不锈钢（牌号:AISI 304）加工。所述非金属材料是指SiC陶瓷板8 和SiO2陶瓷板9，在漏磁窗外设置SiC陶瓷板8，在漏磁窗和接收线圈单元10 之间设置隔热效果优良的SiO2陶瓷板9。同时考虑到耐高温的非金属材料还要有良好的耐磨性，EMAT传感器4底部选用的是SiC陶瓷板8；SiC陶瓷板8 直接与红热状态的高温连铸坯7 贴合，且具有良好的导热性，不利于EMAT传感器4内部水冷却循环的效果，因此在漏磁窗和接收线圈单元10 之间设置隔热效果优良的SiO2陶瓷板9。
所述SiO2陶瓷板是指导热系数较小的等静压烧结成型的SiO2陶瓷板（SiO2粉末60吨以上等静压压制成型，放入烧结炉中烧结制备）。而SiO2陶瓷有不同的成型方式，不同的成型方式烧结的陶瓷导热系数不同，在此选用导热系数较小的等静压烧结成型的SiO2陶瓷（SiO2粉末60吨以上等静压压制成型，放入烧结炉中烧结制备），可以使EMAT传感器内部冷却循环达到一个良好效果；所述在漏磁窗外设置SiC陶瓷板8，在漏磁窗和接收线圈单元10 之间设置隔热效果优良的SiO2陶瓷板9 是指用高温胶把SiC陶瓷板8、SiO2陶瓷板9 和不锈钢制成的冷却壳体下壳12 粘结，在高温胶凝固后在其上表面覆盖高温灌封胶20，使得凝固后高温胶完全浸入到高温灌封胶20 中。所述高温胶是耐1300℃的HR-8787单组分高温胶，简称高温胶，所述高温灌封胶20 是奥斯邦190高温灌封胶，简称高温灌封胶。出水护筒18 固定多芯接插头16 和多芯线缆19，多芯线缆19 具有防水绝缘保护皮，固定在冷却壳体上壳13 上。接收线圈单元10 由横波接收线圈、瑞利波接收线圈和屏蔽板组成，横波接收线圈由FPCB（柔性印制电路板）制作，瑞利波接收线圈由0.06mm的漆包线绕制60~80圈形成蝶形线圈，屏蔽板由PCB（印制电路板）制作，横波接收线圈、瑞利波接收线圈和屏蔽板与多芯线缆19 中的传输线焊接，焊接点用高温灌封胶20 灌封，达到绝缘防水的效果。接收线圈单元10 通过多芯线缆19 将接收的信号传递到前置放大电路单元21。
如图3 所示，EMAT传感器内部是水循环冷却，水泵29 通过水泵引水管27 从储水箱28 抽水，经过EMAT传感器进水水管26 向EMAT传感器4 加压注水，水流经EMAT传感器内部永磁体23、磁屏蔽壳体22 保护的前置放大电路单元21 和接受线圈10 等工作部件，通过EMAT传感器出水水管24 和EMAT传感器信号线冷却水管25 将循环后的水重新注入储水箱28，这样就形成一个水循环回路，同时，EMAT传感器信号线冷却水管25 在储水箱28 处将EMAT内部的信号线缆分离出来，用于向上位工控机6 传输采集到的数据信号。
如图4 所示，本实用新型系统包括高功率激光发生器、线性聚焦单元、信号采集单元、EMAT传感器及上位工控机等。高功率激光发生器用于产生脉冲激光，脉冲激光通过线性聚焦单元发射到高温连铸坯上，在其上激发出超声波；线性聚焦单元采用柱面透镜，用于将激光聚焦成线性光源；EMAT传感器含有前置放大电路单元和接收线圈单元，接收线圈单元用于接收缺陷信号，前置放大电路单元用于将缺陷信号放大至信号采集单元可以采集的幅值；信号采集单元用于对放大后的缺陷信号进行滤波、采样，数据预处理并传输数据到上位工控机；上位工控机用于对采集到的信号进行数据分析处理，识别缺陷。
经透镜聚焦后的线性光源在高温连铸坯激发出瑞利波、纵波和横波，能量较强的瑞利波遇缺陷时发生波形转换，转换为横波；接收线圈接收的为波形转换后的横波，通过电磁感应在线圈内产生的信号，幅值为几十微伏；前置放大器将缺陷信号放大1000倍左右，并进行必要的滤波处理。
Claims (6)
1.一种非接触式激光-电磁超声探头装置，它包括EMAT传感器，其特征是EMAT传感器包括由金属制成的冷却壳体上壳和冷却壳体下壳，在冷却壳体下壳底部设置漏磁窗，在漏磁窗两侧设置耐高温的非金属材料封闭漏磁窗；在冷却壳体上壳的顶部设置进水口，出水口和出水护筒，在出水护筒上方设置有带出水口的出水护筒盖帽；在冷却壳体上壳和冷却壳体下壳内设置有前置放大电路单元、接收线圈单元、羰基铁粉板和永磁体，充注循环水以维持正常的工作温度；前置放大电路单元放置于屏蔽磁场壳体内，用灌封胶灌封后整体放于永磁体上方，在永磁体下方放置羰基铁粉板，在羰基铁粉板下方放置接收线圈单元。
2.根据权利要求1所述的非接触式激光-电磁超声探头装置，其特征是冷却壳体下壳和冷却壳体上壳之间用石墨盘根密封，出水护筒盖帽和出水护筒之间用O型圈密封，冷却壳体上壳和冷却壳体下壳用奥氏体不锈钢加工。
3.根据权利要求1所述的非接触式激光-电磁超声探头装置，其特征是所述非金属材料是指SiC陶瓷板和SiO2陶瓷板，在漏磁窗外设置SiC陶瓷板，在漏磁窗和接收线圈单元之间设置SiO2陶瓷板。
4.根据权利要求3所述的非接触式激光-电磁超声探头装置，其特征是所述SiO2陶瓷板是指等静压烧结成型的SiO2陶瓷板。
5.根据权利要求1所述的非接触式激光-电磁超声探头装置，其特征是出水护筒固定多芯接插头和多芯线缆。
6.根据权利要求1所述的非接触式激光-电磁超声探头装置，其特征是接收线圈单元由横波接收线圈、瑞利波接收线圈和屏蔽板组成。
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