CN206074522U - 相控阵电磁超声装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种相控阵电磁超声装置。该装置包括：信号源，用于产生预定波形且功率大于等于阈值的激励信号，以激励相控阵列激励电磁超声传感器产生超声波；通道选通器，与信号源和相控阵列电磁超声传感器连接，以接通相控阵列电磁超声传感器中的阵元；相控阵列电磁超声传感器，包括多个阵元，阵元被通道选通器接通后在激励信号的作用下产生超声波以及接收被检测对象中的回波以生成被检测对象的检测结果。本实用新型解决了相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题。

Description

相控阵电磁超声装置

技术领域

本实用新型涉及超声无损检测领域，具体而言，涉及一种相控阵电磁超声装置。

背景技术

相控阵列超声检测技术对缺陷显示形象直观、检测精度较高，已经在工业无损检测中获得了广泛应用。目前，相关技术中的相控阵列超声检测主要采用压电传感器作为激励接收装置，仪器系统也是针对压电传感器设计的。尽管压电传感器在进行超声检测时具有换能效率高、检测信号信噪比强的优点，但也存在需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测的缺点。特别是在自动化在线检测系统、检测机器人应用中，往往需要开发辅助的打磨机构和喷水耦合机构，增加了系统的复杂性，也给使用带来了诸多不便。

近年来兴起的电磁超声传感器具有无需打磨材料表面、无需耦合剂、非接触检测、适用于高温检测的优点，可弥补压电传感器的许多缺点。然而电磁超声传感器具有换能效率低、检测信号能量弱、不易产生大范围的角度偏转产生斜入射声波等缺点。因此，目前电磁超声主要用于直入射测厚，且回波灵敏度低，难用于探伤，而且，还难以用于需要斜入射进行缺陷检测的场合，如焊缝检测。

针对相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种相控阵电磁超声装置，以至少解决相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种相控阵电磁超声装置，包括：信号源，用于产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列激励电磁超声传感器产生超声波；通道选通器，与信号源和相控阵列电磁超声传感器连接，用于接通相控阵列电磁超声传感器中的阵元；以及相控阵列电磁超声传感器，与通道选通器连接，相控阵列电磁超声传感器包括多个阵元，在阵元被通道选通器接通之后，阵元在激励信号的作用下产生超声波以及接收被检测对象中的回波，其中，回波用于生成被检测对象的检测结果。

进一步地，通道选通器用于根据预先设定的激励和规则接通相控阵列电磁超声传感器中的阵元。

进一步地，还包括：集线器，连接在通道选通器和相控阵列电磁超声传感器之间，用于将通道选通器和相控阵列电磁超声传感器的阵元连通。

进一步地，还包括:多通道信号调理器，与相控阵列电磁超声传感器连接，用于阻断功率大于等于阈值的激励信号通过，允许相控阵列电磁超声传感器接收到的回波通过，并对回波进行放大处理。

进一步地，多通道信号调理器每个通道由双工器和前置放大器组成，其中，双工器用于阻断功率大于等于阈值的激励信号通过，允许相控阵列电磁超声传感器接收到的回波通过，前置放大器用于对回波进行放大处理。

进一步地，还包括:上位机，与多通道信号调理器连接，用于接收多通道信号调理器处理后的回波，并根据处理后的回波生成被检测对象的检测结果。

进一步地，上位机用于以下至少之一：控制信号源的激励和输出波形、回波接收记录、信号处理、检测成像。

进一步地，还包括：多通道信号采集器，分别与多通道信号调理器和上位机连接，用于对多通道信号调理器处理后的回波进行采集，并发送给上位机。

进一步地，超声波和回波分别包括以下至少之一：横波、纵波。

进一步地，被检测对象为导电材料或非导电材料，其中，非导电材料的被检测对象表面设置有用于激励产生超声波的辅助装置。

在本实用新型实施例中，相控阵电磁超声装置包括信号源，用于产生预定波形且功率大于等于阈值的激励信号，以激励相控阵列激励电磁超声传感器产生超声波；通道选通器，与信号源和相控阵列电磁超声传感器连接，以接通相控阵列电磁超声传感器中的阵元；相控阵列电磁超声传感器，包括多个阵元，阵元被通道选通器接通后在激励信号的作用下产生超声波以及接收被检测对象中的回波以生成被检测对象的检测结果，该相控阵电磁超声装置可以解决相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题，进而达到无需打磨被检测对象表面，无需耦合剂，即可以实现高温检测，使用大角度斜入射检测，提高能量转换效率和回波灵敏度的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种可选的相控阵电磁超声装置的示意图；以及

图2是根据本实用新型实施例的另一种可选的相控阵电磁超声装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种相控阵电磁超声装置的实施例。需要说明的是，该实施例的相控阵电磁超声装置能够实现对被检测对象进行超声无损检测。

图1是根据本实用新型实施例的一种可选的相控阵电磁超声装置的示意图，如图1所示，该相控阵电磁超声装置可以包括：信号源10、通道选通器20以及相控阵列电磁超声传感器30，具体地：

信号源10，可以用于产生预定波形的激励信号，例如脉冲信号、若干周期的方波、若干周期的正弦波、窗函数调制波形等。信号源10产生的激励信号可以用于激励相控阵列激励电磁超声传感器30产生超声波。此处需要说明的是，信号源10产生的激励信号的功率大于等于阈值，其中，阈值可以根据实际应用需求设定或调整，本实用新型实施例对阈值不做具体限定。

通道选通器20，可以与信号源10和相控阵列电磁超声传感器30连接。如图1所示，通道选通器20可以通过多个通道与相控阵列电磁超声传感器30相连接，其中，通道的个数可以与相控阵列电磁超声传感器30中包括的阵元个数相同，也即一个通道对应连接一个阵元。通道选通器20通过控制多个通道中的任意一个通道接通可以实现接通相控阵列电磁超声传感器30中与该接通的通道相对应的阵元。可选地，通道选通器20可以按照预先设定的激励、接收规则接通相控阵列电磁超声传感器30中的阵元，以激励接通的阵元产生超声波，其中，预先设定的激励、接收规则可以根据实际需求进行设定或调整，本实用新型实施例对其不做具体限定。

相控阵列电磁超声传感器30，可以与通道选通器20连接。相控阵列电磁超声传感器30可以包括多个阵元，每个阵元对应一个通道，在阵元被通道选通器20接通之后，阵元可以在信号源10产生的激励信号的作用下产生超声波，该超声波发射到被检测对象之后，被检测对象可以反射回波，阵元可以接收被检测对象中的回波，利用接收到的回波可以生成并分析被检测对象的检测结果。此处需要说明的是，本实用新型实施例对相控阵列电磁超声传感器30中所包括的阵元的个数不做具体限定。还需要说明的是，相控阵列电磁超声传感器30激励产生的超声波和接收的回波可以为纵波，也可以为横波，或者是横波、纵波两种模式。

作为一种可选的实施例，如图2所示，该实施例的相控阵电磁超声装置除了包括上述实施例中的信号源10、通道选通器20以及相控阵列电磁超声传感器30之外，还可以包括：集线器40、多通道信号调理器50、多通道信号采集器60以及上位机70，具体地：

集线器40，可以连接在通道选通器20和相控阵列电磁超声传感器30之间，主要用于将通道选通器20和相控阵列电磁超声传感器30的阵元对应连通。如图2所示，相控阵列电磁超声传感器30中包括的多个阵元中的每个阵元均可以通过集线器40与通道选通器20、多通道信号调理器50对应通道相联。此处需要说明的是，该实施例中的集线器40并非是本实用新型的相控阵电磁超声装置的必须部件，集线器40只是本实用新型的一种可选实施例，以任意方式只要能够实现通道选通器20、相控阵列电磁超声传感器30、多通道信号调理器50对应通道互联的装置均可以替代集线器40。

多通道信号调理器50，可以通过集线器40与相控阵列电磁超声传感器30对应通道连接，可以用于对相控阵列电磁超声传感器30接收到的回波进行调理。相控阵列电磁超声传感器30中各阵元接收到回波后，可以将回波输入多通道信号调理器50的对应通道。可选地，多通道信号调理器50可以包括多个通道，每个通道均可以包括双工器和信号放大器，其中，双工器可以用于允许功率小于上述阈值的信号通过；信号放大器可以用于对回波信号进行放大，信号放大器优选为前置放大器，如图2所示，多通道信号调理器50的每个通道均由双工器501和前置放大器502组成。双工器501可以具有限伏通过的功能，只允许小信号通过，使得激励时来自信号源10的大功率激励信号只有很微弱的信号进入前置放大器502，而相控阵列电磁超声传感器30接收的回波信号则能全部通过，从而对前置放大器502形成保护，并防止产生冲击饱和。前置放大器502可以为微弱信号线性放大器，可放大来自相控阵列电磁超声传感器30的几十到几百微伏的回波信号，前置放大器502输出的信号可以被多通道信号采集电路60有效采集到。

多通道信号采集器60，可以与多通道信号调理器50和上位机70连接。相控阵列电磁超声传感器30中各阵元接收到的回波信号经多通道信号调理器50调整放大后，可以输入至多通道信号采集器60。多通道信号采集器60可以对多通道信号调理器50调整后的回波信号进行采集，并发送给上位机，以实现对各个通道接收到的回波信号的记录。

上位机70，可以与信号源10和多通道信号采集器60相连接，可以用于接收多通道信号采集器60采集到的调整后的回波信号，并根据调整后的回波信号生成被检测对象的检测结果。除此之外，上位机70还可以用于控制信号源10的激励和输出波形、控制多通道信号调理器50对回波信号进行处理、控制多通道信号采集器60对回波信号的记录以及根据回波信号生成被检测对象的检测成像等。

需要说明的是，本实用新型实施例中的被检测对象可以为导电材料，也可以为非导电材料。若被检测对象为非导电材料时，需在被检测对象的表面增加可以激励产生电磁超声波的辅助装置，如采用带有磁滞伸缩材料片的相控阵列电磁超声传感器，并通过耦合剂耦合入被检测对象中，或直接在被检测对象表面局部区域喷涂导体材料。

本实用新型实施例的相控阵电磁超声装置从应用的角度，能够解决压电传感器应用时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测的问题，此外还能解决电磁超声传感器较难实现大角度(35°以上)斜入射检测、以及能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的问题。从方法原理的角度，相控阵列电磁超声激励信号瞬态功率达kW级以上，同时各阵元宽度较大，难以采用类似压电相控阵列超声利用各通道间延时控制实现声束的偏转、聚焦合成、成像的方式，使得常规压电相控阵列超声的技术原理无法适用于电磁超声相控阵列。

需要说明的是，本实用新型能够实现以下有益效果：

1、本实用新型进行相控阵列超声检测，无需打磨被检材料表面、使用耦合剂，便用应用于不能打磨材料表面的检测，如表面有防锈漆层且不允许破坏，石油化工设备检测时周围有易燃易爆介质。此外，由于本实用新型使用的相控阵列电磁超声传感器，可用于高温材料检测(可达780℃)。

2、超声波焊缝检测实际需求量大，一般需要从焊缝两侧进行检测，检测区域为在传感器侧面，声束需斜向入射。电磁超声斜入射传感器斜向偏转角度最大约32。，较难实现大角度范围的偏转，使得单线圈的电磁超声斜入射传感器难以应用于焊缝检测中。本实用新型可以实现检测区域的成像，突破了目前单一电磁超声斜入射传感器偏转角小的限制，能实现较大偏转角度区域的缺陷检测，解决了电磁超声检测焊缝的问题。

3、相控阵列电磁超声激励信号瞬态功率达kW级以上，同时各阵元宽度较大，难以采用类似压电相控阵列超声利用各通道间延时控制实现声束的偏转、聚焦合成、成像的方式，使得常规压电相控阵列超声的技术原理无法适用于电磁超声相控阵。本实用新型可以很好地解决了上述问题，实现了相控阵列电磁超声检测技术。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种相控阵电磁超声装置，其特征在于，包括：

信号源，用于产生预定波形的激励信号，其中，所述激励信号的功率大于等于阈值，所述激励信号用于激励相控阵列激励电磁超声传感器产生超声波；

通道选通器，与所述信号源和所述相控阵列电磁超声传感器连接，用于接通所述相控阵列电磁超声传感器中的阵元；以及

所述相控阵列电磁超声传感器，与所述通道选通器连接，所述相控阵列电磁超声传感器包括多个阵元，在所述阵元被所述通道选通器接通之后，所述阵元在所述激励信号的作用下产生超声波以及接收被检测对象中的回波，其中，所述回波用于生成所述被检测对象的检测结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道选通器用于根据预先设定的激励和规则接通所述相控阵列电磁超声传感器中的阵元。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

集线器，连接在所述通道选通器和所述相控阵列电磁超声传感器之间，用于将所述通道选通器和所述相控阵列电磁超声传感器的阵元连通。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，还包括:

多通道信号调理器，与所述相控阵列电磁超声传感器连接，用于阻断功率大于等于所述阈值的激励信号通过，允许所述相控阵列电磁超声传感器接收到的所述回波通过，并对所述回波进行放大处理。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，多通道信号调理器每个通道由双工器和前置放大器组成，其中，所述双工器用于阻断功率大于等于所述阈值的激励信号通过，允许所述相控阵列电磁超声传感器接收到的所述回波通过，所述前置放大器用于对所述回波进行放大处理。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括:

上位机，与所述多通道信号调理器连接，用于接收所述多通道信号调理器处理后的回波，并根据所述处理后的回波生成所述被检测对象的检测结果。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上位机用于以下至少之一：

控制所述信号源的激励和输出波形、回波接收记录、信号处理、检测成像。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

多通道信号采集器，分别与所述多通道信号调理器和所述上位机连接，用于对所述多通道信号调理器处理后的回波进行采集，并发送给所述上位机。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述超声波和所述回波分别包括以下至少之一：横波、纵波。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述被检测对象为导电材料或非导电材料，其中，非导电材料的被检测对象表面设置有用于激励产生超声波的辅助装置。