CN209979555U

CN209979555U - 一种电磁超声换能器及测试系统

Info

Publication number: CN209979555U
Application number: CN201920688379.8U
Authority: CN
Inventors: 赵扬; 刘帅; 陈建伟; 马健; 宋江峰; 郭锐; 孙继华
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Jining high tech Keda Technology Project Service Co.,Ltd.
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2029-05-14

Abstract

本实用新型涉及一种电磁超声换能器及测试系统，属于无损检测技术领域。该电磁超声换能器包括：壳体和设置于壳体内的放大装置、收发装置和磁铁。壳体的第一面开设有漏磁窗，在漏磁窗处设置有非金属材料板以封闭漏磁窗，收发装置位于漏磁窗处，磁铁位于放大装置与收发装置之间，放大装置与磁铁相互贴合，放大装置与收发装置连接，壳体的第二面开设有出线孔、出水孔和进水孔，放大装置与经出线孔引出的信号线连接。对被测试件进行测试，利用出水孔和进水孔向壳体内部注入循环冷却水，进而维持壳体内部的温度，解决红热状态下金属材料检测的高温冷却问题，保证磁体磁场有效存在，保证接收缺陷信号的灵敏度和准确性。

Description

一种电磁超声换能器及测试系统

技术领域

本实用新型属于无损检测技术领域，具体涉及一种电磁超声换能器及测试系统。

背景技术

过程工业中的装备是在高温、高压、多介质等复杂环境下运行，因此如何保障这类设备安全可靠长周期运行是目前关心的问题之一。借助于现代的强度理论、无损检测和断裂力学技术，在常温环境下、装备安全检测问题已基本解决，但随着近年来介质(原油)的劣质化，工艺处理的复杂化，设备发生内部介质腐蚀、保温层下腐蚀，以及高温材质劣化的概率越来越高，而这方面的失效事故也屡次发生。目前，在常温下对钢材料缺陷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上千摄氏度的材料检测。另外，在高温环境下，磁铁(永磁体)会失去磁性，例如现今常用的牌号N35的钕铁硼(Nd2Fe14B)磁铁在超过80℃后就失去磁性，失去了磁场，感应线圈就无法正常工作。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电磁超声换能器及测试系统，以有效地改善上述问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种电磁超声换能器，包括：壳体和设置于所述壳体内的放大装置、收发装置和磁铁。所述壳体的第一面开设有漏磁窗，在所述漏磁窗处设置有非金属材料板以封闭所述漏磁窗，所述收发装置位于所述漏磁窗处，所述磁铁位于所述放大装置与所述收发装置之间，所述放大装置与所述磁铁相互贴合，所述放大装置与所述收发装置连接，所述壳体的第二面开设有出线孔、出水孔和进水孔，所述出水孔和所述进水孔均与所述壳体内部连通，以便经所述出水孔和所述进水孔向所述壳体内部注入循环水，进而维持所述壳体内部的温度，所述放大装置与经所述出线孔引出的信号线连接。所述放大装置用于将所述信号线传输的交流激励信号放大后传输给所述收发装置，以及将所述收发装置感应到的电磁信号放大后经所述信号线传输出去。

在本实用新型可选的实施例中，所述出水孔和所述进水孔处均安装有水嘴，在所述出线孔处设置有护筒以及带出口的护筒盖帽，所述护筒盖帽套设在所述护筒上，所述信号线经所述护筒盖帽引出。

在本实用新型可选的实施例中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体相对成壳，在所述第一壳体与所述第二壳体的贴合处采用密封件密封，所述漏磁窗开设于所述第一壳体上，所述出线孔、所述出水孔以及所述进水孔均开设于所述第二壳体上。

在本实用新型可选的实施例中，所述放大装置包括：屏蔽壳和置于所述屏蔽壳内的双向前置放大器，所述屏蔽壳与所述双向前置放大器之间填充有填充层，所述双向前置放大器与所述信号线和所述收发装置连接，所述屏蔽壳与所述磁铁相互贴合。

在本实用新型可选的实施例中，所述填充层为高温灌封胶层。

在本实用新型可选的实施例中，所述收发装置包括：电路板以及设置于所述电路板上的线圈，所述电路板上的焊接点采用高温灌封胶灌封，达到绝缘防水的效果。

在本实用新型可选的实施例中，在所述漏磁窗的外侧设置有SiC陶瓷板。

在本实用新型可选的实施例中，在所述漏磁窗的内侧设置有SiO₂陶瓷板。

在本实用新型可选的实施例中，还包括：羰基铁粉板，所述羰基铁粉板设置于所述收发装置与所述磁铁之间。

本实用新型实施例还提供了一种测试系统，包括：上位机、阻抗匹配模块和上述的电磁超声换能器；所述上位机与所述阻抗匹配模块连接，所述阻抗匹配模块与所述电磁超声换能器连接。

本实用新型实施例提供的电磁超声换能器，包括：壳体和设置于壳体内的放大装置、收发装置和磁铁。壳体的第一面开设有漏磁窗，在漏磁窗处设置有非金属材料板以封闭漏磁窗，收发装置位于漏磁窗处，磁铁位于放大装置与收发装置之间，放大装置与磁铁相互贴合，放大装置与收发装置连接，壳体的第二面开设有出线孔、出水孔和进水孔，放大装置与经出线孔引出的信号线连接。使用该电磁超声换能器对被测试件进行测试时，经出水孔和进水孔向壳体内部注入循环冷却水，进而维持壳体内部的温度，保证了在高温环境下，收发装置能感应到被测试件中的超声波信号，解决红热状态下金属材料检测的高温冷却问题，保证磁体磁场有效存在，保证接收缺陷信号的灵敏度和准确性。同时，采用非接触式探伤，不受被检材料几何形状和表面粗糙度的限制。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1示出了本实用新型实施例提供的一种电磁超声换能器在第一视角下的结构示意图。

图2示出了本实用新型实施例提供的一种电磁超声换能器在第二视角下的结构示意图。

图3示出了本实用新型实施例提供的线圈的结构示意图。

图4示出了本实用新型实施例提供的电磁超声换能器工作原理示意图。

图5示出了本实用新型实施例提供的一种测试系统的结构示意图。

图标：100－电磁超声换能器；110－壳体；111－漏磁窗；112－出线孔；113－出水孔；114－进水孔；115－护筒；116－护筒盖帽；117－信号线；120－放大装置；130－收发装置；140－磁铁；150－SiC陶瓷板；160－SiO₂陶瓷板；170－羰基铁粉板；200－测试系统；210－上位机；220－阻抗匹配模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的试件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

目前，在常温下对钢材料缺陷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上千摄氏度的材料检测。另外，在高温环境下，磁铁(永磁体)会失去磁性，例如现今常用的牌号N35的钕铁硼(Nd2Fe14B)磁铁在超过80℃后就失去磁性，失去了磁场，感应线圈就无法正常工作。

针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本实用新型实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本实用新型过程中对本实用新型做出的贡献。

鉴于此，本实用新型实施例提供了一种电磁超声换能器100，请参阅图1和图2。该电磁超声换能器100包括：壳体110和设置于所述壳体110内的放大装置120、收发装置130和磁铁140。

所述壳体110内部为中空结构，可选地，该壳体110的形状为长方体形。在所述壳体110的第一面开设有漏磁窗111，在所述漏磁窗111处设置有非金属材料板以封闭所述漏磁窗111。该非金属材料板可以是设置于漏磁窗111的内侧，也可以是设置于外侧，或者内外两侧均设置。作为一种可选实施方式，在所述漏磁窗111的外侧设置有SiC陶瓷板150，在所述漏磁窗111的内侧设置有SiO₂陶瓷板160。

所述壳体110的第二面开设有出线孔112、出水孔113和进水孔114。所述出水孔113和所述进水孔114均与所述壳体110内部连通，以便经所述出水孔113和所述进水孔114向所述壳体110内部注入冷却循环水，进而维持所述壳体110内部的温度，解决红热状态下金属材料检测的高温冷却问题，保证磁体磁场有效存在，保证接收缺陷信号的灵敏度和准确性。

其中，该壳体110有第一壳体和第二壳体组成，所述第一壳体和所述第二壳体相对成壳，在所述第一壳体与所述第二壳体的贴合处采用密封件(如石墨盘根)密封，所述漏磁窗111开设于所述第一壳体上，所述出线孔112、所述出水孔113以及所述进水孔114均开设于所述第二壳体上。

其中，可选地，第一面和第二面为相对面。

其中，该壳体110由不锈钢制成，即第一壳体和第二壳体均为不锈钢制成。

其中，在设置时，采用高温胶将SiC陶瓷板150粘接于漏磁窗111的外侧，将SiO₂陶瓷板160粘接于漏磁窗111的内侧。由于该电磁超声换能器100在对高温被测试件极性测试时，该SiC陶瓷板150直接与红热状态的高温连铸坯贴合，且具有良好的导热性，不利于壳体110内部水冷却循环的效果，因此，在在漏磁窗111内侧设置隔热效果优良的SiO₂陶瓷板160，可以使壳体110内部冷却循环水达到一个良好效果。

其中，上述的SiO₂陶瓷板160采用指导热系数较小的等静压烧结成型的SiO₂陶瓷板160(SiO₂粉末60吨以上等静压压制成型，放入烧结炉中烧结制备)。

其中，该漏磁窗111可以开设于第一面的任意位置，作为一种可选的实施方式，该漏磁窗111开设于第一面的中间位置。

其中，所述出水孔113和所述进水孔114处均安装有水嘴，以便于与外部的冷却系统连接。在所述出线孔112处设置有护筒115以及带出口的护筒盖帽116，所述护筒盖帽116套设在所述护筒115上，所述信号线117经所述护筒盖帽116引出。该信号线117固定在护筒115中，以避免线因晃动而影响连接的稳定性。其中，该信号线117由多芯接插头和多芯线缆构成，多芯线缆具有防水绝缘保护皮。

其中，在护筒115与护筒盖帽116的贴合处还设置有密封件(如橡胶圈)，以避免漏水。

其中，需要说明的是，注入壳体110内部的水可以经该护筒115和护筒盖帽116的出口引出；也可以经该护筒115和护筒盖帽116的出口向壳体110内部注入冷却水。可选地，在护筒盖帽116的出口处还设置有水嘴。

该收发装置130还与放大装置120连接，且所述收发装置130位于漏磁窗111处，以便将接收到的交流激励信号经漏磁窗111射向被测试件，该交流激励信号在被测试件中激发出电磁超声，并被收发装置130感应到，进而传输给放大装置120。

其中，该收发装置130包括：电路板以及设置于所述电路板上的线圈，可选地，该线圈由横波收发线圈和瑞利波收发线圈构成，均由FPCB(柔性印制电路板)制作。其中，该电路板为PCB(印制电路板)板，所述电路板上的焊接点采用高温灌封胶灌封，以达到绝缘防水的效果。

其中，如图3所示，横波收发线圈和瑞利波收发线圈采用双层“蝶形”设计结构，配合信号增强算法可以使信号幅度增大约3倍。线圈采用四层FPCB结构制板，其中，为了降低线圈产生的电路噪声，线圈拟采用双层“蝶形”设计结构，同时为屏蔽线圈与被检材料之间形成的“寄生电容”所产生的电磁噪声，在双层线圈的上下表面各设计一层去噪电路。

磁铁140位于放大装置120与收发装置130之间，用于提供一个稳定的磁场环境。可选地，该磁铁140为永磁体。

所述放大装置120与所述磁铁140相互贴合，所述放大装置120与所述收发装置130连接，所述放大装置120与经所述出线孔112引出的信号线117连接。所述放大装置120用于将所述信号线117传输的交流激励信号放大后传输给所述收发装置130，以及将所述收发装置130感应到的电磁信号放大后经所述信号线117传输出去。

其中，所述放大装置120包括：屏蔽壳和置于所述屏蔽壳内的双向前置放大器，所述屏蔽壳与所述双向前置放大器之间填充有填充层，所述双向前置放大器与所述信号线117和所述收发装置130连接，所述屏蔽壳与所述磁铁140相互贴合。

该填充层可以是泡沫粒，也可以是其他，例如，高温灌封胶层，即在高温胶凝固后在其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，进而形成高温灌封胶层。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。

此外，作为一种可选的实施方式，电磁超声换能器100还包括：羰基铁粉板170，所述羰基铁粉板170设置于所述收发装置130与所述磁铁140之间。该羰基铁粉板170用于增强磁场。

其中，需要说明的是，电磁超声换能器100是基于电磁超声检测的基本原理对被测试件进行检测的。电磁超声信号的发射和接收是基于电磁物理场与机械波动场之间的相互转化，两个物理场之间通过力场联系在一起。电磁超声的发射和接收有三种机制：洛伦兹力机制、磁致伸缩力机制和磁化力机制。在非铁磁性材料的检测过程中，洛伦兹力起主要作用，在铁磁性材料的检测过程中，还会受到磁致伸缩力和电磁力的作用。大多数情况下，电磁力的绝对值比前两者的绝对值小很多。根据电磁超声的组成可以将其划分为三个相互联系的部分：磁铁140、线圈和被测试件，电磁超声的接收和发射可以看作是这三个部分之间的相互作用，其作用过程如图4所示。磁铁140为被测试件提供稳定磁场，发射线圈和接收线圈通过电磁感应定律在被测试件中感生和接收涡流。被测试件是场作用的主体，磁铁140和线圈的感生场在被测试件中相互作用，在被测试件中激发出电磁声，并利用电磁声对试件进行无损检测，试件既是检测对象，也可以被看作是电磁超声的声源。

本实用新型实施例还提供了一种测试系统200，如图5所示。该测试系统200包括：上位机210、阻抗匹配模块220和上述的电磁超声换能器100。所述上位机210与所述阻抗匹配模块220连接，所述阻抗匹配模块220与所述电磁超声换能器100连接。

在检测时，上位机210向阻抗匹配模块220发送交流激励信号，该交流激励信号经阻抗匹配模块220后经阻抗匹配模块220中的放大装置120放大后作用于收发装置130，交流激励信号通过发射线圈在被测金属件中产生涡流，通过洛伦兹力和磁致伸缩力两种机制共同作用激励出超声波信号(电磁信号)，遇见缺陷后超声波发生反射，被接收线圈感应，经放大装置120放大后经信号线117传输给阻抗匹配模块220，再回传给上位机210进行缺陷判别。其中，需要说明的时，在对非铁磁性材料的检测过程中，洛伦兹力起主要作用，在对铁磁性材料的检测过程中，还会受到磁致伸缩力和电磁力的作用。

其中，在测试时，将电磁超声换能器100通过固定件固定于被测金属件的上方，调整电磁超声换能器100与被测金属件之间的距离至5mm左右。

其中，在测试时，该电磁超声换能器100还与冷却系统连接，通过该冷却系统向该壳体110内部注入循环冷却水，以维持所述壳体110内部的温度。

其中，冷却系统主要包括：储水箱、水泵和引水管。储水箱用于存储冷却水，通过水泵向壳体110内注入或抽出冷却水。

综上所述，本实用新型实施例提供的电磁超声换能器包括壳体(由第一壳体和第二壳体构成)和设置于所述壳体内的放大装置、收发装置、羰基铁粉板(用于增强磁场)和磁铁(用于提供稳定的磁场环境)。所述壳体的第一面开设有漏磁窗，在所述漏磁窗外侧设置有SiC陶瓷板、内侧设置有SiO₂陶瓷板，以封闭所述漏磁窗。所述收发装置位于所述漏磁窗处，所述磁铁位于所述放大装置与所述收发装置之间，所述羰基铁粉板设置于所述收发装置与所述磁铁之间，所述放大装置与所述磁铁相互贴合，所述放大装置与所述收发装置连接。所述壳体的第二面开设有出线孔、出水孔和进水孔，所述出水孔和所述进水孔均与所述壳体内部连通，以便经所述出水孔和所述进水孔向所述壳体内部注入循环水，进而维持所述壳体内部的温度，所述放大装置与经所述出线孔引出的信号线连接。使用该电磁超声换能器对被测试件进行测试时，经出水孔和进水孔向壳体内部注入循环冷却水，进而维持壳体内部的温度，保证了在高温环境下，收发装置能感应到被测试件中的超声波信号，解决红热状态下金属材料检测的高温冷却问题，保证磁体磁场有效存在，保证接收缺陷信号的灵敏度和准确性。同时，采用非接触式探伤，不受被检材料几何形状和表面粗糙度的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种电磁超声换能器，其特征在于，包括：壳体和设置于所述壳体内的放大装置、收发装置和磁铁；所述壳体的第一面开设有漏磁窗，在所述漏磁窗处设置有非金属材料板以封闭所述漏磁窗，所述收发装置位于所述漏磁窗处，所述磁铁位于所述放大装置与所述收发装置之间，所述放大装置与所述磁铁相互贴合，所述放大装置与所述收发装置连接，所述壳体的第二面开设有出线孔、出水孔和进水孔，所述出水孔和所述进水孔均与所述壳体内部连通，以便经所述出水孔和所述进水孔向所述壳体内部注入循环水，进而维持所述壳体内部的温度，所述放大装置与经所述出线孔引出的信号线连接；

所述放大装置用于将所述信号线传输的交流激励信号放大后传输给所述收发装置，以及将所述收发装置感应到的电磁信号放大后经所述信号线传输出去。

2.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述出水孔和所述进水孔处均安装有水嘴，在所述出线孔处设置有护筒以及带出口的护筒盖帽，所述护筒盖帽套设在所述护筒上，所述信号线经所述护筒盖帽引出。

3.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体相对成壳，在所述第一壳体与所述第二壳体的贴合处采用密封件密封，所述漏磁窗开设于所述第一壳体上，所述出线孔、所述出水孔以及所述进水孔均开设于所述第二壳体上。

4.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述放大装置包括：屏蔽壳和置于所述屏蔽壳内的双向前置放大器，所述屏蔽壳与所述双向前置放大器之间填充有填充层，所述双向前置放大器与所述信号线和所述收发装置连接，所述屏蔽壳与所述磁铁相互贴合。

5.根据权利要求4所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述填充层为高温灌封胶层。

6.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述收发装置包括：电路板以及设置于所述电路板上的线圈，所述电路板上的焊接点采用高温灌封胶灌封，达到绝缘防水的效果。

7.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，在所述漏磁窗的外侧设置有SiC陶瓷板。

8.根据权利要求7所述的电磁超声换能器，其特征在于，在所述漏磁窗的内侧设置有SiO₂陶瓷板。

9.根据权利要求1－8任一项所述的电磁超声换能器，其特征在于，还包括：羰基铁粉板，所述羰基铁粉板设置于所述收发装置与所述磁铁之间。

10.一种测试系统，其特征在于，包括：上位机、阻抗匹配模块和如权利要求1－9任一项所述的电磁超声换能器；所述上位机与所述阻抗匹配模块连接，所述阻抗匹配模块与所述电磁超声换能器连接。