CN210427451U - 用于对测试对象进行导波测试的设备 - Google Patents

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Abstract

用于对测试对象进行导波测试的设备包括：接收器电磁声换能器(EMAT)的线性阵列；以及至少一个发射器EMAT的线性阵列，设置成基本上平行于接收器EMAT的线性阵列并且被配置成在基本垂直于至少一个发射器EMAT的线性阵列的方向上在所述测试对象中发射导波。(i)至少一个发射器EMAT的线性阵列的发射器线圈具有共同的卷绕方向，相邻接收器EMAT的接收器线圈具有交替的卷绕方向，并且至少两个相邻接收器EMAT的接收器线圈串联连接，或者(ii)发射器EMAT的发射器线圈具有交替的卷绕方向，相邻接收器EMAT的接收器线圈具有共同的卷绕方向，并且至少两个相邻接收器EMAT的接收器线圈串联连接。

Description

用于对测试对象进行导波测试的设备
技术领域
本公开涉及导波测试，比如管道的导波测试。
背景技术
已知使用最低阶扭转导波模式T(0，1)进行导波测试。这些技术可以使用压电和磁致伸缩换能器。两种换能机制都具有高灵敏度并导致强信号。然而，这两种换能方式也存在使用致动器(磁致伸缩条(参见，例如，美国专利No.6624628)或压电元件)的问题，这些致动器需要通过力或结构粘结机械地耦合到该结构。粘合剂粘合或换能器上的力的任何变化都会导致激发信号强度的变化。当尝试检测随时间变化监视的信号的微小变化时，这可能导致问题。这些小变化的出现可能是由于存在应检测到的小缺陷，但是由于粘接剂或将换能器耦合到管道或其它测试对象(例如，石油平台腿上的焊缝、大型容器的一部分等)的力的变化(环境条件(比如温度)的变化会容易造成这些变化)，这些变化也容易与换能灵敏度的变化相混淆。
电磁声换能器(EMAT)减少了这个问题，因为它们依赖于换能器和管道之间的非接触式电磁耦合机制(参见Wang，Wu，Sun，&Li， 2015)。这具有穿透厚涂层(比如管道上的保护涂料)的附加优点。然而， EMAT具有差的换能灵敏度，因此很少被使用。
美国专利5895856描述了EMAT用于扭转导波激励的用途，然而这些需要向它们提供高功率信号以便产生可用信号和/或高增益放大器以接收换能器激励的微弱信号。高功率EMAT不能用于本质安全顾虑限制可以使用的最大电压和电流的危险环境中。此外，由于线圈之间的电磁串扰和切换后接收放大器的建立时间，接收弱信号所需的高放大器增益在EMAT换能器上的发送和接收之间需要更长的等待时间。这要么需要发送和接收换能器的很大的物理分离，以便充分减少任何串扰，或者在发出发送信号与附近的接收换能器切换回以接收所接收的信号之间需要很长的等待时间。这两种常规的实施方式都是不可取的，因为它们导致很大的换能器或者在换能器附近的、无法从其接收信号的大的盲点。
发明内容
本公开的至少一些实施例提供了一种对测试对象进行导波测试的设备，所述设备包括：接收器电磁声换能器的线性阵列，每个所述接收器电磁声换能器具有接收器线圈，用于将所述测试对象中的振动转换成所述接收器线圈中接收的电信号；以及至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列，被设置成基本上平行于所述接收器电磁声换能器的线性阵列，并且被配置成在基本垂直于所述至少一个发射器电磁声换能器线性阵列的方向上发射所述测试对象中的导波，每个所述发射器电磁声换能器具有发射器线圈并且用于将所述发射器线圈中的驱动电信号转换成所述测试对象中的振动；其中执行以下各项之一：
(i)在所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列内的电磁声换能器的发射器线圈具有共同的卷绕方向，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的相邻电磁声换能器的接收器线圈具有交替的卷绕方向，并且所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的至少两个相邻电磁声换能器的接收器线圈串联连接；并且
(ii)在所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列内的电磁声换能器的发射器线圈具有交替的卷绕方向，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的相邻电磁声换能器的接收器线圈具有共同的卷绕方向，并且所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的至少两个相邻电磁声换能器的接收器线圈串联连接。
本公开的至少一些实施例提供了一种对测试对象进行导波测试的方法，包括：将接收器电磁声换能器的线性阵列耦合到所述测试对象，每个所述接收器电磁声换能器具有接收器线圈；将至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列耦合到所述测试对象，每个所述发射器电磁声换能器具有接收器线圈；将所述发射器线圈中的驱动电信号转换成所述测试对象中的传输振动；并且将所述测试对象中所接收的振动转换成所述接收器线圈中的接收电信号；其中执行以下各项之一：
(i)在所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列内的电磁声换能器的发射器线圈具有共同的卷绕方向，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的相邻电磁声换能器的接收器线圈具有交替的卷绕方向，并且所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的至少两个相邻电磁声换能器的接收器线圈串联连接；并且
(ii)在所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列内的电磁声换能器的发射器线圈具有交替的卷绕方向，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的相邻电磁声换能器的接收器线圈具有共同的卷绕方向，并且所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的至少两个相邻电磁声换能器的接收器线圈串联连接。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述示例的实施例，其中：
图1示意性地示出了涡电流产生的原理；
图2示意性地示出了钢管的相速度色散曲线；
图3示意性地示出了用于洛伦兹力EMAT的管道、线圈和磁体的布置以及横截面，该横截面示出了线圈中的电流流动方向和磁极以及用于激励扭转波的所得的表面牵引；表面牵引的离散贴片将被激发，理想的激励将是在管道的整个圆周上的连续表面牵引；
图4示意性地示出了管道和换能器环；
图5示意性地示出了沿向右方向(x<0)行进的非色散波和沿左方向 (x>p)的消除波；
图6a和图6b示意性地示出了计算的左、右行波；
图7示意性地示出了由感应电压引起的电流的流线；
图8示意性地示出了发射器(Tx1，Tx2)和接收器(RX1)之间的电容耦合；
图9示意性地示出了两个对称(相对于x-z平面)布置的接收器(Rx) 线圈中由于来自发射器(Tx)线圈中的电流产生的磁通量引起的感应电流：所有线圈都是平面的并且位于x-y平面上；
图10示意性地示出了接线在一起的对称定位的Rx接收器线圈如何抵消来自发射器的电磁穿透信号；
图11示意性地示出了扭转导波EMAT换能器系统，示出了间隔3/4λ的 (在前面的)两个发射换能器EMAT发射器线圈行(线性阵列)以及周向移位使得可以消除突破信号的(在后面的)一行(线性阵列)接收器 EMAT接收器线圈；
图12a、12b、12c和12d示意性地示出了Tx和Rx线圈的周向位置的差异以及Tx和Rx线圈的不同布线图案(示出了未包裹的PCB)以及围绕 Tx和Rx线圈的圆周的不同磁体取向图案；
图13和图14示意性地示出了后处理的左、右行波；并且
图15a和图15b示出了获取的左行波和右行波的实例。
具体实施方式
根据本公开，发送和接收换能器可以沿着管道(其可以携带或不携带流体)从具有低轴向间隔的位置发送并接收导波。此外，换能器可以以这样的方式布置，使得可以选择发送扭转导波的方向。
该描述首先描述在存在偏置磁场和感应涡电流的情况下在导电表面上激励机械牵引的洛伦兹力机制。随后描述了导管在管道和管件中的传播。随后描述了以(2n+1)/4λ轴向分离的两个换能器环(发射器EMAT的线性阵列)的使用如何用于执行定向发送。通过使用估计激励和接收中的信号传输损耗的简单模型，预测接收器处的信号振幅。由于信号振幅低，接收时需要高增益放大器。高增益放大引起许多问题。由于发射线圈导，接收器线圈(接收器EMAT的线性阵列的一部分)处的电容和电磁耦合致大的突破信号。在正常情况下，并且在发射器和接收器紧密分离的情况下，突破信号将使接收放大器饱和并且防止长时间接收信号。随后描述如何通过适当设计发射器和接收器线圈(以及在Tx和Rx阵列内使用不同的布线图案和磁体方向)，可以减少/消除突破信号，并且当利用靠近接收器的发射器发送信号时可以接收信号。随后描述接收器和发射器GW EMAT环的新组合的产生的信号。
用于激发表面牵引的洛伦兹力机制
EMAT的工作原理基于电磁物理原理并且由麦克斯韦方程描述。 EMAT由两个主要元件组成：永磁体(虽然也可以使用电磁铁)，被设置成产生磁场，磁场方向基本垂直于下面的主体(例如管道)的表面；以及驱动线圈(发射器线圈和/或接收器线圈)。更一般地，磁极被设置在线圈上以产生磁场，例如马蹄形磁铁的两个磁极可以向相同或不同线圈的两个单独部分提供磁场。激励机制如下：在线圈中流动的交流电流产生变化的磁场，其在钢介质中引起闭环涡电流。涡电流在与线圈平行的金属导体中流动。激发超声波的洛伦兹力是由永磁体的静磁场与样品中感应的涡电流的相互作用产生的。涡电流产生原理如图1所示。磁通量由安培的电路法描述。磁场的闭环积分与通过表面的电流成比例。B表示磁通密度。J代表电流密度。
∮B·dl＝μ<sub>0</sub>∫∫J·dS 式1
随着磁场的变化，它产生电场E，这由法拉第感应定律描述。穿过表面的磁场的变化等于沿着围绕同一表面的闭合环的电场的积分。电场的方向及其磁场与原始磁通量相反。如果电场是导电材料，则涡电流将在导体中流动。欧姆差分定律描述了感应电流的大小。
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000051
J＝σE 式3
产生的涡电流与静磁场相互作用，产生体力f。使用右手定则计算力的方向。B0是指静磁场。
f＝J x B<sub>0</sub> 式4
涡电流限于导电材料的表面，因为电流密度在钢的深度上呈指数下降。趋肤深度(skin depth)定义为从材料表面到表面的距离，其中密度降低63％ (因子1/e)。趋肤深度由式5计算：
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000061
其中δ表示以mm为单位的趋肤深度，f表示以Hz为单位的频率，μ表示以H/mm为单位的磁导率，σ表示电导率(％IACS)。在计算EMAT施加的力分布时，趋肤深度很重要。
管道中的扭转导波传播
管道中导波传播的物理特性是很好理解的[参见Rose 2004]。有无数种不同的模式可以传播，并且它们的相速度和模式形状(管道横截面上的特征位移)是频率相关的。波传播特性通常以色散曲线的形式总结，如图2 所示。
基本扭转波模式T(0,1)是导波检测和监测的最佳模式之一。它是非色散的，这意味着所有频率的信号都以相同的速度沿着管道传播，即剪切速度(在钢中的传播速度为～3260m/s)。此外，T(0,1)模式形状是横跨管道横截面的恒定剪切位移。这导致对位于整个横截面上不同位置的缺陷具有相同的灵敏度。
图2还显示许多其它模式可以沿管道传播。这些模式是纵向L(x， y)族或弯曲波F(x，y)族的一部分，其中x代表圆周阶，y代表模数。因为利用洛仑兹力EMAT实际上很难或甚至是不能纯粹激励T(0,1)模式，所以在激励期间有助于抑制高阶弯曲模式。用于扭转波激励的洛伦兹力EMAT可以被构造成如图3所示。这种类型的布置导致在切线方向上在管道表面上激发超过2N倍的离散贴片的洛伦兹力，其中N是围绕管道圆周分布的线圈的数量(参见图3)。为了激发干净的扭转波，提供比在操作带宽内可以存在的最高挠曲模式的阶位更均匀分布的换能器(表面牵引)是有帮助的[参见Alleyne 1999]。对于3”管和图2中的色散曲线，这是 9阶，因此需要超过9个贴片，满足该特性的合适实施例将是6个线圈，因此如图3所示的12个贴片。更一般地，所述发射器电磁声换能器的至少一个线性阵列包括N个发射器电磁声换能器，其中N是以下中的至少一个：
正整数，该正整数大于在所述驱动电信号和所述接收的电信号的任何基本上非零频率分量以上的频率下只能存在于所述管道内的第一弯曲波模式的圆周阶；以及
P/λ的0.5至6倍之间的整数，其中P是所述管道周围的圆周距离，并且λ是所述管道中的剪切波的波长，其频率对应于所述驱动电信号和所述接收电信号的实际频率分量。
利用两个轴向分离的发射器发送定向导波
当在管道的给定部分激励扭转波时，扭转波在两个方向上传播。左右行波都以相同的振幅传播。由于基本扭转波(T(0,1))是非色散的(其相速度在每个频率都是恒定的)，因此可以用达朗贝尔解决描述波。
f(x,t)＝y(x-ct)+y(x+ct) 式6
在测试期间，可以检测到来自缓慢增长的腐蚀缺陷的回波。当超声波在两个方向上传播时，不能确定所接收的回波的位置，只能计算与发射器位置的距离。因此，激发仅在一个方向上行进的超声波并且诊断回波的确切位置是有益的。
可以使用以指定距离分开的两个EMAT环(发射器EMAT的线性阵列)来实现定向导波发送。发射器换能器的两个环产生左右行波，但是这些波将在一个方向上抵消(破坏性地干涉)，而它们将在另一个方向上叠加(相长干涉)。
考虑放置在一定距离(p)的两个换能器环，如图4所示。第一换能器(节点1)的位置被选择为x＝0,而第二传感器则位于位置p。
用于测试的激励信号是加窗短钝音信号。信号f(t)是窗函数w(t)和载波正弦波sin(t)的乘积。窗功能允许发送有限长度的信号以供检查。窗函数通常是载波正弦波周期的3-10倍。
f(t)＝w(t)·sin(t) 式7
节点2处的换能器将比具有负极性的第一换能器稍后激励
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000071
随后，两个位置的激励信号将是：
-节点1
F(ct-x)+F(ct+x) t>0 式8
-节点2
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000081
右行波由下式给出：
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000082
右行波会在时间
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000083
后抵消。左行波的计算相同：
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000084
考虑p是四分之一波长和奇数的倍数，如下所示：
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000085
使用式12中的信息和事实sin(x)＝-sin(x+π),左行波可以改写为：
[w(ct+x)+w(ct+x-2p)]·sin(ct+x) 式13
从这种形式可以看出，具有时间差2p/c的两个窗函数将被加在一起。因此当发射器换能器的两个环闭合时，窗函数将重叠并且左行波的信号振幅将叠加。
行波可以用2D图表示。在第一和第二位置激发的波在图5中绘出。
激励两个发射器换能器环不一定必须在一次测量中完成。可以收集信号，并在后处理期间将它们叠加在一起。此外，在通过适当的后处理进行测量之后，也可以在传感器之一上实现时间延迟和负极性。
在其它实施例中，可以在任何位置利用接收器换能器(接收器EMAT 的线性阵列)捕获原始信号。当计算左行波时，从节点2获取的信号被延迟并从来自节点1获取的信号中减去。
当计算右行波时，来自节点1的信号被延迟并从来自节点2获取的信号中减去。
计算出的左、右行波的实例如图6a和图6b所示。
可以以相对良好的精度区分左、右行波。注意，原始的5周期短钝音信号已经达到预期的6.5个周期。
因此，提供发射器电磁声换能器的至少两个线性阵列，这些线性阵列在基本上垂直于接收器电磁声换能器的线性阵列的方向上以纵向间隔距离分开。驱动电信号和纵向间隔距离共同作用以控制由所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列产生的所述测试对象中的振动的传输方向。也就是说，通过正确地设置阵列距离和激励延迟，超声波在期望的传输方向上相长干涉并且在另一个方向上相消干涉。当其中一个换能器阵列(在这种情况下为左侧能器阵列)在p/c之后被激励时，可以实现在所述方向之一 (例如，左方向)上的相消干涉。随后，当根据上面的式12设置两个换能器阵列之间的距离时，实现了相长干涉。
估计发送后的信号振幅和接收损失
对于一个示例的实施例，分析给定输入信号处的接收信号强度可能是有用的。它估算了接收器放大器需要提供的所需增益。从发射信号(由驱动发射器线圈中的电信号提供)到接收信号(在接收器线圈中作为接收的电信号接收)的传递函数分为3部分：
-在发射器位置处产生的力，
-产生的位移，并且
-在线圈端子处接收的电压。
1.在发射器位置产生的力
在仪器产生10V的输入电压时，可以计算出线圈电流。仪器输出电阻为50欧姆。
EMAT阻抗是48.02+39.01jΩ。
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000091
最大涡电流取决于线圈电流、线圈匝数和耦合系数。这在我们的线圈中是：
I<sub>e</sub>≈kN<sub>c</sub>I<sub>c</sub>≈0.9·34·0.0948＝2.9005[A] 式15
现在可以将洛伦兹力计算为涡电流的体积积分
F<sub>t</sub>＝∫∫∫B<sub>z</sub>·J<sub>e</sub>dV 式16
在计算之后，表面力牵引是
Figure DEST_PATH_GDA0002240616410000101
2.特定力的位移
每个给定力的表面位移可以用有限元模拟来计算。模拟的位移振幅为0.03837nm。
3.线圈端子处接收的电压
可以用接收器线圈检测振幅为0.03837nm的扭转波。钢粒子在静磁场附近运动，诱发电场“E”；这等于运动粒子“v”的速度与静磁场B的叉积，如式18所示。可以用接收器线圈拾取产生的电流。
E＝v x B 式18
J＝σE 式19
由电场引起的电流的形状可以通过有限元模拟来确定。产生的电流的流线如图7所示。流动的形状类似于线圈的形状；因此，在感应电流和拾波线圈之间预期存在高耦合系数。电流和拾波线圈可以再次建模为变压器电路。这次接收器线圈是二次回路，其匝数为NC。十二个线圈串联连接，因此它们的输出电压叠加。根据式20计算放大器的输入电压。
估计线圈端子处接收的电压为
|V<sub>amp</sub>|＝1.349μV 式20
在89dB(系数28183)接收放大器增益后，预计接收电压为：
V＝0.03802[V] 式21
该电压可以通过标准A/D转换器采样，其量化电平约为1mV，如果需要，可以通过平均来抑制随机噪声。
导致高增益放大器饱和的电容和电磁突破机制
上一节显示接收到的信号很小，可能需要大的放大(～90dB增益)才能利用标准数字采集(DAC)设备进行测量。这就产生了这样的问题，即，发射器和接收器换能器之间的直接耦合机制可能导致信号远大于从管壁传播的波接收的导波信号。信号可能很大，以至于它们使接收放大器饱和，从而产生恒定的最大放大器电压输出信号。随后损失来自超声波信号的任何动态信息。如果信号低于放大器饱和的电平，通常需要很长时间才能使放大器恢复并再次工作。导致大的突破信号的两个直接耦合机制是电容耦合和电磁耦合。
电容耦合是发送换能器线圈(发射器线圈)相对于紧密定位的导电管表面的电荷累积的结果。这又导致管道和紧密定位的接收器线圈之间的相对电荷不平衡。因此，发射换能器上的净发送电压将被传递到接收器。在可以使用的典型线圈的正常条件下，电容突破导致-40dB量级的信号振幅 (在放大之前)。利用89dB放大器无法放大。这种现象如图8所示。
电磁耦合是由穿过接收器线圈并在其中引入电动势(EMF)的发射器线圈产生的磁通量的结果。感应EMF是离开发射器线圈并穿过接收器线圈的磁通密度的函数。因此，它是发射器和接收器之间的间隔距离的函数。测量表明，典型的线圈布置需要超过1米的间隔距离，以产生不会导致放大器饱和的突破信号。图9示出了发射器线圈和2个接收器线圈之间的电磁耦合原理。为简单起见，该图示出了平坦的x-y平面上的平面线圈。该原理同样适用于位于轴对称结构(比如管道)的外表面上的线圈。
减少突破问题并允许利用紧密定位传感器传输并接收来自管道的导波信号的扭转导波EMAT传感器设计
为了解决电容和电磁耦合机制，并且使得利用紧密定位的发射器和接收器发送和接收导波EMAT信号更加实用，可以使用如下所述的发射器和接收器线圈的布置：
1.为了减少(抵消)电容耦合，发射器线圈可以由差分模式的驱动器电路驱动。(接收电路也可以差分操作)。这意味着发射器线圈、管道和接收器线圈之间没有净电荷差异，使得不会发生电容耦合。(将看到较高电压的线圈侧放置得远离管道表面是有益的，并且围绕圆周的连续线圈之间的交替极性也是有益的)。
2.为了减少(抵消)电磁耦合，接收器EMAT环可以具有接收器线圈，该接收器线圈相对于穿过发射器线圈的径向轴向平面对称放置，使得发射器线圈也相对于该平面对称。在实践中，这种对称布置可能不是必需的，但它有助于理解效果的原理。此外，相对于发射器线圈对称地定位的两个接收器线圈可以以这样的方式连接，使得由发射器线圈中的电流在其中感应的电流抵消。(例如，连接到前面或相反极性，参见图10)。此外，这也需要改变放置在线圈上的磁体的极性，以便可以接收由于扭转波引起的输入信号。接收器线圈串联连接，使得由发射器线圈在所有接收器线圈上感应的电动势的总和基本为零(或至少显著减小)。
图11中示出了实施例，该实施例示出了用于扭转导波传输和接收的 EMAT换能器。它显示了两个用于定向信号传输的发射器行(线性阵列) 和一个接收换能器(线性阵列)(换能器阵列沿管轴纵向间隔开)，该接收换能器被构造成使得突破信号减小并且对导波信号的灵敏度增加。发射器线圈具有共同的尺寸、形状和匝数以及共同的卷绕方向。它们具有跑道形状，具有与管道的纵向方向对齐的两个基本笔直的部分。接收器线圈也具有共同的尺寸、形状(跑道)和匝数，但在它们的卷绕方向上交替。线圈可以形成为柔性印刷电路(例如，多层Kapton PCB)。在所示的实例中，所有接收器线圈串联连接。在一些实施例中，当两个或更多个接收器线圈串联连接时，可以实现从发射器线圈到接收器线圈的电磁耦合的期望减小。
图12a、12b、12c和12d显示了允许紧密间隔的EMAT环的电磁突破抑制的功能：
1.Tx线圈是差分驱动的，使得Tx和Rx线圈之间不会发生(或很小)电容耦合。磁铁在相邻线圈之间的方向(极性)上交替。
2.Tx和Rx环处于不同的圆周位置，使得对称性和布线(缠绕方向)的变化抵消(或减小)电磁穿透信号。此外，必须改变围绕接收器线圈的圆周的磁体取向图案，使得仍然可以接收扭转波。相邻线圈的磁铁共享一个方向(极性)。
发射器线圈可以全部共享卷绕方向，并且接收器线圈具有交替的卷绕方向，如图12a、12b、12c和12d所示。磁互易原理意味着在其它实施例中，发射器线圈可以具有交替的卷绕方向，并且接收器线圈具有共用的卷绕方向。在这种情况下，通过线圈的磁场取向将相应地改变，以考虑通过线圈下面部分的电流方向的变化，以便仍然驱动或接收所需的导波振动模式，即电流和磁场被定向，以便在管道中全部驱动或接收相同的扭转位移方向。例如，具有交替缠绕方向的发射器线圈本身将具有相反定向的磁体，并且用于相邻发射器线圈的相邻磁体将具有相同的磁体取向；具有共同缠绕方向的接收器线圈本身将具有相反定向的磁体，并且用于相邻接收器线圈的相邻磁体将具有相反的磁体取向。
示例的信号和原型换能器的结果
如前所述，可以区分左、右行波。图13和图14显示了经过后处理的左、右行波。信号相对纯净；在两个扭转波回波之间几乎不存在其它波。从放置在3米管道的中间部分的换能器原型记录信号。第一回波(1到2 毫秒之间)是管端反射的波。其它回波(2-6ms)在3米管道的两端反射多次。
将获得的信号平均500次以减少来自信号的电噪声。通过平均，噪声水平降低。这增加了测量的信噪比。由于具有良好的信噪比，可以操作稳定的测量系统，其中缺陷检测概率高。
本公开提供了设置在柔性片(其将换能器保持在它们的相对位置)内的换能器(发射器和接收器两者并且包括磁体)，柔性片可以缠绕在待测试的管道周围。柔性片包括肋，肋被定向成当接收器电磁声换能器的所述线性阵列周向地布置在所述管道周围并且抵抗与所述纵向方向垂直的所述片的弯曲时允许所述片平行于所述管道方向的纵向(即垂直于管的表面曲率的方向)弯曲。换能器还可以用电磁屏蔽覆盖，以保护接收器线圈免受管道外部的电磁场的影响。换能器、柔性片、肋和其它部件可以由耐高温的材料(例如Kapton、金属轨道、硅树脂等)形成，以提供包括大于100℃、150℃或200℃之一的温度的操作温度范围。
图15a和图15b示出了利用所提出的测量系统获取的超声信号的实例。在这个实例中，接收器和发射器阵列的间隔是40cm。对于右行波或左行波都实现了完美的抵消(相消干涉)。串扰的水平降低。
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Claims (24)

1.一种用于对测试对象进行导波测试的设备，包括：
接收器电磁声换能器的线性阵列，每个所述接收器电磁声换能器具有接收器线圈，用于将所述测试对象中的振动转换成所述接收器线圈中接收的电信号；以及
至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列，被设置成基本上平行于所述接收器电磁声换能器的线性阵列，并且被配置成在基本垂直于所述至少一个发射器电磁声换能器线性阵列的方向上发射所述测试对象中的导波，每个所述发射器电磁声换能器具有发射器线圈并且用于将所述发射器线圈中的驱动电信号转换成所述测试对象中的振动；其特征是以下各项之一：
(i)在所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列内的电磁声换能器的发射器线圈具有共同的卷绕方向，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的相邻电磁声换能器的接收器线圈具有交替的卷绕方向，并且所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的至少两个相邻电磁声换能器的接收器线圈串联连接；和
(ii)在所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列内的电磁声换能器的发射器线圈具有交替的卷绕方向，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的相邻电磁声换能器的接收器线圈具有共同的卷绕方向，并且所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的至少两个相邻电磁声换能器的接收器线圈串联连接。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述测试对象是管道，所述接收器电磁换能器管道的线性阵列和所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列被配置成围绕所述管道周向布置。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述接收器电磁声换能器的线性阵列内的所有接收器线圈串联连接。
4.如权利要求1或2所述的设备，其中，通过与所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列的所述发射器线圈电磁耦合而串联连接的所述接收器电磁声换能器的线性阵列的所述接收器线圈中感应的电动势之和基本上为零。
5.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述发射器线圈具有基本上共同的形状、尺寸和线圈匝数。
6.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述接收器线圈具有基本上共同的形状，尺寸和线圈匝数。
7.如权利要求1或2所述的设备，其中，
所述接收器线圈具有跑道形状，所述跑道形状具有两个基本上直的部分，所述两个部分基本垂直于所述接收器电磁声换能器的线性阵列对齐；以及
磁极，所述磁极设置在所述基本上直的部分的每一个上，并且被布置成提供穿过所述两个基本上直的部分中的相应一个的磁场，所述两个基本上直的部分当所述接收器电磁声换能器的线性阵列耦合到所述测试对象时基本上垂直于所述测试对象的外表面。
8.如权利要求7所述的设备，其中，
设置在所述接收器线圈的所述两个基本直的部分上的所述磁极具有相反的磁场取向。
9.如权利要求8所述的设备，其中，
当相邻接收器线圈的所述卷绕方向交替时，相邻接收器线圈的相邻磁极具有共同的磁场取向；并且
当相邻接收器线圈的所述卷绕方向相同时，相邻接收器线圈的相邻磁极具有相反的磁场取向。
10.如权利要求1或2所述的设备，其中，
所述发射器线圈具有跑道形状，所述跑道形状具有两个基本上直的部分，所述两个部分基本垂直于所述接收器电磁声换能器的线性阵列对齐；以及
磁极，所述磁极设置在所述基本上直的部分的每一个上，并且被布置成提供穿过所述两个基本上直的部分中的相应一个的磁场，所述两个基本上直的部分当所述接收器电磁声换能器的线性阵列耦合到所述测试对象时基本上垂直于所述测试对象的外表面。
11.如权利要求10所述的设备，其中，
设置在所述发射器线圈的所述两个基本直的部分上的所述磁极具有相反的磁场取向。
12.如权利要求11所述的设备，其中，
当相邻发射器线圈的所述卷绕方向相同时，相邻发射器线圈的相邻磁极具有相反的磁场取向；并且
当相邻发射器线圈的所述卷绕方向交替时，相邻发射器线圈的相邻磁极具有共同的磁场取向。
13.如权利要求1或2所述的设备，包括驱动电路以产生所述驱动电信号作为差分信号。
14.如权利要求1或2所述的设备，包括接收器电路以接收所述接收的电信号作为差分信号。
15.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列包括在基本垂直于所述接收器电磁声换能器的线性阵列的方向上间隔开纵向间隔距离的至少两个发射器电磁声换能器的线性阵列。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述驱动电信号和所述纵向间隔距离共同作用以控制由所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列产生的所述测试对象中的振动的传输方向。
17.如权利要求2所述的设备，其中，所述振动对应于所述管道内的基本扭转波模式振动T(0,1)。
18.如权利要求1或2所述的设备，其中，由所述振动激发的传播波是非色散的。
19.如权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列中的每一个包括N个发射器电磁声换能器，其中N是以下中的至少一个：
正整数，该正整数大于在所述驱动电信号和所述接收的电信号的任何基本上非零频率分量以上的频率下只能存在于所述管道内的第一弯曲波模式的圆周阶；以及
P/λ的0.5至6倍之间的整数，其中P是所述管道周围的圆周距离，并且λ是所述管道中的剪切波的波长，其频率对应于所述驱动电信号和所述接收电信号的实际频率分量。
20.如权利要求1或2所述的设备，包括容纳所述接收器电磁声换能器的线性阵列的柔性片，并且包括多个肋，所述多个肋被定向成当所述接收器电磁声换能器的线性阵列耦合到所述测试对象时，允许所述片平行于所述测试对象的表面曲率的方向弯曲并且抵抗垂直于所述表面曲率的方向的所述片的弯曲。
21.如权利要求20所述的设备，其中，所述柔性片还容纳所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列。
22.如权利要求21所述的设备，其中，所述肋容纳所述接收器电磁声换能器的线性阵列的磁体以及所述至少一个发射器电磁声换能器的线性阵列。
23.如权利要求2所述的设备，包括电磁屏蔽以保护所述接收器线圈免受所述管道和所述设备外部的电磁场的影响。
24.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括具有包括大于以下各项之一的温度的操作温度的部件：
100℃,
150℃，和
200℃。
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