CN212540248U - 用于身管曲面检测的电磁超声斜入射sv波探头及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头及装置，其中探头包括外壳、弧形永磁体、柔性曲折线圈、导磁不导电的柔性支撑垫片、固定机构；所述永磁体、曲折线圈、柔性支撑垫片均设置于所述外壳内部，且所述柔性支撑垫片设置于所述永磁体下表面，所述曲折线圈设置于所述柔性支撑垫片下表面；所述外壳底部呈弧形；所述固定机构安装于所述外壳上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体表面并将其固定。

Description

用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头及装置

技术领域

本实用新型涉及身管检测设备领域，尤其涉及一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头及装置。

背景技术

身管作为火炮、枪械等常规武器的重要组成部分，其安全不仅关乎作战人员的安全，而且在作战中起到重要的作用。在射击过程中，身管药室部位受到高温高压、高速火药燃气以及弹头摩擦等作用，导致内壁出现微裂纹，随着发弹数量的增加，这些微小裂纹会逐渐扩展形成开口裂纹，并且整个药室尺寸口径会发生变化，导致炮弹的出射角、射程等偏离预期值，降低炮弹的作战精度。

目前，常用的身管检测方法有CCD摄像法、涡流探伤法、射线探伤法、渗透探伤法、磁粉探伤法和激光投影法。CCD摄像法将光学摄像头投射出与身管轴线正交的光圈，对光圈成像，但是这种方法成本高，镜头聚焦极短，并不能检测管道内壁缺陷。涡流检测法采用激励线圈使身管上产生涡流，通过涡流变化得到表面缺陷信号，但是很难获取缺陷深度方向的信息，同时也无法检测近表面/内部缺陷。射线检测法对身管缺陷定位准确，但是由于身管尺寸较大，移动不方便，检测成本高，很难实现身管的原位在线检测。渗透检测方法对于身管表面光洁度要求很高，表面不开口的近表面缺陷无法检出，灵敏度很低。磁粉探伤法能够检测出表面以及近表面的开口缺陷，但是与磁力线平行的缺陷不易检出。

传统水浸超声检测方法也可以应用于身管内部损伤检测，但是由于身管长度达8-9米，直径在200mm以上，所需水槽体积庞大，实现大型身管原位检测难度很大。压电超声、相控阵超声通过在身管表面涂抹耦合剂，可以用于身管原位检测。由于耦合剂可能对身管表面造成腐蚀、身管表面涂有约0.5mm防护非金属材料等问题，以及身管为曲面、变径，无法保证探头的楔块与曲面、变径身管良好贴合，或者在检测过程中需要不断地更换楔块，导致检测效率低，无法实现快速检测。

电磁超声作为一种新型无损检测技术，由于不需要耦合剂以及不用对身管外表面进行预处理，对检测环境要求不高，已广泛应用于石油管道和钢轨等部位的在线检测。

目前关于电磁超声斜入射体波检测方法及其装置的专利报道主要有以下几个：

专利申请号CN110333291A公布了“一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法”，通过在曲折线圈与待测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片屏蔽部分导线，获得相应的有效激励部位和聚焦焦点。

专利申请号CN200910073193.2公布了“一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方法”，通过阵列探头与电磁超声探伤仪相连，每组阵列由2个超声波探头组成，其中一个探头接收缺陷波，另一个探头接收端面反射波，可以用于车轮轮箍缺陷检测。通过比较缺陷波的有无、强度和端面波的幅值，进行缺陷大小及类型的定量分析。

专利申请号CN200910073193.2公布了“一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法”，采用两个曲折线圈水平叠加设置，两线圈到聚焦线的距离之差为正弦信号波长的1/4，每个线圈导线到聚焦线的距离之差为波长的1/2，从而实现线聚焦电磁超声斜入射体波换能器单向发射超声波。

上述几种专利都是基于平面斜入射体波检测方法，而身管具有曲面、变径等复杂结构，上述方案无法适用于曲面身管内部缺陷的成像检测。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头及装置，以解决现有的设备无法适用于曲面身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷检测的问题。

第一方面，提供了一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，包括外壳、弧形永磁体、柔性曲折线圈、导磁不导电的柔性支撑垫片、固定机构；

所述永磁体、曲折线圈、柔性支撑垫片均设置于所述外壳内部，且所述柔性支撑垫片设置于所述永磁体下表面，所述曲折线圈设置于所述柔性支撑垫片下表面；所述外壳底部呈弧形；

所述固定机构安装于所述外壳上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体表面并将其固定。

在永磁体下表面设置一层导磁不导电的柔性支撑垫片，可防止曲折线圈与永磁体之间形成超声波，以及通过柔性支撑垫片与柔性曲折线圈的配合使用，可使电磁超声斜入射SV波探头与待测身管的曲面良好贴合并提高信噪比，保证换能效率。工作时，向该电磁超声斜入射SV波探头通入不同激励频率的脉冲电流可使待测身管内部产生沿不同入射角传播的SV波；传统压电探头需要频繁更换楔块才能实现不同入射角度的超声波，采用本方案中电磁超声斜入射SV波探头，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便，能够有效提高检测效率和检测能力。

进一步地，所述曲折线圈采用柔性印刷PCB制作，包括柔性基板及印刷于所述柔性基板上的线圈电路。可保证曲折线圈与待测身管的曲面良好接触，曲折线圈可根据曲面的弧度随意弯曲，使用灵活方便。

进一步地，所述曲折线圈的匝数为20～50匝，且其单匝导线为多导线分裂式结构，单匝导线包括4～10根导线，能够有效提高电磁超声的换能效率。

进一步地，所述固定机构包括设置于所述永磁体两侧且与所述永磁体两侧斜面配合的斜楔，以及设置于所述永磁体上方且与所述永磁体上表面配合的曲面压板，所述曲面压板及两个斜楔均通过固定螺栓安装于所述外壳上。

使用时，可根据实际需要，通过调节固定螺栓可以实现斜楔与永磁体的相对移动，进而改变永磁体与待测身管的提离高度。

进一步地，所述外壳的两侧下方设置有多个滚轮，方便电磁超声斜入射SV波探头在待测身管表面灵活移动。

进一步地，所述多个滚轮中的一个滚轮的外侧安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头位移信息的编码器。

进一步地，所述外壳上还设置有与所述曲折线圈连通的BNC接口，用于连接同轴电缆，方便电磁超声斜入射SV波探头与外部设备连接。

进一步地，所述外壳由黄铜制成，可有效屏蔽外部噪音信号。

进一步地，所述永磁体为沿径向充磁的钕铁硼永磁铁。

第二方面，提供了一种用于身管曲面检测的电磁超声装置，包括依次连接的信号发生器、射频功率放大器、激励端阻抗匹配电路、电磁超声斜入射SV波探头、接收端阻抗匹配电路、滤波器、前置放大器、数据采集卡，所述信号发生器、数据采集卡均与PC机连接；所述电磁超声斜入射SV波探头为如上所述的电磁超声斜入射SV波探头。

其中，所述信号发生器用于接收所述PC机的激励指令，依次产生激励频率渐变的脉冲电流；

所述射频功率放大器用于将信号发生器产生的脉冲电流放大，然后经所述激励端阻抗匹配电路通入所述电磁超声斜入射SV波探头；

所述电磁超声斜入射SV波探头用于在依次通入放大后的激励频率渐变的脉冲电流后使待测身管内部产生入射角渐变传播的SV波；还用于接收多组对应不同入射角传播的SV波的超声回波信号，并经过所述接收端阻抗匹配电路传输至滤波器；

所述滤波器用于将超声回波信号滤波后传输至所述前置放大器；

所述前置放大器用于将滤波后的超声回波信号进行放大后传输至数据采集卡；

所述数据采集卡用于将超声回波信号由电信号转换为数字信号后传输至所述PC机；

所述PC机用于向所述信号发生器发送激励指令；还用于接收所述数据采集卡传输的多组超声回波信号，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号。

激励端阻抗匹配电路将电磁超声斜入射SV波探头中线圈的阻抗值与射频功率放大器的输出阻抗进行共轭匹配，保证线圈获得最大的激励功率；接收端阻抗匹配电路用于将电磁超声斜入射SV波探头接收到的功率能够最大化地转移至前置放大器。

上述方案提供的一种用于身管曲面检测的电磁超声装置的工作原理如下：首先由PC机向信号发生器发送激励指令，控制其依次产生激励频率渐变的脉冲电流，然后经过射频功率放大器放大后经过激励端阻抗匹配电路通入电磁超声斜入射SV波探头，进而使待测身管内部产生入射角渐变的SV波，电磁超声斜入射SV波探头还可以接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过滤波器滤波、前置放大器放大、数据采集卡进行信号转换后传输至PC机，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号。利用PC机对采集到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，可获得缺陷的剖面几何信息；进而实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。实施时，可通过移动电磁超声斜入射SV波探头的位置以实现待测身管全长度范围内所有预设探测位置的B扫成像检测，并结合编码器在此过程中采集到的对应的位移信息，可得到待测身管内部缺陷三维图像，而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，实现曲面身管的原位检测。

有益效果

本实用新型提出了一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头及装置，通过在永磁体下表面设置一层导磁不导电的柔性支撑垫片，可防止曲折线圈与永磁体之间形成超声波，以及通过柔性支撑垫片与柔性曲折线圈的配合使用，可使电磁超声斜入射SV波探头与待测身管的曲面良好贴合并提高信噪比，保证换能效率。工作时，向该电磁超声斜入射SV波探头通入不同激励频率的脉冲电流可使待测身管内部产生沿不同入射角传播的SV波；传统压电探头需要频繁更换楔块才能实现不同入射角度的超声波，采用本方案中电磁超声斜入射SV波探头，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便，能够有效提高检测效率和检测能力，适用于曲面身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种电磁超声斜入射SV波探头结构示意图；

图2是图1提供的实施例中曲折线圈结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种用于身管曲面检测的电磁超声装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型进行详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”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，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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，包括外壳14、弧形永磁体11、柔性曲折线圈12、导磁不导电的柔性支撑垫片13、固定机构；

所述永磁体11、曲折线圈12、柔性支撑垫片13均设置于所述外壳14内部，且所述柔性支撑垫片13设置于所述永磁体11下表面，所述曲折线圈12设置于所述柔性支撑垫片13下表面；所述外壳14底部呈弧形；

所述固定机构安装于所述外壳14上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体11表面并将其固定。

在永磁体11下表面设置一层导磁不导电的柔性支撑垫片13，可防止曲折线圈12与永磁体11之间形成超声波，以及通过柔性支撑垫片13与柔性曲折线圈12的配合使用，可使电磁超声斜入射SV波探头与待测身管的曲面良好贴合并提高信噪比，保证换能效率。工作时，向该电磁超声斜入射SV波探头通入不同激励频率的脉冲电流可使待测身管内部产生沿不同入射角传播的SV波；传统压电探头需要频繁更换楔块才能实现不同入射角度的超声波，采用本方案中电磁超声斜入射SV波探头，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便，能够有效提高检测效率和检测能力。

具体的，如图2所示，所述曲折线圈12采用柔性印刷PCB制作，包括柔性基板及印刷于所述柔性基板上的线圈电路，实施时，根据实际需要，柔性基板厚度可选择0.1～0.3mm。可保证曲折线圈12与待测身管的曲面良好接触，曲折线圈12可根据曲面的弧度随意弯曲，使用灵活方便。曲折线圈12的匝数可选择20～50匝，且其单匝导线为多导线分裂式结构，单匝导线包括4～10根导线，能够有效提高电磁超声的换能效率。。

其中，所述固定机构包括设置于所述永磁体11两侧且与所述永磁体11两侧斜面配合的斜楔15，以及设置于所述永磁体11上方且与所述永磁体11上表面配合的曲面压板16，所述曲面压板16及两个斜楔15均通过固定螺栓17安装于所述外壳14上。使用时，可根据实际需要，通过调节固定螺栓17可以实现斜楔15与永磁体11的相对移动，进而改变永磁体11与待测身管的提离高度。

本实施例中，所述外壳14的两侧下方设置有多个滚轮18，方便电磁超声斜入射SV波探头在待测身管表面灵活移动。所述多个滚轮18中的一个滚轮的外侧安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头位移信息的编码器19。所述外壳14上还设置有与所述曲折线圈12连通的BNC接口20，用于连接同轴电缆，方便电磁超声斜入射SV波探头与外部设备连接。

具体实施时，所述外壳14由黄铜制成，可有效屏蔽外部噪音信号。在一具体实例中，所述永磁体11其竖截面为扇面形，选用沿径向充磁的N52钕铁硼永磁铁，该N52钕铁硼永磁铁尺寸为内径159mm，外径179mm，圆弧角50°，厚度20mm，能够提供较强的偏置磁场。柔性支撑垫片13可选用铁氧体橡胶制成，柔性支撑垫片13粘贴包覆于永磁体11下方，曲折线圈12粘贴与柔性支撑垫片13下方。曲折线圈12中单匝导线包括4根导线，每根导线宽度为0.15mm，相邻导线之间间距为0.3mm，曲折线圈匝间距d＝1.6mm。此时，设定曲折线圈12的激励频率范围1.3MHz～2.5MHz，以0.1MHz为步长(固定频率间隔)，周期数为5～10、幅值为10～20A的正弦脉冲电流通入曲折线圈，可使待测身管内产生入射角为50°～23.5°的SV波，其中激励频率为2MHz时会产生入射角为30°的SV波。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种用于身管曲面检测的电磁超声装置，包括依次连接的信号发生器2、射频功率放大器3、激励端阻抗匹配电路4、电磁超声斜入射SV波探头1、接收端阻抗匹配电路5、滤波器6、前置放大器7、数据采集卡8，所述信号发生器2、数据采集卡8均与PC机9连接；所述电磁超声斜入射SV波探头1为上述实施例提供的电磁超声斜入射SV波探头。

其中，所述信号发生器2用于接收所述PC机9的激励指令，依次产生激励频率渐变的脉冲电流；

所述射频功率放大器3用于将信号发生器2产生的脉冲电流放大，然后经所述激励端阻抗匹配电路4通入所述电磁超声斜入射SV波探头1；

所述电磁超声斜入射SV波探头1用于在依次通入放大后的激励频率渐变的脉冲电流后使待测身管10内部产生入射角渐变传播的SV波；还用于接收多组对应不同入射角传播的SV波的超声回波信号，并经过所述接收端阻抗匹配电路5传输至滤波器6；

所述滤波器6用于将超声回波信号滤波后传输至所述前置放大器7；

所述前置放大器7用于将滤波后的超声回波信号进行放大后传输至数据采集卡8；

所述数据采集卡8用于将超声回波信号由电信号转换为数字信号后传输至所述PC机9；

所述PC机9用于向所述信号发生器2发送激励指令；还用于接收所述数据采集卡8传输的多组超声回波信号，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号。

激励端阻抗匹配电路4将电磁超声斜入射SV波探头1中曲折线圈的阻抗值与射频功率放大器3的输出阻抗进行共轭匹配，保证曲折线圈获得最大的激励功率；接收端阻抗匹配电路5用于将电磁超声斜入射SV波探头1接收到的功率能够最大化地转移至前置放大器7。

上述方案提供的一种用于身管曲面检测的电磁超声装置的工作原理如下：首先由PC机9向信号发生器2发送激励指令，控制其依次产生激励频率渐变的脉冲电流，然后经过射频功率放大器3放大后经过激励端阻抗匹配电路4通入电磁超声斜入射SV波探头1，进而使待测身管10内部产生入射角渐变的SV波，电磁超声斜入射SV波探头1还可以接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过滤波器6滤波、前置放大器7放大、数据采集卡8进行信号转换后传输至PC机9，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号。后期可利用PC机9上LabView软件对采集到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，可获得缺陷的剖面几何信息；得到的B扫图像中，取缺陷反射波幅值最大的A扫信号，将该A扫信号中缺陷反射波幅值与含人工预制的缺陷对比试样进行比较，确定缺陷的当量大小，获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置；进而实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。实施时，可通过移动电磁超声斜入射SV波探头的位置以实现待测身管全长度范围内所有预设探测位置的B扫成像检测，并结合编码器在此过程中采集到的对应的位移信息，可得到待测身管内部缺陷三维图像，而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，实现曲面身管的原位检测。

上述实施例提出了一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头及装置，具有如下优点：

(1)由于身管的变径结构特点，当换能区域较大时，压电超声探头和楔块无法与曲面身管良好贴合。本方案采用柔性印刷线圈配合弹性支撑垫片，保证电磁超声斜入射SV波探头与变径身管贴合良好，可以保证换能效率，避免常规压电超声由于探头与身管曲面贴合不佳问题导致换能效率下降。

(2)传统压电探头需要频繁更换楔块才能实现不同入射角度的超声波，采用本方案中电磁超声斜入射SV波探头，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便，能够有效提高检测效率和缺陷检测灵敏度。

(3)利用上述方案提供的电磁超声斜入射SV波探头及电磁超声装置进行检测过程中，不用物理机械装置控制，仅仅改变曲折线圈的激励频率，就可使超声波的主声束发生偏转。检测过程中，当超声波主声束的与裂纹或面积型缺陷的最大反射面垂直时，此时缺陷回波最大。可根据最大缺陷回波幅值进行缺陷的当量分析，可以提高缺陷定量检测的精度。

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 (10)

1.一种用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，包括外壳、弧形永磁体、柔性曲折线圈、导磁不导电的柔性支撑垫片、固定机构；

所述永磁体、曲折线圈、柔性支撑垫片均设置于所述外壳内部，且所述柔性支撑垫片设置于所述永磁体下表面，所述曲折线圈设置于所述柔性支撑垫片下表面；所述外壳底部呈弧形；

所述固定机构安装于所述外壳上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体表面并将其固定。

2.根据权利要求1所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述曲折线圈采用柔性印刷PCB制作，包括柔性基板及印刷于所述柔性基板上的线圈电路。

3.根据权利要求2所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述曲折线圈的匝数为20~50匝，且其单匝导线为多导线分裂式结构，单匝导线包括4~10根导线。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述固定机构包括设置于所述永磁体两侧且与所述永磁体两侧斜面配合的斜楔，以及设置于所述永磁体上方且与所述永磁体上表面配合的曲面压板，所述曲面压板及两个斜楔均通过固定螺栓安装于所述外壳上。

5.根据权利要求1所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述外壳的两侧下方设置有多个滚轮。

6.根据权利要求5所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述多个滚轮中的一个滚轮的外侧安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头位移信息的编码器。

7.根据权利要求1所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述外壳上还设置有与所述曲折线圈连通的BNC接口。

8.根据权利要求1所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述外壳由黄铜制成。

9.根据权利要求1所述的用于身管曲面检测的电磁超声斜入射SV波探头，其特征在于，所述永磁体为沿径向充磁的钕铁硼永磁铁。

10.一种用于身管曲面检测的电磁超声装置，其特征在于，包括依次连接的信号发生器、射频功率放大器、激励端阻抗匹配电路、电磁超声斜入射SV波探头、接收端阻抗匹配电路、滤波器、前置放大器、数据采集卡，所述信号发生器、数据采集卡均与PC机连接；所述电磁超声斜入射SV波探头为权利要求1至9任一项所述的电磁超声斜入射SV波探头。

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