[发明专利]纵向模态超声导波的电磁换能装置、管道检测系统及方法

说明书

一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置、管道检测系统及方法。电磁超声换能装置包括两个环形磁铁阵列和一个环形螺旋线圈组。环形磁铁阵列由永磁铁和磁铁底座构成，与管道同轴布置，安装在环形螺旋线圈组的两侧，提供平行于管道轴向的静态偏置磁场；两个环形磁铁阵列中的磁铁在待检测管道圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁的极性相反，螺旋线圈组中相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长，提供平行于管道轴向的动态交变磁场；在轴向静态偏置磁场和轴向动态交变磁场共同作用下激励出纵向模态的管道超声导波。本发明可有效的在钢管中激励和接收纵向模态的超声导波，激励模态单一，信噪比高，便于实现对管道的全面检测。

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，特别涉及一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置。

背景技术

超声导波检测技术具有超声波传播距离远、声波衰减率低、在短时间内能够覆盖大部分的检测范围等优点，近年来被广泛应用于管道无损检测领域。其中，轴对称的纵向模态是管道超声导波中较为常用的检测模态，其优势在于：该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响，即具有良好的非频散特性；质点的振动方向与导波的传播方向均沿管道轴向，对管道的周向缺陷较为敏感；径向的振动位移较小，传播过程中能量泄露较少，故对管道长距离检测具有一定的优势。

管道超声导波检测技术主要使用压电超声换能器和电磁超声换能装置(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激励和接收纵向模态的超声导波信号。然而，压电超声换能器存在一定的不足，主要体现在：通过耦合剂与被测试件接触，往往需要对试件的表面进行打磨、清洗等预处理工作，且安装较为复杂，检测效率较低，不利于现场的快速检测。而电磁超声换能装置可直接在导体或铁磁性材料中激励超声导波信号，具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适用于高温环境、可实现快速检测等优点。

电磁超声换能装置的工作原理主要有两种：洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机制的电磁超声换能装置可应用于所有导体材料的管道检测中，但其换能效率较低，激励的导波信号幅值和信噪比较低；而磁致伸缩机制的电磁超声换能装置只能用于铁磁性材料的管道检测中，但其换能效率较高，可以产生高幅值和高信噪比的导波信号，传播距离更远，检测范围更广。因此在钢管检测中，常使用磁致伸缩机制的电磁超声换能装置。

电磁超声换能装置主要由提供静态偏置磁场的磁铁和提供动态交变磁场的线圈组成，通过改变磁铁和线圈的结构形状，可设计出不同类型的电磁超声换能装置。现阶段，国内外在纵向模态导波的电磁超声换能装置的研究上取得了一定的进展，激励机制的研究已经较为成熟。但在工程应用中仍然存在换能器安装、拆卸不便，激励信号不理想，检测效率较低等问题，因此，优化设计已有的电磁超声换能装置或研制新型的电磁超声换能装置依旧是该领域研究的热点和难点之一。

发明内容

本发明的目的是设计一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，该电磁超声换能装置结构简单，安装便利，通过磁致伸缩机制，在永磁铁提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的轴向动态交变磁场的共同作用下，有效的激励出高信噪比的纵向模态导波信号，实现对管道的全面检测。

本发明的技术方案如下：

一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，包括：环形螺旋线圈组(2)，所述环形螺旋线圈组(2)包括一个或多个沿待检测管道(3)轴向间隔地布置在待检测管道(3)的外圆周上的线圈；环形磁铁阵列(1)，位于环形螺旋线圈组(2)沿待检测管道(3)的轴向的两侧，所述环形磁铁阵列(1)包括磁铁(11)和环形磁铁底座(12)，环形磁铁底座(12)同轴套设在待检测管道(3)的外圆周上，磁铁(11)沿待检测管道(3)的圆周方向安装在磁铁底座(12)上，并且，两个环形磁铁阵列(1)中的磁铁(11)在待检测管道(3)圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁(11)的极性相反。

优选地，所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为永磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。