[发明专利]一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器、激发装置和接收装置

说明书

本发明公开一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器、激发装置和接收装置，包括：骨架、正相线圈组、反相线圈组。该电磁超声换能器通过一种特殊波形的激励电流，在待测铁磁性管道内激发脉冲磁场的同时，自动生成外加的偏置磁场。正相线圈组和反相线圈组所产生交替分布的磁致伸缩效应满足超声波相长干涉的匹配关系，从而在铁磁性管道中激励出沿轴向传播的电磁超声纵向导波。本发明还公开了使用该换能器的电磁超声激发装置和电磁超声接收装置。本发明公开的电磁超声换能器无需设置直流线圈和交流线圈，结构更简单，对应的激发装置和接收装置，也无需使用刚性永磁铁来提供偏置磁化场，减小了装置的体积。

技术领域

本发明涉及电磁超声导波检测技术及设备领域，具体涉及一种应用于铁磁性管道的电磁超声换能器，可用于铁管、钢管等铁磁性管道缺陷的无损检测。

背景技术

随着天然气、石油等能源工业发展迅速，管道运输具有高效、低损、低成本等优点，越来越受到工业领域的重视，这些管道基本都是以铁磁性管道为主。但铁磁性管道抗腐蚀能力较弱，在管道内恶劣的工况下，易出现裂纹、腐蚀等缺陷。这些缺陷若不能及时排查并处置，进一步会引发管道泄漏、爆炸，造成巨大的经济损失和人员伤亡。

在各种无损检测技术中，电磁超声检测技术具有非接触式的特点，能在金属材料表面激发超声波，检测速度快，使用方便。目前，电磁超声检测技术已经在石化、高铁、航空、航天等诸多领域广泛应用。

电磁超声检测技术中，产生电磁超声的有两种效应：洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。对于铁磁性材料，磁致伸缩效应的作用会更为突出，因此在铁磁性管道中，多采用磁致伸缩效应来激发超声波。电磁超声换能器通过向外辐射一个脉冲磁场，该脉冲磁场和外加磁场的复合作用，在铁磁性材料中产生磁致伸缩效应。

中国专利CN 103616441 A公开了一种用于铁磁材料的电磁超声信号激励装置。采用电磁超声的换能机理，可激发纵波与横波分离的超声信号，用于对铁磁材料薄板中微小缺陷的在线检测。用电磁铁提供磁场，以电磁超声换能机理为技术核心，对被激发的洛伦兹力和磁致伸缩力进行正交分解。

中国专利CN104122330B公开了一种基于电磁超声纵向导波的管道缺陷检测方法，包括设置多个与管道同轴布置的环形磁铁，在管道表面上的产生径向静态磁场；在各环线磁铁阵列的两侧同轴套设螺线管线圈，使得待检测管道中产生周向感应涡流；在周向感应涡流和径向静态磁场的共同作用下，从而激励出纵向模态导波。该发明中需要使用多组永磁铁，而且多个螺线管线圈之间电流方向不同，产生的涡流易互扰。

中国专利CN 108088907 A公开了一种基于电磁超声的高温管线伤损在线监测系统，能够快速扫查较长距离的管道中缺陷的分布情况，可将换能器及硬件电路系统长期安装在管道上；通过热电转换电路将管道自身的热量转化为电能，工作时为系统供电；可积累大量的数据，通过对数据的综合分析，提高系统灵敏度和结果的可靠性。

但目前用于管道缺陷检测的电磁超声换能器主要存在以下不足：首先，电磁超声换能器多采用洛伦兹力效应进行激励，而在线管道多为铁磁性管道，因此超声波激励的效率不高；其次，电磁超声换能器均采用刚性磁铁提供偏置磁场，探头体积大，不适合管道缺陷检测对电磁超声换能器小型化、便携化的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供了一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器。该换能器既不需要强磁铁提供静态磁场，也不需要设置直流线圈形成电磁铁，而是通过一种特殊波形的激励电流，在待测铁磁性管道内激发脉冲磁场的同时，也会自动生成外加的偏置磁场。通过线圈自激励形成的偏置磁场和脉冲磁场，在铁磁性管道壁产生磁致伸缩效应，并形成电磁超声纵向导波。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，包括：骨架、正相线圈组、反相线圈组，其中，