專利名稱：水平剪切電磁超聲探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲無損檢測領(lǐng)域，更具體地，涉及ー種用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭。
背景技術(shù)：
電磁超聲(Electromagnetic acoustic,簡稱EMAT)作為一種無損檢測新技術(shù)具有一系列優(yōu)點(diǎn)。相比較于傳統(tǒng)的壓電超聲，電磁超聲檢測過程中不需要耦合剤，是ー種非接觸測量方式，因此在使用時對待測試件表面要求不高，還可用于ー些高溫環(huán)境下的無損檢測。另外電磁超聲還可以靈活地產(chǎn)生各類波型，尤其是表面波和板波的激發(fā)過程不需要更換換能器，只需要改變激勵電信號的頻率使之滿足一定條件就可以實(shí)現(xiàn)波型模式的自由選擇。因此電磁超聲技術(shù)可用于列車車輪，石油天然氣管道以及壓力容器等的檢測。
水平剪切波(簡稱SH波)作為超聲波的ー種，當(dāng)水平剪切波從平行于偏振方向的表面反射吋，不會轉(zhuǎn)化為其他類型的波，且雜亂回波較少，其對負(fù)載也不敏感，信號較純凈，因此相比于其它模式的超聲波具有一定的不可替代性。采用非接觸的電磁超聲換能器可以實(shí)現(xiàn)水平剪切波的激勵和接。傳統(tǒng)的水平剪切波電磁超聲探頭采用水平磁場曲折線圈結(jié)構(gòu)，激勵的水平剪切波波長由繞制線圈的回折間距決定。此結(jié)構(gòu)的換能效率很低，得到的信號較弱，為了提高水平磁場曲折線圈探頭的稱合效率，Remo Ribichini在其博士論文“Modelling ofelectromagnetic acoustic transducers”中提出在試件上粘接鎳帶,但是這樣就無法實(shí)現(xiàn)非接觸測量。為了彌補(bǔ)永磁鐵難以得到較強(qiáng)水平磁化的缺點(diǎn)，有研究者利用電磁鐵的趨膚效應(yīng)進(jìn)行電磁鐵磁化，張志鋼等在2005年《エ業(yè)儀表與自動化裝置》發(fā)表的“Lamb波與SH板波雙模式電磁超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)”就是采用電磁鐵和曲折線圈的探頭結(jié)構(gòu)，通過交替開關(guān)對兩組電磁鐵進(jìn)行工作控制，從而改變偏置磁場的方向來實(shí)現(xiàn)Lamb波與SH板波的切換。但電磁鐵磁化需要配合電源使用，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種在鐵磁性試件中產(chǎn)生或接收水平剪切波的電磁超聲探頭，該探頭選用永磁鐵磁化，結(jié)構(gòu)簡單，并且通過在主永久磁鐵閉合的磁路上施加輔助永久磁鐵，實(shí)現(xiàn)提高電磁超聲線圈下部試件的磁化強(qiáng)度，達(dá)到提高效率，增加電磁超聲信號強(qiáng)度和信噪比的技術(shù)效果。ー種用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭，包括殼體，該殼體內(nèi)開有三個空腔；兩塊主永久磁鐵，該兩塊主永磁鐵分別放置于殼體內(nèi)兩端的空腔內(nèi)，磁極沿豎直方向且極性相反，用于對放置于平面線圈下方的試件進(jìn)行水平磁化；銜鐵，該銜鐵用于連接兩塊主永磁鐵，并與兩主永磁鐵組成閉合磁路；平面線圈，該平面線圈放置于殼體中間的空腔內(nèi)，處于兩塊主永磁鐵之間，采用回折線圈，且線圈內(nèi)的電流方向與主永久磁鐵5提供的偏置磁場方向平行；線圈被通以高頻交流電后在試件表面產(chǎn)生交變磁場，此交變磁場與主永磁鐵提供的靜態(tài)偏置磁場共同作用，從而在試件中產(chǎn)生水平剪切波；輔助永久磁鐵，該輔助永磁鐵放置于平面線圈上方，用于提高試件的磁化強(qiáng)度；定位塊，該定位塊放置于銜鐵與輔助永久磁鐵之間，用于固定輔助永久磁鐵；殼蓋，該殼蓋與殼體連接；插座，該插座安裝在殼蓋上，通過絕緣導(dǎo)線與回折平面線圈連接；作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，所述輔助永久磁鐵的磁極沿水平方向，且N極要靠近主永久磁鐵的N極，S極靠近主永久磁鐵的S極。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，所述殼體和銜鐵包含用于絕緣導(dǎo)線走線的刻槽結(jié)構(gòu)。 作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，所述殼體、殼蓋和定位塊均由非導(dǎo)電材料制成。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，探頭還包括耐磨層，該耐磨層采用耐磨損耐高溫材料制成并粘接于殼體下方，用于防止檢測過程中由于エ件表面不平整而損壞探頭，起到保護(hù)探頭延長使用壽命的作用。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在按照本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭，在常規(guī)的水平磁場曲折線圈的基礎(chǔ)上，通過對磁化結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，増加了輔助永久磁鐵來提高電磁超聲線圈下部試件中的磁化強(qiáng)度，解決了鐵磁性材料中難以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)水平磁化的難題，從而増加電磁超聲信號的強(qiáng)度和信噪比。此結(jié)構(gòu)的水平剪切電磁超聲探頭可用于各類鐵磁性試件的非接觸無損探傷。


圖I為按照本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭的剖視圖；圖2為按照本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭用于鐵磁性試件檢測的系統(tǒng)示意圖；圖3為具體實(shí)施例中所用的帶ー 02通孔缺陷的2_鋼板試件，以及激勵和接收探頭的布置位置示意圖；圖4為水平磁場曲折線圈結(jié)構(gòu)探頭用于試件中缺陷檢測的信號波形圖；圖5本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭用于試件中缺陷檢測的信號波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。圖I是按照本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭的剖視圖。如圖I所示，ー種用于鐵磁性試件無損檢測的水平剪切電磁超聲探頭，包括插座I、殼蓋2、銜鐵3、殼體4、主永久磁鐵5、耐磨層6、平面線圈7、輔助永久磁鐵8以及定位塊9。殼體4內(nèi)開有三個腔體用于放置磁化裝置和線圈。主永磁鐵5放置于殼體4中兩端的腔體內(nèi)，通過銜鐵3形成閉合磁路，給線圈7下的試件提供水平磁化。平面線圈7放置于殼體4中間的腔體底部，采用回折形式，且通過電流方向主要與主永久磁鐵5提供的偏置磁場平行。線圈中通過高頻交流電會在下方的試件中產(chǎn)生交變的磁場，交變磁場與偏置磁場共同作用產(chǎn)生超聲波。平面線圈7的制作可以采用印制電路板也可使用漆包線自行繞制。輔助永久磁鐵8放置于平面線圈7上方，用來提高試件中的磁化強(qiáng)度。為了給試件提供水平磁化，輔助永久磁鐵8的磁極要沿水平方向，并且N極要靠近主永久磁鐵5的N扱，S極靠近主永久磁鐵5的S扱。輔助永久磁鐵8和銜鐵3之間用定位塊9填充，用來給輔助永久磁鐵8定位，定位塊9可采用木塊或者塑料制作。殼體4上方與殼蓋2通過連接件，如螺釘連接。插座I固定于殼蓋2上，通過絕緣導(dǎo)線與平面線圈7連接，用干與檢測儀器的信號傳輸。殼體4和銜鐵3均開有刻槽，用于絕緣導(dǎo)線的走線。殼體4的下方粘接有耐磨層6，采用耐磨損耐高溫材料制成。圖2為使用上述水平剪切電磁超聲探頭的ー套電磁超聲檢測系統(tǒng)示意圖。如圖2中所示，整個系統(tǒng)由激勵探頭10，功率放大器11，信號源12，主控計算機(jī)13，信號采集電路14，信號調(diào)理電路15和接收探頭16組成。主控計算機(jī)13控制信號源12產(chǎn)生預(yù)定頻率預(yù)定長度的脈沖。信號源12發(fā)出的激勵信號經(jīng)功率放大器11進(jìn)行放大后，再進(jìn)入激勵探頭10。激勵探頭10產(chǎn)生的水平剪切波在試件中傳播，經(jīng)過接收探頭16時被檢測到并被轉(zhuǎn)換成電信號。接收信號進(jìn)入信號調(diào)理電路15后被濾波和放大處理后，噪聲被削弱。較干凈的信號再經(jīng)過信號采集電路14轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采集電路14輸出的數(shù)據(jù)被計算機(jī)接收后可以被保存和顯不出來。 圖3為帶有ー個02通孔缺陷的2mm鋼板試件及探頭在鋼板上的布置位置示意圖。鋼板長290mm，寬270mm，微勵探頭10布置在板長方向上距離左端部50mm處，接收探頭16距離鋼板左端部150mm，在距離鋼板右端部40mm處有ー 02通孔缺陷。圖4為常規(guī)的水平磁場曲折線圈結(jié)構(gòu)探頭用于上述試件中缺陷檢測的信號波形圖。在圖4中水平剪切電磁超聲接探頭接收到的電磁脈沖信號用Ml表示，第一次通過接收探頭的信號用SI表示，接收探頭接收到的鋼板左端部的回波信號用S2表示，缺陷信號用Fl表示，接收探頭接收到的鋼板右端部的回波信號用S3表示，回波信號S2傳播至鋼板右端部再反射經(jīng)接收探頭接收到的回波信號用S4表示。圖5為本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭用于試件中缺陷檢測的信號波形圖。在圖5中水平剪切電磁超聲接探頭接收到的電磁脈沖信號用M2表示，第一次通過接收探頭的信號用S5表示，接收探頭接收到的鋼板左端部的回波信號用S6表示，缺陷信號用F2表示，接收探頭接收到的鋼板右端部的回波信號用S7表示，回波信號S6傳播至鋼板右端部再反射經(jīng)接收探頭接收到的回波信號用S8表示。圖4和圖5的信號是在除探頭外其他硬件設(shè)置均一致的情況下得到的，通過兩者的對比，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭性能優(yōu)于常規(guī)的水平磁場曲折線圈結(jié)構(gòu)探頭。使用本發(fā)明的探頭得到的通過信號、端部回波信號以及缺陷信號均明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)的水平磁場曲折線圈結(jié)構(gòu)探頭，幅值約為其2倍，且信號的噪聲基本不變。因此，可以證明本發(fā)明的水平剪切電磁超聲探頭具有增強(qiáng)信號強(qiáng)度和信噪比的作用，提高了檢測效率和缺陷檢測的靈敏度，可用于各類鐵磁性試件的無損探傷。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭，包括 殼體，該殼體內(nèi)開有三個空腔； 兩塊主永久磁鐵，該兩塊主永磁鐵分別放置于殼體內(nèi)兩邊的空腔內(nèi)，磁極沿豎直方向且極性相反，用于對放置于平面線圈下方的試件進(jìn)行水平磁化； 銜鐵，該銜鐵用于連接兩塊主永磁鐵，并與兩主永磁鐵組成閉合磁路； 平面線圈，該平面線圈放置于殼體中間的空腔內(nèi)，處于兩塊主永磁鐵之間，采用回折線圈，且線圈內(nèi)的電流方向與主永久磁鐵提供的偏置磁場方向平行；線圈被通以高頻交流電后在試件表面產(chǎn)生交變磁場，此交變磁場與主永磁鐵提供的靜態(tài)偏置磁場共同作用，從而在試件中產(chǎn)生水平剪切波； 輔助永久磁鐵，該輔助永磁鐵放置于平面線圈上方，用于提高試件的磁化強(qiáng)度； 定位塊，該定位塊放置于銜鐵與輔助永久磁鐵之間，用于固定輔助永久磁鐵； 殼蓋，該殼蓋與殼體連接； 插座，該插座安裝在殼蓋上，通過絕緣導(dǎo)線與回折平面線圈連接。
2.如權(quán)利要求I所述的用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭，其特征在于，輔助永久磁鐵的磁極沿水平方向，且N極要靠近主永久磁鐵的N極，S極靠近主永久磁鐵的S極。
3.如權(quán)利要求1-2任意一項(xiàng)所述的用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭，其特征在于，殼體和銜鐵包含用于絕緣導(dǎo)線走線的刻槽結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1-2所述的用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭，其特征在于，所述殼體、殼蓋和定位塊均由非導(dǎo)電材料制成。
5.如權(quán)利要求1-2所述的用于鐵磁性試件無損探傷的水平剪切波電磁超聲探頭，其特征在于，還包括耐磨層，該耐磨層采用耐磨損耐高溫材料制成并粘接于殼體下方。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水平剪切波電磁超聲探頭，主要由主永久磁鐵、銜鐵、殼體、殼蓋、插座、輔助永久磁鐵和線圈組成。輔助永久磁鐵位于兩主永久磁鐵之間，線圈位于其下部，線圈通過絕緣導(dǎo)線與插頭連接。本發(fā)明通過在主永久磁鐵閉合的磁路上施加輔助永久磁鐵，提高了電磁超聲線圈下部的試件磁化強(qiáng)度，提高了效率，從而增加了電磁超聲信號強(qiáng)度和信噪比，可用于各類鐵磁性試件的探傷。
文檔編號G01N29/24GK102706966SQ20121014030
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者丁旭, 巴洪, 武新軍, 沈功田 申請人:華中科技大學(xué)