專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲換能器，屬于聲 學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道是現(xiàn)行的五大運(yùn)輸工具之一，其在運(yùn)送液體、氣體、漿液等方面 具有特殊的優(yōu)勢(shì)，尤其在石油化工及天然氣等產(chǎn)業(yè)中具有不可替代的作用。 同時(shí)，和我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的城市供水系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)更是極為龐大 的管道網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)濟(jì)可靠的檢測(cè)技術(shù)可以大幅度地減少更換管道的數(shù)量，延 長(zhǎng)那些雖已到服務(wù)期限但仍安然無(wú)恙的管道的使用期限，將帶來(lái)十分可觀 的經(jīng)濟(jì)效益。
超聲導(dǎo)波技術(shù)是目前較為成熟的一種管道檢測(cè)手段。這種技術(shù)具有檢 測(cè)效率高、 一次性檢測(cè)覆蓋的范圍大、耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)。常用的超聲換能器 有壓電換能器和電磁超聲換能器，其中電磁超聲換能器在檢測(cè)時(shí)具有換能 器與媒質(zhì)表面非接觸、無(wú)需加入聲耦合劑、重復(fù)性好、檢測(cè)速度高等優(yōu)點(diǎn)， 因而受到廣大無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估工作者的關(guān)注。
電磁超聲換能器在檢測(cè)系統(tǒng)中的主要作用是通過(guò)高頻電磁力產(chǎn)生機(jī)械 波(超聲波)，將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。電磁超聲檢測(cè)是利用電磁超聲換能 器激勵(lì)出超聲波，并在試件中傳播，在接收端將機(jī)械波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通 過(guò)分析接收到的電信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)目的。根據(jù)材料的不同，電磁超聲
換能器產(chǎn)生超聲波有不同的激發(fā)機(jī)制在非鐵磁性金屬材料中為洛侖茲力 式；在鐵磁性金屬材料中除洛侖茲力外，磁致伸縮作用也是其工作的主要原 因，并且此時(shí)磁致伸縮力常占主導(dǎo)作用。
電磁超聲換能器主要由偏置磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)組成，當(dāng)換能器用于鐵磁 性材料的檢測(cè)時(shí)，偏置磁場(chǎng)在試件附近產(chǎn)生恒定》茲場(chǎng)，勵(lì)》茲磁場(chǎng)在該磁場(chǎng) 的基礎(chǔ)上提供交變磁場(chǎng)，從而在試件中產(chǎn)生周期性變化的磁致伸縮效應(yīng)； 當(dāng)換能器用于非鐵磁性材料的檢測(cè)時(shí)，偏置磁場(chǎng)在試件附近產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)， 勵(lì)磁磁場(chǎng)的線圈在試件表面產(chǎn)生交變的感生電流，從而在試件表面產(chǎn)生周 期性變化的洛侖茲力。
中國(guó)專(zhuān)利96193606. l公開(kāi)了一種利用磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行管道檢測(cè)的電 磁超聲換能器，其中偏置磁場(chǎng)由永久磁鐵提供，勵(lì)磁磁場(chǎng)由通有交變電流的線圈提供。使用這種換能器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性管道的檢測(cè)，同時(shí)配合磁 致伸縮貼片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非鐵磁性管道的檢測(cè)。但是在利用磁滯伸縮效應(yīng)進(jìn) 行檢測(cè)時(shí)，對(duì)于不同的管道材料，其最佳工作磁場(chǎng)并不相同。而在這種換 能器中，由于偏置》茲場(chǎng)由永久磁鐵提供，因而其磁場(chǎng)強(qiáng)度很難改變，且其 產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿管道周向呈不均勻分布，這就在很大程度上限制了這種換能 器的應(yīng)用。
另外，傳統(tǒng)的電磁超聲換能器還具有電聲轉(zhuǎn)換效率低，信噪比差等缺點(diǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容
為了解決以上問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種利用超聲導(dǎo)波針對(duì)鐵磁性
材料管道進(jìn)行^r測(cè)的電^茲超聲換能器。它不僅可用于管道長(zhǎng)度的測(cè)量，還 可用于管道中污物、缺陷等的檢測(cè)，且其可以靈活改變換能器的偏置磁場(chǎng) 強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鐵磁性材料鋼管的檢測(cè)，使用中具有信噪比高，體積 小，傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，并且重復(fù)性好，能較好地滿足實(shí)驗(yàn)要求。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案 換能器系統(tǒng)主要由激勵(lì)端換能器和接收端換能器組成，激勵(lì)端換能器 與接收端換能器沿管道軸向并排布置。激勵(lì)端換能器主要包括直流線圈骨 架、勵(lì)》茲線圈骨架、直流線圏、勵(lì)》茲線圈和激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。直流 線圈纏繞在直流線圈骨架上，勵(lì)磁線圈纏繞在勵(lì)磁線圏骨架上，直流線圈 骨架與勵(lì)磁線圈骨架套接，激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)端口與勵(lì)磁線圈端口相連。 接收端換能器與激勵(lì)端換能器結(jié)構(gòu)相似，包括直流線圈骨架、接收端直流 線圈、勵(lì)磁線圈骨架、接收端勵(lì)磁線圈和接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等；接收端 直流線圈纏繞在直流線圈骨架上，接收端勵(lì)磁線圈纏繞在勵(lì)磁線圈骨架上， 直流線圈骨架與勵(lì)磁線圈骨架套接，接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)端口與勵(lì)磁線圈 端口相連。
本實(shí)用新型中，激勵(lì)端換能器的直流線圈中通有直流電，從而在管道 表面附近產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，即偏置磁場(chǎng)。在勵(lì)磁線圈中通有交變電流，從而 在管道表面附近產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，即勵(lì)磁磁場(chǎng)。在偏置磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)的共 同作用下，管道表面會(huì)產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)與縮短，從而激勵(lì)出機(jī)械波，在 超聲的頻率范圍內(nèi)，該機(jī)械波形成超聲波。這樣，就完成了電聲換能過(guò)程。 而在接收端換能器附近，在偏置磁場(chǎng)的作用下管道表面的周期形變產(chǎn)生交 變磁場(chǎng)，從而在接收端勵(lì)磁磁場(chǎng)中產(chǎn)生交變電流。這樣就完成了聲電換能過(guò)程。分析接收端換能器中接收到的電信號(hào)，就可得到管道長(zhǎng)度、缺陷等"息。
本實(shí)用新型中，激勵(lì)端換能器和接收端換能器的直流線圏端口和接收 端直流線圈端口連"l姿到直流穩(wěn)壓電源，因此通過(guò)改變電流的大小，就可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)弱的控制，從而很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鐵磁性材料管道的檢 觀'J。而且，使用線圈方式產(chǎn)生的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)沿管道周向分布均勻，在利用 超聲導(dǎo)波軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)進(jìn)行管道檢測(cè)時(shí)，這一特點(diǎn)是相當(dāng)有利的。
本實(shí)用新型中，勵(lì);茲線圈和接收端勵(lì)/磁線圈可采用單向繞制，即整個(gè) 線圈的繞制方向相同。作為一種優(yōu)選方案，也可采用雙向繞制方式，即線 圈沿軸線按照順時(shí)針-逆時(shí)針-順時(shí)針?lè)较蚶@制。
本實(shí)用新型中，在外部信號(hào)源與激勵(lì)端勵(lì)磁線圈之間、以及接收端勵(lì) 磁線圈與信號(hào)接收裝置之間進(jìn)行了阻抗匹配。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用電容或電 容-電感方式。進(jìn)行阻抗匹配后，換能器的換能效率得到了一定的改善，信 噪比取得明顯提高。


圖1是本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中未畫(huà)出激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)
10與接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)11;
圖2是勵(lì)磁線圏骨架和勵(lì)磁線圈的立體圖； 圖3、圖4是激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路圖； 圖5是接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
圖中1、激勵(lì)端換能器，2、接收端換能器，3、管道，4、接收端直 流線圈，5、接收端勵(lì)》茲線圈，6、直流線圈骨架，7、直流線圈，8、勵(lì)眉茲 線圈骨架，9、勵(lì)石茲線圏，10、激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，11、接收端阻抗匹配 網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行具體描述。 有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明， 不能理解為對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根 據(jù)上述本實(shí)用新型的內(nèi)容對(duì)本實(shí)用新型作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
如圖1、圖2及圖3所示，換能器系統(tǒng)由激勵(lì)端換能器1和接收端換能 器2組成，兩者沿管道3的軸向并排布置。激勵(lì)端換能器1主要包括直流 線圈骨架6、勵(lì)^t線圈骨架8、直流線圈7、勵(lì)》茲線圈9和激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)10等。直流線圈骨架6經(jīng)由孔601和勵(lì)磁線圈骨架8的左外表面803、 右外表面802配合，管道3穿過(guò)勵(lì)^磁線圈骨架8的中心孔801。直流線圈7 纏繞在直流線圈骨架6上，并通過(guò)端口A1、 Bl連接到外部直流穩(wěn)壓電源， 提供換能器工作時(shí)的偏置磁場(chǎng)。勵(lì)磁線圈9纏繞在勵(lì)磁線圈骨架8上，并 通過(guò)端口C1、 Dl與激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)10的端口 El、 Fl連接。激勵(lì)端阻 抗匹配網(wǎng)絡(luò)10的端口 Gl、 Hl連接到外部信號(hào)源。
接收端換能器2的結(jié)構(gòu)與激勵(lì)端換能器1基本相同，接收端換能器2 主要包括直流線圈骨架6、勵(lì)磁線圈骨架8、接收端直流線圈4、接收端勵(lì) 《凌線圈5和接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)11等。直流線圈骨架6經(jīng)由孔601和勵(lì)^f茲 線圈骨架8的外表面配合，管道3穿過(guò)勵(lì)磁線圈骨架8的中心孔。接收端 直流線圈4通過(guò)端口A2、 B2連接到外部直流穩(wěn)壓電源，提供換能器工作時(shí) 的偏置;茲場(chǎng)。如圖5所示，接收端勵(lì)磁線圈5通過(guò)端口 C2、 D2與接收端阻 抗匹配網(wǎng)絡(luò)ll的端口 E2、 F2連接。接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)ll的端口 G2、 H2 連接到信號(hào)接收裝置。
換能器工作時(shí)，外部直流穩(wěn)壓電源通入直流線圈4和接收端直流線圈7 中，從而在激勵(lì)端換能器1和接收端換能器2中心產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)。外部信 號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大，然后通過(guò)激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)10 輸入到勵(lì);茲線圈9中，在磁致伸縮效應(yīng)的作用下，在管道中激勵(lì)聲波。當(dāng) 聲波傳播到接收端換能器2時(shí)，在》茲致伸縮逆效應(yīng)的作用下，在接收端勵(lì) 磁線圈5中產(chǎn)生交變電流，該電流通過(guò)接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)ll輸出到信號(hào) 接收裝置中。通過(guò)分析接收信號(hào)對(duì)管道缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
如圖2所示，作為一種優(yōu)選方案，勵(lì)磁線圈9采用雙向繞制方式。勵(lì) 磁線圈9的左引線901、右引線902分別通過(guò)勵(lì)磁線圈骨架8的引線左凹槽 804、右凹槽809和端口 Cl、 Dl相連。勵(lì)磁線圈9的逆繞線圏905沿勵(lì)磁 線圈骨架8的繞線表面805繞制，且繞線方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。?lì)磁線圈9 的順繞線圈903沿勵(lì)^磁線圈骨架8的繞線表面808繞制，且繞線方向?yàn)轫?時(shí)針?lè)较颉ｍ樌@線圈903與逆繞線圈905被線圈骨架8的線脊807分隔開(kāi) 來(lái)，且由經(jīng)過(guò)線圈骨架8的換向凹槽806的換向線904相連。通過(guò)上述這 種結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)線圈的雙向繞制，且所述順繞線圈903與逆繞線圈905 可以是多個(gè)。接收端勵(lì)石茲線圈5同樣采用所述雙向繞制方式。
如圖3、圖4所示，激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)10采用電容-電感方式。從端 口E1、 Fl看過(guò)去，匹配網(wǎng)絡(luò)既可采用先并聯(lián)電感L2再串聯(lián)電容C2的方式， 也可采用先并聯(lián)電容C3再串聯(lián)電感L的方式。本實(shí)施例采用先并聯(lián)電容C3再串聯(lián)電感L3的方式，這種匹配方式在換能器的實(shí)際使用中濾波效果更好。
如圖5所示，接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)11采用串聯(lián)電容d的方式進(jìn)行匹配。
本實(shí)用新型將傳統(tǒng)的永久磁鐵替換為直流線圈來(lái)產(chǎn)生偏置》茲場(chǎng)，從而 實(shí)現(xiàn)了偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度可變的目的。勵(lì)磁線圏采用雙向繞制方式，提高了換 能效率。使用了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，提高了換能器的信噪比。本實(shí)用新型可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鐵磁性材料鋼管的檢測(cè)，同時(shí)換能效率較高，信噪比高，體積 小，傳播距離遠(yuǎn)，重復(fù)性好，能較好地滿足鐵磁性管道的檢測(cè)要求。
權(quán)利要求1、一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲換能器，由激勵(lì)端換能器(1)和接收端換能器(2)組成，兩者沿管道(3)軸向并排布置，其特征在于，激勵(lì)端換能器(1)主要包括直流線圈骨架(6)、直流線圈(7)、勵(lì)磁線圈骨架(8)、勵(lì)磁線圈(9)和激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(10)，直流線圈(7)纏繞在直流線圈骨架(6)上，勵(lì)磁線圈(9)纏繞在勵(lì)磁線圈骨架(8)上，直流線圈骨架(6)與勵(lì)磁線圈骨架(8)套接，激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)端口與勵(lì)磁線圈端口相連；接收端換能器(2)與激勵(lì)端換能器(1)結(jié)構(gòu)相似，包括直流線圈骨架(6)、接收端直流線圈(4)、勵(lì)磁線圈骨架(8)、接收端勵(lì)磁線圈(5)和接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(11)；接收端直流線圈(4)纏繞在直流線圈骨架(6)上，接收端勵(lì)磁線圈(5)纏繞在勵(lì)磁線圈骨架(8)上，直流線圈骨架(6)與勵(lì)磁線圈骨架(8)套接，接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)端口與勵(lì)磁線圈端口相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲 換能器，其特征在于，直流線圈(7)和接收端直流線圈(4)連接到 外部直流穩(wěn)壓電源，直流線圏(7)和接收端直流線圈(4)中電流大 小可調(diào)節(jié)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲 換能器，其特征在于，所述勵(lì)磁線圏(9)和接收端勵(lì)磁線圈(5)可 采用單向繞制，也可釆用雙向繞制方式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲 換能器，其特征在于，所述激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(10)采用電容-電 感方式匹配，既可采用先并聯(lián)電感再串聯(lián)電容的方式，也可采用先并 聯(lián)電容再串聯(lián)電感的方式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲 換能器，其特征在于，所述接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(11 )采用串聯(lián)電容 方式匹配。
專(zhuān)利摘要一種用于鐵磁性管道檢測(cè)的電磁超聲換能器，屬于聲學(xué)換能器技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型主要由激勵(lì)端換能器(1)和接收端換能器(2)組成，兩者沿管道(3)軸向并排布置。激勵(lì)端換能器(1)主要包括直流線圈骨架(6)、直流線圈(7)、勵(lì)磁線圈骨架(8)、勵(lì)磁線圈(9)和激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(10)；接收端換能器(2)包括直流線圈骨架(6)、接收端直流線圈(4)、勵(lì)磁線圈骨架(8)、接收端勵(lì)磁線圈(5)和接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(11)。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鐵磁性材料鋼管的檢測(cè)，同時(shí)換能效率較高，信噪比高，體積小，傳播距離遠(yuǎn)，重復(fù)性好，能較好地滿足鐵磁性管道的檢測(cè)要求。
文檔編號(hào)G01N29/24GK201229172SQ20082008077
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者何存富, 斌 吳, 宋國(guó)榮, 張小文, 焦敬品 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)