高溫連鑄坯近表層高階彈性模量原位表征裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電磁超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種高溫連鑄坯近表層高階彈 性模量原位表征裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無損檢測是不破壞和損傷受檢物體,對它的性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進行檢測的 一種技術(shù)。電磁超聲檢測是利用超聲波在被檢測材料中傳播時,材料的聲學特性和內(nèi)部組 織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響,通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材 料性能和結(jié)構(gòu)變化。當超聲波進入物體遇到缺陷時,一部分聲波就會產(chǎn)生反射、透射及折 射,接收器通過對這些特征波進行分析,發(fā)現(xiàn)隱藏的內(nèi)部缺陷。
[0003] 隨著國家在能源、動力企業(yè)的投入和發(fā)展,各種高溫連鑄坯逐漸增多。作為特種設(shè) 備的高溫連鑄坯一旦出現(xiàn)事故,損失將非常嚴重。為了實現(xiàn)最小的事故發(fā)生率。高溫連鑄 坯檢測成為一個急需解決的問題。而電磁超聲正是解決這個問題的最好選擇。電磁超聲裝 置用于對高溫連鑄坯施加或采集電磁超聲波,目前電磁超聲裝置的缺點是由于電磁超聲探 頭與工件間隙不能太大,探頭從工件表面每提高一個繞線波長的距離,超聲信號幅度就要 下降96dB,由于電磁超聲探頭長期承受熱乳板材的高溫輻射,從而導致電磁超聲裝置的探 頭使用壽命短、換能效率低、信號不穩(wěn)定。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種高溫連鑄坯近表層高階彈性模量原位表征裝置及控制 方法,該發(fā)明的探頭耐高溫、使用壽命長,且該發(fā)明具有換能效率高和信號穩(wěn)定的特點。
[0005] 為達到上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案,一種高溫連鑄坯近表層高階彈性模 量原位表征裝置,其關(guān)鍵在于:該高溫連鑄坯近表層高階彈性模量原位表征裝置設(shè)置有與 發(fā)射探頭連接的信號發(fā)生系統(tǒng),與接收探頭連接的信號接收系統(tǒng);
[0006] 所述發(fā)射探頭和接收探頭結(jié)構(gòu)一致,其中發(fā)射探頭包括殼體,該殼體的底部裝有 三氧化二鋁粉末填料,三氧化二鋁粉末填料內(nèi)鋪設(shè)有鉑銠合金高頻繞組,殼體內(nèi)還設(shè)置有 馬蹄形的鐵芯,鐵芯開口朝下,鐵芯上纏繞有直流繞組,直流繞組所形成的磁場屏蔽住所述 鉑銠合金高頻繞組的上方和四周。
[0007] 信號發(fā)生系統(tǒng)用于給測量探頭提供激勵電磁信號;
[0008] 信號接收系統(tǒng)用于接收處理接收探頭采集的電磁超聲信號;
[0009] 三氧化二鋁粉末填料用作鉑銠合金高頻繞組的固定劑,并且在高溫連鑄坯與鉑銠 合金高頻繞組之間起隔熱作用;
[0010] 鐵芯與直流繞組用于形成直流靜態(tài)偏置電磁場,該電磁場的磁力線穿過高溫連鑄 坯;并屏蔽鉑銠合金高頻繞組外的干擾信號。
[0011] 鉑銠合金高頻繞組相比一般銅導線制作的高頻繞組更耐高溫;且鉑銠合金絲具有 熱電偶性能;可用于測量探頭溫度。
[0012] 高頻繞組用于對高溫連鑄坯施加或接收其高頻交變電磁信號。
[0013] 所述的鉑銠合金高頻繞組采用鉑銠合金絲雙根并繞而成,鉑銠合金高頻繞組成S 形鋪設(shè)在所述殼體底部。
[0014] 鉑銠合金高頻繞組采用雙根并繞使激發(fā)超聲波的聲場更為集中,便于缺陷的定位 與量化;
[0015] 鉑銠合金高頻繞組采用雙根并繞也便于用作測溫電路的熱電偶。
[0016] 所述直流繞組和鉑銠合金高頻繞組穿出殼體頂部過線孔后與所述信號發(fā)生系統(tǒng) 或信號接收系統(tǒng)連接。
[0017] 所述殼體內(nèi)設(shè)置有流道,該流道內(nèi)填充有冷卻液,該流道靠近殼體下底,該流道的 冷卻液進出口位于殼體上端。
[0018] 通過從冷卻液進出口不斷向殼體的流道內(nèi)通入循環(huán)冷卻液,冷卻靠近高溫連鑄坯 的探頭,因而保證探頭可以與高溫連鑄坯靠得更近,換能效率更高。
[0019] 所述的殼體的底部為三氧化二鋁陶瓷底,所述的鐵芯材料為硅鋼片。
[0020] 三氧化二鋁陶瓷底用于高溫連鑄坯與探頭內(nèi)部部件之間的隔熱,硅鋼片鐵芯具良 好的導磁性能。
[0021] 所述的發(fā)射探頭和接收探頭外設(shè)置有馬蹄形的屏蔽電磁鐵,該屏蔽電磁鐵跨過所 述發(fā)射探頭和接收探頭,屏蔽電磁鐵形成的磁場屏蔽住發(fā)射探頭和接收探頭的上方和四 周。
[0022] 雖然發(fā)射探頭和接收探頭處的高溫連鑄坯能屏蔽住干擾信號,但兩探頭之間的高 溫連鑄坯容易受到其他高頻雜波信號的干擾,屏蔽電磁鐵用于屏蔽掉這類高頻雜波干擾信 號。
[0023] 屏蔽電磁鐵可采用龍門結(jié)構(gòu),跨過高溫鑄坯的兩側(cè)搭建,將干擾信號完全屏蔽在 高溫鑄坯之外。
[0024] 所述信號發(fā)生系統(tǒng)包括直流電源一、高頻發(fā)射器、測溫電路一;直流電源一為所 述發(fā)射探頭的直流繞組供電,高頻發(fā)射器發(fā)射高頻信號給所述發(fā)射探頭的鉑銠合金高頻繞 組,測溫電路一獲取所述發(fā)射探頭的鉑銠合金高頻繞組感應(yīng)的溫度信號。
[0025] 測溫電路一用于測量發(fā)射探頭的高頻繞組溫度,根據(jù)測量溫度可適當調(diào)整電磁超 聲探頭的距離;還可根據(jù)鉑銠合金的電阻與溫度的比例關(guān)系測量高頻繞組的電阻,根據(jù)高 頻繞組電阻的變化適時調(diào)整高頻發(fā)射器內(nèi)阻,保證高頻發(fā)射器發(fā)射信號的穩(wěn)定性,同時也 提尚了尚頻發(fā)射器的換能效率。
[0026] 所述信號接收系統(tǒng)包括直流電源二、高頻接收器、測溫電路二、調(diào)制解波器、高階 彈性模量原位表征裝置,直流電源二為所述接收探頭的直流繞組供電,高頻接收器接收所 述接收探頭的鉑銠合金高頻繞組的高頻信號,測溫電路二獲取所述接收探頭的鉑銠合金高 頻繞組感應(yīng)的溫度信號,所述的高頻接收器的輸出連接調(diào)制解波器,所述的調(diào)制解波器的 輸出連接高階彈性模量原位表征裝置。
[0027] 測溫電路二用于測量接收探頭的高頻繞組溫度,根據(jù)測量溫度可適當調(diào)整接收探 頭的距離;還可根據(jù)鉑銠合金的電阻與溫度的比例關(guān)系測量高頻繞組的電阻,根據(jù)高頻繞 組電阻的變化適時調(diào)整高頻接收器內(nèi)阻,保證高頻接收器接收信號的穩(wěn)定性,同時也提高 了高頻接收器的換能效率。
[0028] 調(diào)制解波器用于接收高頻接收器的高頻交變電壓信號;并將該高頻交變信號進行 處理,通過高頻濾波器分離出其中的基波與諧波。
[0029] 高階彈性模量原位表征裝置用于接收調(diào)制解波器處理后的信號;并將信號進行分 析處理,根據(jù)處理結(jié)果評價高溫連鑄坯的缺陷。
[0030] 一種控制方法,適用于所述的高溫連鑄坯近表層高階彈性模量原位表征裝置,其 關(guān)鍵在于所述控制方法包括以下步驟:
[0031] a :信號發(fā)生系統(tǒng)通過發(fā)射探頭發(fā)射激勵信號給高溫連鑄坯,該步驟包括:
[0032] al :信號發(fā)生系統(tǒng)的直流電源一施加直流電壓給發(fā)射探頭的直流繞組,發(fā)射探頭 的直流繞組和鐵芯產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場,該靜態(tài)偏置磁場的磁力線穿過高溫連鑄坯;
[0033] a2:高頻發(fā)射器發(fā)射一定類型、幅度、頻率的高頻交變信號給發(fā)射探頭的鉑銠合金 高頻繞組,鉑銠合金高頻繞組產(chǎn)生高頻交變磁場,該高頻交變磁場的磁力線穿過高溫連鑄 坯;
[0034] b :高溫連鑄坯產(chǎn)生超聲波;
[0035] c :信號接收系統(tǒng)通過接收探頭接收超聲波信號,該步驟包括:
[0036] cl :信號接收系統(tǒng)的直流電源二施加直流電壓給接收探頭的直流繞組,接收探頭 的直流繞組和鐵芯產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場,該靜態(tài)偏置磁場的磁力線穿過高溫連鑄坯;
[0037] c2 :接收探頭的鉑銠合金高頻繞組將超聲波信號轉(zhuǎn)換為高頻交變電壓信號;
[0038] d :高頻接收器拾取接收探頭的鉑銠合金高頻繞組的高頻交變電壓信號;
[0039] e :調(diào)制解波器分離處理高頻交變電壓信號,該步驟包括:
[0040] el :調(diào)制解波器接收高頻接收器的高頻交變輸出信號;
[0041] e2:調(diào)制解波器將該高頻交變信號進行處理,通過高頻濾波器分離出其中的基波 與諧波;
[0042] e3 :調(diào)制解波器將基波與諧波信號分別進行放大;
[0043] f:通過高階彈性模量原位表征裝置分析處理得到結(jié)果;
[0044] Π :高階彈性模量原位表征裝置接收調(diào)制解波器處理后的信號;
[0045] f2:高階彈性模量原位表征裝置對基波和諧波進行信號分析處理,根據(jù)分析處理 得到超聲非線形系數(shù)β ;
[0046] f3:高階彈性模量原位表征裝置根據(jù)β值評價高溫連鑄坯材料缺陷,超聲非線形 系數(shù)β值越大,材料缺陷越大;超聲非線形系數(shù)β值越小;材料缺陷越小。
[0047] 所述步驟f采用如下公式對數(shù)據(jù)進行處理:
[0048] 固體中一維縱波的非線性波動方程為
[0049]
⑴
[0050] 式中,P。為介質(zhì)密度,K 2、K3分別為二三階彈性系數(shù),u為縱波信號,X為傳播的距 離,
[0051] u(x, t) = A〇sin (ω t~kx) (2)
[0052] 公式⑵中