[实用新型]一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器

说明书

本实用新型属于超声波无损检测领域，提出一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，换能器包括铰链、永磁铁、刻度螺柱、磁铁夹持装置、激励线圈、待测管道以及卡扣，通过磁铁夹持装置可以使得永磁铁沿待测管道轴对称均匀分布，从而在待测管道中形成沿待测管道径向的磁场。激励线圈中通入沿待测管道轴向的猝发激励信号，在洛伦兹力的作用下，待测管道中会产生沿轴向传播的扭转导波。本实用新型可广泛应用于管状结构的长度测量以及损伤和腐蚀检测。

技术领域：

本实用新型涉及电磁超声无损检测技术，尤其涉及一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器。

背景技术：

管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制。因此广泛应用于石油、天然气、矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等的长距离运输。然而，随着管道工作时间的延长以及各种环境因素的影响(风吹、日晒、下雨、下雪等)，管道不可避免地会出现腐蚀、裂纹、疲劳等损伤。因此有必要定期对管道的健康状况进行检测。目前常用的方法有：射线检测、渗透检测、磁粉检测和超声波检测等。

本实用新型属于超声波导波无损检测领域，其关键器件为电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)。EMAT是一种激发和接收超声波的装置。该装置无需声耦合剂，结构简单，可以方便地激发多种模式的超声波，可实现非接触、高温、快速测量，因此广受研究者关注。

在金属导体中激发电磁超声，通常有两种方法，一种是基于洛伦兹力机理，一种是基于磁致伸缩机理。基于洛伦兹力的电磁超声换能器通常用于非铁磁性导电材料的检测，一般由磁铁，激励线圈和待测试件组成，线圈设置在待测试件上，磁铁设置在线圈上面。检测时，在发射线圈中施加猝发激励信号，线圈在待测试件上感应出与激励信号同频率的电涡流，电涡流在磁铁的静态偏置磁场作用下在待测试件中产生洛伦兹力，动态洛伦兹力作用下待测试件中产生超声波，超声波接收的过程是超声波激发过程的逆过程。

对于管道来说，管道结构中存在三种模态的导波：纵向模态导波(L模态)、弯曲模态导波(F模态)、扭转模态导波(T模态)，如图1所示，是一个直径为76mm的管道的相速度频散曲线。由图中可以看出，在不同激励频率下各模态的导波存在多阶导波，尤其是弯曲模态的导波，这使得检测信号难以识别。为了尽可能地减少激发出来地导波阶数，本实用新型采用频率相对较低(50kHz)的激励信号。从管道的相速度频散曲线中可以看出，在低频时除T(0,1)模态外，其余各阶模态都是频散的，因此本实用新型选用T(0,1)模态对管道进行检测。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

实用新型内容：

本实用新型是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器及其工作方法，在传统电磁超声换能器的基础上，通过设计新的磁铁夹持装置，使得磁铁沿着管道周向更加均匀地分布，进而在管道中形成更加均匀的静态偏置磁场。可实现单一模态扭转导波(T(0,1))的激发，获得更高的信噪比和换能器灵敏度、提高信号的辨识度。

本实用新型采用如下技术方案：一种用于激发管道扭转导波的电磁超声换能器，包括铰链、永磁铁、刻度螺柱、磁铁夹持装置、激励线圈、待测管道以及卡扣，所述磁铁夹持装置由两个具有对称结构的半圆组成，其中两个半圆的一端通过铰链来连接，另一端由卡扣连接，组成一个圆形，磁铁夹持装置套设于待测管道外侧，磁铁夹持装置的轴线与待测管道的轴线重合，永磁铁镶嵌在磁铁夹持装置的孔中，永磁铁沿待测管道轴对称均匀分布，刻度螺柱均匀地分布在磁铁夹持装置的周向，激励线圈沿待测管道周向均匀分布。

进一步地，所述永磁铁的极化方向沿待测管道的径向，并且相邻两个永磁铁的极化方向相反。

进一步地，所述激励线圈接入的激励信号采用调制的tone-burst信号，电流的方向沿待测管道的轴向。