一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，包括外殼、脈沖電磁鐵和電磁超聲線圈；所述外殼具有一封閉內腔，其內腔兩側分別設有進水口和出水口；所述脈沖電磁鐵和電磁超聲線圈封裝在外殼內，所述電磁超聲線圈靠近脈沖電磁鐵的磁極方向下方設置，其中所述脈沖電磁鐵與外殼內壁之間形成水循環通道，所述電磁超聲線圈設置在外殼底層的一密封腔內。本實用新型通過設計不同的電磁鐵結構能夠實現橫波、縱波檢測，對于缺陷的檢測能力得到了提升，同時還能夠在高溫、大型鐵磁性鍛件上進行長時間檢測，應用于大型鍛件的加工制造過程中，能夠在熱態情況下檢測出制造缺陷，保證大型鍛件能夠及時再制造，減少制造成本。
【專利說明】
一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭
技術領域
[0001]本實用新型屬于電磁超聲波檢測技術領域，具體涉及一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭。
【背景技術】
[0002]電磁超聲檢測產生于20世紀60年代，相比于傳統的壓電超聲檢測技術，它具有無接觸性、環保性和較強環境適應性等突出特點，因而在近年得到了快速發展，已經廣泛應用于金屬板材、管材測厚，缺陷探傷，在線檢測等多個領域。電磁超聲檢測的核心部分為電磁超聲換能器，一般由磁鐵，激發、接收線圈，被測試樣3部分組成，在非鐵磁性材料中，電磁超聲主要以洛倫茲力激勵為主，換能器線圈中通過高頻、大功率的電流，其在被測試樣內部產生與之流向相反的感生渦流，此時被測試樣的集膚層內相當于有電流流過，靜態磁場與感生渦流相互作用產生洛倫茲力，由于感生渦流為高頻變化的，為此產生的洛倫茲力在試樣的表面產生，試件內質點在力的作用下產生高頻振動，這種振動以超聲波形式產生并向內部傳播，接收過程中，根據法拉第電磁感應定律，存在偏置磁場的情況下，由于超聲振動接收線圈將感生交變電場，通過檢測交變電場的電壓信號進行試樣的檢測。
[0003]傳統的壓電超聲檢測技術需要耦合劑，無法在高溫情況下進行檢測；目前公開的耐高溫電磁超聲換能器由永磁鐵提供偏置磁場，在非鐵磁性材料中能夠較好完成檢測，但是應用于鐵磁性材料中，由于磁力造成電磁超聲換能器移動困難，不利于在線檢測。
[0004]另外脈沖電磁鐵式的電磁超聲換能器，僅采用螺線管線圈產生磁場，線圈通電電流大，發熱嚴重，只能短時間進行檢測，存在局限性。
[0005]目前針對電磁超聲檢測技術有學者從幾個方面進行研究，例如申請號為200910073192.8的中國發明專利，公開了一種利用脈沖電磁鐵提供偏置磁場的電磁超聲換能器，該脈沖電磁鐵由骨架和線圈組成，并設計脈沖電磁鐵驅動電路。采用螺線管線圈的繞制形式將線圈繞制在骨架上，在開始工作時，驅動電路為線圈提供高電壓，大電流進而產生偏置磁場，同時在主機的控制下，待磁場穩定后，電磁超聲主機在電磁超聲線圈中產生高頻電流，在偏置磁場的作用下產生垂直入射的超聲波。但是這種形式的脈沖電磁鐵由于只是采用螺線管線圈的繞制形式，只能在y方向產生較強的磁場，因而只能產生出橫波，相對于傳統壓電超聲檢測中能進行縱波和橫波檢測，采用該種脈沖電磁鐵式的電磁超聲檢測方式存在一定局限；而且由于公開的這種脈沖電磁鐵的線圈需要通過大電流，長時間檢測，發熱會相當嚴重，因此這種形式不能長時間進行電磁超聲檢測，更不能在高溫下進行檢測。
[0006]再例如專利授權號為CN 203479275 U的中國實用新型專利，公開了一種高溫電磁超聲測厚探頭，該探頭分為內殼體和外殼體兩層，永磁體和高頻線圈均安裝在內殼體中，高頻線圈處于永磁體的下方，高頻線圈與永磁體之間通過粘合劑連接;插座安裝在內殼體頂部，高頻線圈通過引線與插座電連接，同時內殼體中填充阻燃絕緣材料，實現在高溫下的探測。采用該種方法在非鐵磁性材料中由于不需要耦合劑，探頭設計中填充阻燃絕緣材料能夠實現高溫管道測厚;但是該裝置在鐵磁性材料中，由于永磁鐵的磁力，會使探頭的移動困難，不利于測量。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型解決的技術問題是:針對現有的電磁超聲檢測技術存在的上述缺陷，提供一種適應于在高溫鐵磁性材料的耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭。
[0008]本實用新型采用如下技術方案實現:
[0009]—種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，包括外殼1、脈沖電磁鐵7和電磁超聲線圈8;
[0010]所述外殼I具有一封閉內腔，其內腔兩側分別設有進水口2和出水口 5;
[0011 ]所述脈沖電磁鐵7和電磁超聲線圈8固定封裝在外殼I內，所述電磁超聲線圈8靠近脈沖電磁鐵7的磁極方向下方設置，所述脈沖電磁鐵7與外殼內壁之間形成水循環通道6，所述電磁超聲線圈8設置在外殼底層的一密封腔3內。
[0012]進一步的，所述脈沖電磁鐵7采用E型電磁鐵和C型電磁鐵分別進行縱波檢測和橫波檢測。
[0013]進一步的，所述脈沖電磁鐵7包括硅鋼片71、支架72和線圈72，所述線圈72通過支架72繞裝在E型或C型的硅鋼片71疊裝的鐵芯上，所述線圈72與外殼外部的脈沖電源10電連接。
[0014]進一步的，所述電磁超聲線圈8與外殼外部的電磁超聲電源11電連接。
[0015]進一步的，所述脈沖電源10和電磁超聲電源11均與主機12連接，控制檢測探頭工作并接收顯示探測信號。
[0016]在本實用新型中，所述電磁超聲線圈的密封腔3底部的采用陶瓷板4密封。
[0017]本實用新型的脈沖電磁鐵采用鐵芯與線圈結合產生偏置磁場的方案，在相對較小的電流的情況下能夠產生較強的磁場，同時在脈沖電磁鐵設計時，能夠根據不同的檢測形式(橫波檢測和縱波檢測)確定脈沖電磁鐵的幾何結構，并根據磁場指標進行結構優化，使產生的偏置磁場相對于永磁鐵均勻度更好，增強信號的信噪比。
[0018]本實用新型的脈沖電源的工作形式保證電磁超聲換能器工作效率，檢測I次所需時間為ms級別，相對于文獻記錄中的充放電工作形式，檢測I次需要秒級別的時間有極大提升。
[0019]本實用新型突出在高溫情況下的長時間檢測，首先針對于普通漆包線進行耐高溫改造，在脈沖電磁鐵的漆包線表面進行高溫材料絕緣，在繞制電磁鐵時，每層線圈同樣采用耐高溫材料覆蓋;在通電工作時，外殼的內腔內設計水循環系統進行冷卻，減少脈沖電磁鐵溫升，保證電磁超聲換能器能夠在400°C左右的高溫下能夠長時間工作，滿足在線檢測的要求。
[0020]由上所述，本實用新型具有如下有益效果:本實用新型通過設計不同的電磁鐵結構能夠實現橫波、縱波檢測，對于試件缺陷的檢測能力得到了提升，同時還能夠在高溫、大型鐵磁性鍛件上進行長時間檢測，應用于大型鍛件的加工制造過程中，能夠在熱態情況下檢測出試件的制造缺陷，保證大型鍛件能夠及時再制造，減少制造成本。
[0021]以下結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步說明。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例中的電磁超聲無損檢測探頭的內部結構示意圖。
[0023]圖2a為實施例中的E型脈沖電磁鐵結構示意圖。
[0024]圖2b為實施例中的C型脈沖電磁鐵結構示意圖。
[0025]圖3為實施例中的電磁超聲無損檢測探頭的工作示意圖。
[0026]圖4為實施例中的電磁超聲無損檢測探頭工作時的脈沖電源外觸發時序圖。
[0027]圖中標號:1_外殼，2-進水口，3_密封腔，4-陶瓷板，5-出水口，6_水循環通道，7_脈沖電磁鐵，71-硅鋼片，72-支架，73-線圈，8-電磁超聲線圈，9-試件，10-脈沖電源，11-電磁超聲電源，12-主機。
【具體實施方式】
[0028]實施例
[0029]參見圖1，該裝置結構包括外殼1、脈沖電磁鐵7、電磁超聲線圈8、脈沖電源10、電磁超聲電源11、主機12等，其中探頭主體為一具有密封內腔的外殼I，外殼I的內腔兩側分別設有進水口 2和出水口 5，可向外殼內通入冷卻水形成水冷卻系統;脈沖電磁鐵7和電磁超聲線圈8封裝在外殼I內，電磁超聲線圈8靠近脈沖電磁鐵7的磁極方向下方設置，其中所述脈沖電磁鐵7與外殼內壁之間形成水循環通道6，與外殼的進水口 2和出水口 5以及外部連接的水栗等部件形成冷卻水循環系統，循環流動的冷卻水將脈沖電磁鐵7與探測試件所在的高溫環境隔絕，降低高溫對電磁鐵的影響，電磁超聲線圈8設置在外殼底層的一密封腔3內，電磁超聲線圈的密封腔3底部的采用陶瓷板4密封。
[0030]如圖2a和圖2b所示，脈沖電磁鐵7采用E型電磁鐵和C型電磁鐵分別進行縱波檢測和橫波檢測，脈沖電磁鐵7包括硅鋼片71、支架72和線圈73，線圈73通過支架72繞裝在E型或C型的硅鋼片71疊裝的鐵芯上，線圈73與外殼外部的脈沖電源10電連接，電磁超聲線圈8包括超聲激發、接收線圈，分別通過信號線與外殼外部的電磁超聲電源11電連接。
[0031]首先根據檢測要求，縱波檢測時采用C型硅鋼片，橫波檢測時采用E型硅鋼片，采用交流電磁鐵的設計方法初步設計兩種形式硅鋼片的幾何尺寸及疊加厚度，進一步采用優化算法結合有限元方法對磁路進行優化，保證磁感應強度的大小和均勻度，最終確定脈沖電磁鐵的幾何尺寸以及線圈的繞制匝數及通電電流;然后根據確定線圈參數進行脈沖電磁鐵的繞制，同時根據繞制的脈沖電磁鐵進行阻抗匹配，保證脈沖電源的最大輸出效率，支架為耐高溫材料，線圈繞制時表層覆蓋耐高溫材料進行絕緣，最后將脈沖電磁鐵組裝在外殼內。外殼內腔設計水循環路徑，工作時利用水冷降溫。
[0032]結合參見圖3和圖4，本實施例在工作時，將探頭底部的電磁超聲線圈朝向靠近試件9表面，脈沖電磁鐵7、電磁超聲線圈8、試件9組成電磁超聲換能器，脈沖電源1和電磁超聲電源11均與主機12連接，分別控制檢測探頭的脈沖電磁鐵和電磁超聲線圈工作，同時接收并顯示試件9探測信號。通過主機發出信號，脈沖電源接收到信號，按照圖4所示的脈沖電源時序圖進行工作，(a)為外部提供的觸發信號，當脈沖電源接收觸發信號(a)，立即或者延時(ms級別)輸出設定功率信號(b);脈沖電源主輸出(b)輸出延時t0時間，即待電壓穩定后，輸出信號(c);信號(c)在脈沖電源主輸出(b)的脈寬時間內，以周期為tl重復觸發，直至信號(b)轉為下降沿，觸發信號在脈沖電源主輸出(b)的有效時間內，脈沖電磁鐵的耐高溫線圈通電流，迅速對磁芯進行磁化，產生足夠強度的偏置磁場，此時超聲激發、接收線圈工作得到超聲信號，通過觸發信號(C)輸出至主機的采集卡進行數據采集，tl的時間長短決定了采集數據的次數。在工作時，外殼的進水口和出水口一直要保持冷卻水的循環流動工作，如之前的圖1所示，脈沖電磁鐵7封裝于外殼I中，電磁超聲線圈放置于密封腔3中，電磁超聲線圈下部采用陶瓷板4密封，水從進水口 2中進入，從出水口 5中排出，對外殼內腔溫度進行冷卻。
[0033]以上實施例描述了本實用新型的基本原理和主要特征及本實用新型的優點，本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的具體工作原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內，本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【主權項】
1.一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，其特征在于:包括外殼(I)、脈沖電磁鐵(7)和電磁超聲線圈(8); 所述外殼(I)具有一封閉內腔，其內腔兩側分別設有進水口( 2)和出水口( 5); 所述脈沖電磁鐵(7)和電磁超聲線圈(8)固定封裝在外殼(I)內，所述電磁超聲線圈(8)靠近脈沖電磁鐵(7)的磁極方向下方設置，所述脈沖電磁鐵(7)與外殼內壁之間形成水循環通道(6)，所述電磁超聲線圈(8)設置在外殼底層的一密封腔(3)內。2.根據權利要求1所述的一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，所述脈沖電磁鐵(7)采用E型電磁鐵和C型電磁鐵分別進行縱波檢測和橫波檢測。3.根據權利要求2所述的一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，所述脈沖電磁鐵(7)包括硅鋼片(71)、支架(72)和線圈(73)，所述線圈(73)通過支架(72)繞裝在E型或C型的硅鋼片(71)疊裝的鐵芯上，所述線圈(73)與外殼外部的脈沖電源(10)電連接。4.根據權利要求3所述的一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，所述電磁超聲線圈(8)與外殼外部的電磁超聲電源(11)電連接。5.根據權利要求4所述的一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，所述脈沖電源(10)和電磁超聲電源(11)均與主機(12)連接，控制檢測探頭工作并接收顯示探測信號。6.根據權利要求1-5中任一項所述的一種耐高溫脈沖電磁鐵式電磁超聲無損檢測探頭，所述電磁超聲線圈的密封腔(3)底部的采用陶瓷板(4)密封。
【文檔編號】G01N29/24GK205538843SQ201620077776
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月27日
【發明人】吳運新, 譚良辰, 石文澤, 龔海, 韓雷, 范吉志, 李偉, 楊鍵剛
【申請人】中南大學