阅读说明：本技术 一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器、激发装置和接收装置 (Coil self-excited ferromagnetic pipeline electromagnetic ultrasonic transducer, excitation device and receiving device ) 是由 王晓红 杨嘉欣 黄超 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器、激发装置和接收装置,包括：骨架、正相线圈组、反相线圈组。该电磁超声换能器通过一种特殊波形的激励电流,在待测铁磁性管道内激发脉冲磁场的同时,自动生成外加的偏置磁场。正相线圈组和反相线圈组所产生交替分布的磁致伸缩效应满足超声波相长干涉的匹配关系,从而在铁磁性管道中激励出沿轴向传播的电磁超声纵向导波。本发明还公开了使用该换能器的电磁超声激发装置和电磁超声接收装置。本发明公开的电磁超声换能器无需设置直流线圈和交流线圈,结构更简单,对应的激发装置和接收装置,也无需使用刚性永磁铁来提供偏置磁化场,减小了装置的体积。(the invention discloses a coil self-excited ferromagnetic pipeline electromagnetic ultrasonic transducer, an excitation device and a receiving device, which comprise: skeleton, normal phase coil assembly, reverse phase coil assembly. The electromagnetic ultrasonic transducer automatically generates an external bias magnetic field while exciting a pulse magnetic field in a ferromagnetic pipeline to be detected through an exciting current with a special waveform. The alternating distributed magnetostriction effect generated by the normal-phase coil group and the reverse-phase coil group meets the matching relation of ultrasonic constructive interference, so that the electromagnetic ultrasonic longitudinal guided wave propagating along the axial direction is excited in the ferromagnetic pipeline. The invention also discloses an electromagnetic ultrasonic excitation device and an electromagnetic ultrasonic receiving device using the transducer. The electromagnetic ultrasonic transducer disclosed by the invention does not need to be provided with a direct current coil and an alternating current coil, has a simpler structure, is provided with a corresponding excitation device and a corresponding receiving device, does not need to use a rigid permanent magnet to provide a bias magnetization field, and reduces the volume of the device.)

一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器、激发装置和 接收装置

技术领域

本发明涉及电磁超声导波检测技术及设备领域，具体涉及一种应用于铁磁性管道的电磁超声换能器，可用于铁管、钢管等铁磁性管道缺陷的无损检测。

背景技术

随着天然气、石油等能源工业发展迅速，管道运输具有高效、低损、低成本等优点，越来越受到工业领域的重视，这些管道基本都是以铁磁性管道为主。但铁磁性管道抗腐蚀能力较弱，在管道内恶劣的工况下，易出现裂纹、腐蚀等缺陷。这些缺陷若不能及时排查并处置，进一步会引发管道泄漏、***，造成巨大的经济损失和人员伤亡。

在各种无损检测技术中，电磁超声检测技术具有非接触式的特点，能在金属材料表面激发超声波，检测速度快，使用方便。目前，电磁超声检测技术已经在石化、高铁、航空、航天等诸多领域广泛应用。

电磁超声检测技术中，产生电磁超声的有两种效应：洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。对于铁磁性材料，磁致伸缩效应的作用会更为突出，因此在铁磁性管道中，多采用磁致伸缩效应来激发超声波。电磁超声换能器通过向外辐射一个脉冲磁场，该脉冲磁场和外加磁场的复合作用，在铁磁性材料中产生磁致伸缩效应。

中国专利CN 103616441 A公开了一种用于铁磁材料的电磁超声信号激励装置。采用电磁超声的换能机理，可激发纵波与横波分离的超声信号，用于对铁磁材料薄板中微小缺陷的在线检测。用电磁铁提供磁场，以电磁超声换能机理为技术核心，对被激发的洛伦兹力和磁致伸缩力进行正交分解。

中国专利CN104122330B公开了一种基于电磁超声纵向导波的管道缺陷检测方法，包括设置多个与管道同轴布置的环形磁铁，在管道表面上的产生径向静态磁场；在各环线磁铁阵列的两侧同轴套设螺线管线圈，使得待检测管道中产生周向感应涡流；在周向感应涡流和径向静态磁场的共同作用下，从而激励出纵向模态导波。该发明中需要使用多组永磁铁，而且多个螺线管线圈之间电流方向不同，产生的涡流易互扰。

中国专利CN 108088907 A公开了一种基于电磁超声的高温管线伤损在线监测系统，能够快速扫查较长距离的管道中缺陷的分布情况，可将换能器及硬件电路系统长期安装在管道上；通过热电转换电路将管道自身的热量转化为电能，工作时为系统供电；可积累大量的数据，通过对数据的综合分析，提高系统灵敏度和结果的可靠性。

但目前用于管道缺陷检测的电磁超声换能器主要存在以下不足：首先，电磁超声换能器多采用洛伦兹力效应进行激励，而在线管道多为铁磁性管道，因此超声波激励的效率不高；其次，电磁超声换能器均采用刚性磁铁提供偏置磁场，探头体积大，不适合管道缺陷检测对电磁超声换能器小型化、便携化的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供了一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器。该换能器既不需要强磁铁提供静态磁场，也不需要设置直流线圈形成电磁铁，而是通过一种特殊波形的激励电流，在待测铁磁性管道内激发脉冲磁场的同时，也会自动生成外加的偏置磁场。通过线圈自激励形成的偏置磁场和脉冲磁场，在铁磁性管道壁产生磁致伸缩效应，并形成电磁超声纵向导波。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，包括：骨架、正相线圈组、反相线圈组，其中，

所述骨架为绝缘材料的中空圆柱管，其内径略大于待测铁磁性管道外径，且同轴套设于管道外表面。在骨架上表面等间距开有2n个环形的线槽；所述线槽之间的间距为所激发超声波波长的1/2；n与所激发电磁超声脉冲个数有关，一般可取3~10。

所述正相线圈组由n个正相线圈串联在一起组成，n一般可取3~10；所述正相线圈为环形线圈；各正相线圈的匝数相等，绕制在骨架的奇数线槽中；

所述反相线圈组由n个反相线圈串联在一起组成，n一般可取3~10；所述反相线圈为环形线圈，绕制在骨架的偶数线槽中；所述反相线圈与正相线圈同向绕制，反相线圈的匝数与正相线圈的匝数相等。

所述一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，当作为激发端时，正相线圈组和反相线圈组的激励为直流脉冲电流；所述直流脉冲电流包含直流偏置电流和正弦脉冲波动，且正弦脉冲波动的幅度小于直流偏置电流；进一步，作用于正相线圈组激励中的直流偏置电流与作用于反相线圈组激励中的直流偏置电流同向；而作用于正相线圈组激励中的正弦脉冲波动相位与作用于反相线圈组激励中的正弦脉冲波动相位差180º。

所述一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，当作为接收端时，正相线圈组和反相线圈组的激励为同向的直流偏置电流。

本发明的另一个目的是提供一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声激发装置，包括：电磁超声换能器、大功率恒流源、脉冲信号源、反相器、正相功率放大器、反相功率放大器、隔离电容，其中，

所述电磁超声换能器为本发明所述的线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，安装在待测铁磁性管道上；

所述大功率恒流源产生两路大小和方向相同的直流偏置电流输出；第一路输出连接电磁超声换能器的正相线圈组，第二路输出连接电磁超声换能器的反相线圈组。

所述脉冲信号源产生正弦脉冲信号，脉冲的个数为3~8之间。所述脉冲信号源的输出分为两路；第一路输出连接正相功率放大器的输入端；第二路输出通过反相器之后，再连接反相功率放大器的输入端。

所述隔离电容为无极电容，用于隔离直流偏置电流，以防止大功率恒流源的输出对正相功率放大器或反相功率放大器造成电流反灌。

所述正相功率放大器的输出通过一个隔离电容后，连接电磁超声换能器的正相线圈组；正相功率放大器输出的峰值电流小于大功率恒流源的直流偏置电流。

所述反相功率放大器的输出通过另一个隔离电容后，连接电磁超声换能器的反相线圈组；反相功率放大器输出的峰值电流小于大功率恒流源的直流偏置电流。

该激发装置工作时，电磁超声换能器的正相线圈组和反相线圈组获得方向相同的直流偏置电流的激励，形成单向偏置磁化场对铁磁性管道进行轴向磁化。但在磁化过程中，正相线圈组激励中还包含有正弦脉冲波动，使得正相线圈组下方管壁中的铁磁性材料产生周期性磁致伸缩效应。同样，反相线圈组下方管壁中的铁磁性材料会产生相位相差180º的磁致伸缩效应。

由于正相线圈与反相线圈的中心距为所设计超声波波长的1/2，因此两个线圈组所产生的磁致伸缩效应满足超声波相长干涉的匹配关系，从而在铁磁性管道中激励出沿轴向传播的电磁超声纵向导波。

本发明的又一个目的是提供一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声接收装置，包括：电磁超声换能器、大功率恒流源、耦合电容、信号调理电路、采集电路、上位机，其中，

所述电磁超声换能器为线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，安装在待测铁磁性管道上；

所述大功率恒流源产生两路大小和方向相同的直流偏置电流输出；第一路输出连接电磁超声换能器的正相线圈组，第二路输出连接电磁超声换能器的反相线圈组。

所述信号调理电路的输入端通过耦合电容连接电磁超声换能器的正相线圈组或反相线圈组，用于获取管道中传播过来的电磁超声信号。

所述采集电路的输入端连接信号调理电路的输出端，用于将电磁超声信号转换为数字信号；采集电路的输出端通过数据总线连接上位机，用于将数字化的超声信号上传给上位机进行处理。

该接收装置工作时，电磁超声换能器的正相线圈组和反相线圈组获得方向相同的直流偏置电流的激励，形成单向偏置磁化场对铁磁性管道进行轴向磁化。当超声波传播至正相线圈组或反相线圈组下方时，在偏置磁化场的作用下产生逆磁致伸缩效应，并在正相线圈组或反相线圈组中感应出与超声波对应的电压信号，即超声波信号。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，将直流脉冲电流作用于正相线圈组和反相线圈组，在产生偏置磁化场的同时，还产生相位交替分布的周期性磁致伸缩效应。因此，该电磁超声换能器中，无需设置直流线圈和交流线圈，结构更简单。本发明中的激发装置和接收装置，也无需使用刚性永磁铁来提供偏置磁化场，减小了装置的体积。

附图说明

图1是本发明实施例一的轴截面结构示意图；

图2是本发明实施例一作为激发端时的激励电流波形对照图；

图3是本发明实施例一在T1时刻的磁化场分布的轴截面结构示意图；

图4是本发明实施例一在T2时刻的磁化场分布的轴截面结构示意图；

图5是本发明实施例二的结构框图；

图6是本发明实施例三的结构框图；

图中各部件的标记说明：1、骨架；2、正相线圈组；3、反相线圈组；4、线槽；5、电磁超声换能器；6、大功率恒流源；7、脉冲信号源；8、反相器；9、正相功率放大器；10、反相功率放大器；11、隔离电容；12、耦合电容；13、信号调理电路；14、采集电路；15、上位机；16、待测铁磁性管道。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述发明内容做进一步说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例一

参见图1，为本发明实施例一的结构示意图，提供了一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，包括：骨架１、正相线圈组2、反相线圈组3，其中，

骨架１为绝缘材料的中空圆柱管，其内径略大于待测铁磁性管道外径，且同轴套设于管道外表面。在骨架1上表面等间距开有6个环形的线槽4；线槽4之间的间距取5mm，为所激发超声波波长的1/2。

正相线圈组2由3个正相线圈串联在一起组成；正相线圈为环形线圈；各正相线圈的匝数均为9匝，用直径Ф1 mm的铜质漆包线绕制在骨架１的奇数线槽4中；

反相线圈组3由3个反相线圈串联在一起组成；反相线圈为环形线圈，绕制在骨架１的偶数线槽4中；反相线圈与正相线圈绕制方向和匝数均相同。

参见图2，是本发明实施例一作为激发端时的激励电流波形图，其中(a)图为正相线圈组2的激励电流，(b)图为反相线圈组3的激励电流。

正相线圈组2的激励为直流脉冲电流，该直流脉冲电流中包含5A的直流偏置电流和幅度为3A的正弦脉冲波动。该正弦脉冲波动中含有5个频率为290kHz的完整正弦波。作用于反相线圈组3的激励电流中同样包含5A的直流偏置电流，但是，其正弦脉冲波动相位与正相线圈组2的正弦脉冲波动相位差180º。

参见图3，是本发明实施例一在T1时刻的磁化场分布示意图。从图2中可以看到，在T1时刻，作用于正相线圈组2的激励电流为8A，而作用于反相线圈组3的激励电流为2A。因此，在T1时刻，正相线圈组2所产生的磁化场强度大于反相线圈组3所产生的磁化场。

参见图4，是本发明实施例一在T2时刻的磁化场分布示意图。从图2中可以看到，在T1时刻，作用于正相线圈组2的激励电流为2A，而作用于反相线圈组3的激励电流为8A。因此，在T2时刻，正相线圈组2所产生的磁化场强度又小于反相线圈组3所产生的磁化场。

这样，磁化场强度大小沿着待测铁磁性管道16轴向交替分布，且其间距为所设计超声波波长的1/2。因此，该换能器所引发的磁致伸缩效应满足超声波相长干涉的匹配关系，从而在待测铁磁性管道中激励出290kHz沿轴向传播的电磁超声纵向导波。

实施例二

参见图5，为本发明实施例二的结构框图，提供了一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声激发装置，包括：电磁超声换能器5、大功率恒流源6、脉冲信号源7、反相器8、正相功率放大器9、反相功率放大器10、隔离电容11，其中，

电磁超声换能器5为实施例一中提供的线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，安装在待测铁磁性管道16上；

大功率恒流源6优选EPS-3020MD恒流源电流，产生两路5A的直流偏置电流；第一路输出连接电磁超声换能器5的正相线圈组2，第二路输出连接电磁超声换能器5的反相线圈组3。

脉冲信号源7优选函数任意波形发生器DG832，产生正弦脉冲信号，脉冲的个数取5。脉冲信号源7的输出分为两路；第一路输出连接正相功率放大器9的输入端；第二路输出通过反相器8之后，再连接反相功率放大器10的输入端。

反相器8优选高频运算放大器OPA695，并连接为反相电压跟随器。

隔离电容11优选0.1uF的无感电容，用于隔离大功率恒流源6产生的直流偏置电流。

正相功率放大器9优选高频功率放大器ATA-3080，正相功率放大器9的输出通过0.1uF的隔离电容11后，连接电磁超声换能器5的正相线圈组2；正相功率放大器9输出的峰值电流为3A。

反相功率放大器10优选另一台高频功率放大器ATA-3080，反相功率放大器10的输出通过0.1uF的隔离电容11后，连接到电磁超声换能器5的反相线圈组3；反相功率放大器10输出的峰值电流为3A。

由于正相功率放大器9和反相功率放大器10输出的峰值电流为3A，小于直流偏置电流的5A。因此，正相线圈组2和反相线圈组3所产生的磁化场方向恒定，仅是磁化强度存在正弦脉冲波动。该正弦脉冲波动使得管壁中的铁磁性材料产生周期性磁致伸缩效应，激励出沿轴向传播的电磁超声纵向导波。

实施例三

参见图6，为本发明实施例三的结构框图，提供了一种线圈自激励的铁磁性管道电磁超声接收装置，包括：电磁超声换能器5、大功率恒流源6、耦合电容12、信号调理电路13、采集电路14、上位机15，其中，

电磁超声换能器5为实施例一中提供的线圈自激励的铁磁性管道电磁超声换能器，安装在待测铁磁性管道16上；

大功率恒流源6优选EPS-3020MD恒流源电流，产生两路5A的直流偏置电流；第一路输出连接电磁超声换能器5的正相线圈组2，第二路输出连接电磁超声换能器5的反相线圈组3。

耦合电容12优选1nF的高频瓷片电容。电磁超声换能器5的反相线圈组3通过1nF的耦合电容12，连接信号调理电路13。

信号调理电路13优选290kHz的带通滤波器和二级线性放大器，总增益80dB。

采集电路14优选高速数据采集卡USB2815，采集电路14的输入端连接信号调理电路12的输出端，用于将电磁超声信号转换为数字信号；并通过USB数据总线将数字化的超声信号上传给上位机15进行处理。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。