專利名稱：一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲換能器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲換能器，屬于聲 學換能器技術領域。
背景技術：
管道是現行的五大運輸工具之一，其在運送液體、氣體、漿液等方面 具有特殊的優勢，尤其在石油化工及天然氣等產業中具有不可替代的作用。 同時，和我們日常生活密切相關的城市供水系統、煤氣系統更是極為龐大 的管道網絡。經濟可靠的檢測技術可以大幅度地減少更換管道的數量，延 長那些雖已到服務期限但仍安然無恙的管道的使用期限，將帶來十分可觀 的經濟效益。
超聲導波技術是目前較為成熟的一種管道檢測手段。這種技術具有檢 測效率高、 一次性檢測覆蓋的范圍大、耗時少等優點。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時具有換能 器與媒質表面非接觸、無需加入聲耦合劑、重復性好、檢測速度高等優點， 因而受到廣大無損檢測與評估工作者的關注。
電磁超聲換能器在檢測系統中的主要作用是通過高頻電磁力產生機械 波(超聲波)，將電磁能轉換為機械能。電磁超聲檢測是利用電磁超聲換能 器激勵出超聲波，并在試件中傳播，在接收端將機械波轉化為電信號，通 過分析接收到的電信號，從而達到檢測目的。根據材料的不同，電磁超聲
換能器產生超聲波有不同的激發機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，并且此時磁致伸縮力常占主導作用。
電磁超聲換能器主要由偏置磁場與勵磁磁場組成，當換能器用于鐵磁 性材料的檢測時，偏置磁場在試件附近產生恒定》茲場，勵》茲磁場在該磁場 的基礎上提供交變磁場，從而在試件中產生周期性變化的磁致伸縮效應； 當換能器用于非鐵磁性材料的檢測時，偏置磁場在試件附近產生均勻磁場， 勵磁磁場的線圈在試件表面產生交變的感生電流，從而在試件表面產生周 期性變化的洛侖茲力。
中國專利96193606. l公開了一種利用磁致伸縮效應進行管道檢測的電 磁超聲換能器，其中偏置磁場由永久磁鐵提供，勵磁磁場由通有交變電流的線圈提供。使用這種換能器可以實現對鐵磁性管道的檢測，同時配合磁 致伸縮貼片可以實現對非鐵磁性管道的檢測。但是在利用磁滯伸縮效應進 行檢測時，對于不同的管道材料，其最佳工作磁場并不相同。而在這種換 能器中，由于偏置》茲場由永久磁鐵提供，因而其磁場強度很難改變，且其 產生的磁場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 器的應用。
另外，傳統的電磁超聲換能器還具有電聲轉換效率低，信噪比差等缺點。
實用新型內容
為了解決以上問題，本實用新型提供了一種利用超聲導波針對鐵磁性
材料管道進行^r測的電^茲超聲換能器。它不僅可用于管道長度的測量，還 可用于管道中污物、缺陷等的檢測，且其可以靈活改變換能器的偏置磁場 強度，以實現對不同鐵磁性材料鋼管的檢測，使用中具有信噪比高，體積 小，傳播距離遠等特點，并且重復性好，能較好地滿足實驗要求。 為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案 換能器系統主要由激勵端換能器和接收端換能器組成，激勵端換能器 與接收端換能器沿管道軸向并排布置。激勵端換能器主要包括直流線圈骨 架、勵》茲線圈骨架、直流線圏、勵》茲線圈和激勵端阻抗匹配網絡等。直流 線圈纏繞在直流線圈骨架上，勵磁線圈纏繞在勵磁線圏骨架上，直流線圈 骨架與勵磁線圈骨架套接，激勵端阻抗匹配網絡端口與勵磁線圈端口相連。 接收端換能器與激勵端換能器結構相似，包括直流線圈骨架、接收端直流 線圈、勵磁線圈骨架、接收端勵磁線圈和接收端阻抗匹配網絡等；接收端 直流線圈纏繞在直流線圈骨架上，接收端勵磁線圈纏繞在勵磁線圈骨架上， 直流線圈骨架與勵磁線圈骨架套接，接收端阻抗匹配網絡端口與勵磁線圈 端口相連。
本實用新型中，激勵端換能器的直流線圈中通有直流電，從而在管道 表面附近產生恒定磁場，即偏置磁場。在勵磁線圈中通有交變電流，從而 在管道表面附近產生交變磁場，即勵磁磁場。在偏置磁場和勵磁磁場的共 同作用下，管道表面會產生周期性的伸長與縮短，從而激勵出機械波，在 超聲的頻率范圍內，該機械波形成超聲波。這樣，就完成了電聲換能過程。 而在接收端換能器附近，在偏置磁場的作用下管道表面的周期形變產生交 變磁場，從而在接收端勵磁磁場中產生交變電流。這樣就完成了聲電換能過程。分析接收端換能器中接收到的電信號，就可得到管道長度、缺陷等"息。
本實用新型中，激勵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姿到直流穩壓電源，因此通過改變電流的大小，就可以 實現對偏置磁場強弱的控制，從而很容易實現對不同鐵磁性材料管道的檢 觀'J。而且，使用線圈方式產生的磁場，磁場沿管道周向分布均勻，在利用 超聲導波軸對稱模態進行管道檢測時，這一特點是相當有利的。
本實用新型中，勵;茲線圈和接收端勵/磁線圈可采用單向繞制，即整個 線圈的繞制方向相同。作為一種優選方案，也可采用雙向繞制方式，即線 圈沿軸線按照順時針-逆時針-順時針方向繞制。
本實用新型中，在外部信號源與激勵端勵磁線圈之間、以及接收端勵 磁線圈與信號接收裝置之間進行了阻抗匹配。阻抗匹配網絡采用電容或電 容-電感方式。進行阻抗匹配后，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是本實用新型整體結構示意圖，圖中未畫出激勵端阻抗匹配網絡
10與接收端阻抗匹配網絡11;
圖2是勵磁線圏骨架和勵磁線圈的立體圖； 圖3、圖4是激勵端阻抗匹配網絡的電路圖； 圖5是接收端阻抗匹配網絡的電路圖。
圖中1、激勵端換能器，2、接收端換能器，3、管道，4、接收端直 流線圈，5、接收端勵》茲線圈，6、直流線圈骨架，7、直流線圈，8、勵眉茲 線圈骨架，9、勵石茲線圏，10、激勵端阻抗匹配網絡，11、接收端阻抗匹配 網絡。
具體實施方式
下面通過實施例及附圖對本實用新型進行具體描述。 有必要在此指出的是本實施例只用于對本實用新型進行進一步說明， 不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，本領域的技術熟練人員可以根 據上述本實用新型的內容對本實用新型作出一些非本質的改進和調整。
如圖1、圖2及圖3所示，換能器系統由激勵端換能器1和接收端換能 器2組成，兩者沿管道3的軸向并排布置。激勵端換能器1主要包括直流 線圈骨架6、勵^t線圈骨架8、直流線圈7、勵》茲線圈9和激勵端阻抗匹配網絡10等。直流線圈骨架6經由孔601和勵磁線圈骨架8的左外表面803、 右外表面802配合，管道3穿過勵^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，并通過端口A1、 Bl連接到外部直流穩壓電源， 提供換能器工作時的偏置磁場。勵磁線圈9纏繞在勵磁線圈骨架8上，并 通過端口C1、 Dl與激勵端阻抗匹配網絡10的端口 El、 Fl連接。激勵端阻 抗匹配網絡10的端口 Gl、 Hl連接到外部信號源。
接收端換能器2的結構與激勵端換能器1基本相同，接收端換能器2 主要包括直流線圈骨架6、勵磁線圈骨架8、接收端直流線圈4、接收端勵 《凌線圈5和接收端阻抗匹配網絡11等。直流線圈骨架6經由孔601和勵^f茲 線圈骨架8的外表面配合，管道3穿過勵磁線圈骨架8的中心孔。接收端 直流線圈4通過端口A2、 B2連接到外部直流穩壓電源，提供換能器工作時 的偏置;茲場。如圖5所示，接收端勵磁線圈5通過端口 C2、 D2與接收端阻 抗匹配網絡ll的端口 E2、 F2連接。接收端阻抗匹配網絡ll的端口 G2、 H2 連接到信號接收裝置。
換能器工作時，外部直流穩壓電源通入直流線圈4和接收端直流線圈7 中，從而在激勵端換能器1和接收端換能器2中心產生偏置磁場。外部信 號發生器發出的信號經功率放大器放大，然后通過激勵端阻抗匹配網絡10 輸入到勵;茲線圈9中，在磁致伸縮效應的作用下，在管道中激勵聲波。當 聲波傳播到接收端換能器2時，在》茲致伸縮逆效應的作用下，在接收端勵 磁線圈5中產生交變電流，該電流通過接收端阻抗匹配網絡ll輸出到信號 接收裝置中。通過分析接收信號對管道缺陷進行檢測。
如圖2所示，作為一種優選方案，勵磁線圈9采用雙向繞制方式。勵 磁線圈9的左引線901、右引線902分別通過勵磁線圈骨架8的引線左凹槽 804、右凹槽809和端口 Cl、 Dl相連。勵磁線圈9的逆繞線圏905沿勵磁 線圈骨架8的繞線表面805繞制，且繞線方向為逆時針方向。勵磁線圈9 的順繞線圈903沿勵^磁線圈骨架8的繞線表面808繞制，且繞線方向為順 時針方向。順繞線圈903與逆繞線圈905被線圈骨架8的線脊807分隔開 來，且由經過線圈骨架8的換向凹槽806的換向線904相連。通過上述這 種結構，就可以實現線圈的雙向繞制，且所述順繞線圈903與逆繞線圈905 可以是多個。接收端勵石茲線圈5同樣采用所述雙向繞制方式。
如圖3、圖4所示，激勵端阻抗匹配網絡10采用電容-電感方式。從端 口E1、 Fl看過去，匹配網絡既可采用先并聯電感L2再串聯電容C2的方式， 也可采用先并聯電容C3再串聯電感L的方式。本實施例采用先并聯電容C3再串聯電感L3的方式，這種匹配方式在換能器的實際使用中濾波效果更好。
如圖5所示，接收端阻抗匹配網絡11采用串聯電容d的方式進行匹配。
本實用新型將傳統的永久磁鐵替換為直流線圈來產生偏置》茲場，從而 實現了偏置磁場強度可變的目的。勵磁線圏采用雙向繞制方式，提高了換 能效率。使用了阻抗匹配網絡，提高了換能器的信噪比。本實用新型可以 實現對不同鐵磁性材料鋼管的檢測，同時換能效率較高，信噪比高，體積 小，傳播距離遠，重復性好，能較好地滿足鐵磁性管道的檢測要求。
權利要求1、一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲換能器，由激勵端換能器(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，激勵端換能器(1)主要包括直流線圈骨架(6)、直流線圈(7)、勵磁線圈骨架(8)、勵磁線圈(9)和激勵端阻抗匹配網絡(10)，直流線圈(7)纏繞在直流線圈骨架(6)上，勵磁線圈(9)纏繞在勵磁線圈骨架(8)上，直流線圈骨架(6)與勵磁線圈骨架(8)套接，激勵端阻抗匹配網絡端口與勵磁線圈端口相連；接收端換能器(2)與激勵端換能器(1)結構相似，包括直流線圈骨架(6)、接收端直流線圈(4)、勵磁線圈骨架(8)、接收端勵磁線圈(5)和接收端阻抗匹配網絡(11)；接收端直流線圈(4)纏繞在直流線圈骨架(6)上，接收端勵磁線圈(5)纏繞在勵磁線圈骨架(8)上，直流線圈骨架(6)與勵磁線圈骨架(8)套接，接收端阻抗匹配網絡端口與勵磁線圈端口相連。
2、 根據權利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲 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 外部直流穩壓電源，直流線圏(7)和接收端直流線圈(4)中電流大 小可調節。
3、 根據權利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲 換能器，其特征在于，所述勵磁線圏(9)和接收端勵磁線圈(5)可 采用單向繞制，也可釆用雙向繞制方式。
4、 根據權利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲 換能器，其特征在于，所述激勵端阻抗匹配網絡(10)采用電容-電 感方式匹配，既可采用先并聯電感再串聯電容的方式，也可采用先并 聯電容再串聯電感的方式。
5、 根據權利要求1所述的一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲 換能器，其特征在于，所述接收端阻抗匹配網絡(11 )采用串聯電容 方式匹配。
專利摘要一種用于鐵磁性管道檢測的電磁超聲換能器，屬于聲學換能器技術領域。本實用新型主要由激勵端換能器(1)和接收端換能器(2)組成，兩者沿管道(3)軸向并排布置。激勵端換能器(1)主要包括直流線圈骨架(6)、直流線圈(7)、勵磁線圈骨架(8)、勵磁線圈(9)和激勵端阻抗匹配網絡(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)、勵磁線圈骨架(8)、接收端勵磁線圈(5)和接收端阻抗匹配網絡(11)。本實用新型可以實現對不同鐵磁性材料鋼管的檢測，同時換能效率較高，信噪比高，體積小，傳播距離遠，重復性好，能較好地滿足鐵磁性管道的檢測要求。
文檔編號G01N29/24GK201229172SQ20082008077
公開日2009年4月29日 申請日期2008年5月23日 優先權日2008年5月23日
發明者何存富, 斌 吳, 宋國榮, 張小文, 焦敬品 申請人:北京工業大學