一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，包括外壳、脉冲电磁铁和电磁超声线圈；所述外壳具有一封闭内腔，其内腔两侧分别设有进水口和出水口；所述脉冲电磁铁和电磁超声线圈封装在外壳内，所述电磁超声线圈靠近脉冲电磁铁的磁极方向下方设置，其中所述脉冲电磁铁与外壳内壁之间形成水循环通道，所述电磁超声线圈设置在外壳底层的一密封腔内。本实用新型通过设计不同的电磁铁结构能够实现横波、纵波检测，对于缺陷的检测能力得到了提升，同时还能够在高温、大型铁磁性锻件上进行长时间检测，应用于大型锻件的加工制造过程中，能够在热态情况下检测出制造缺陷，保证大型锻件能够及时再制造，减少制造成本。
【专利说明】
一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头
技术领域
[0001]本实用新型属于电磁超声波检测技术领域，具体涉及一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头。
【背景技术】
[0002]电磁超声检测产生于20世纪60年代，相比于传统的压电超声检测技术，它具有无接触性、环保性和较强环境适应性等突出特点，因而在近年得到了快速发展，已经广泛应用于金属板材、管材测厚，缺陷探伤，在线检测等多个领域。电磁超声检测的核心部分为电磁超声换能器，一般由磁铁，激发、接收线圈，被测试样3部分组成，在非铁磁性材料中，电磁超声主要以洛伦兹力激励为主，换能器线圈中通过高频、大功率的电流，其在被测试样内部产生与之流向相反的感生涡流，此时被测试样的集肤层内相当于有电流流过，静态磁场与感生涡流相互作用产生洛伦兹力，由于感生涡流为高频变化的，为此产生的洛伦兹力在试样的表面产生，试件内质点在力的作用下产生高频振动，这种振动以超声波形式产生并向内部传播，接收过程中，根据法拉第电磁感应定律，存在偏置磁场的情况下，由于超声振动接收线圈将感生交变电场，通过检测交变电场的电压信号进行试样的检测。
[0003]传统的压电超声检测技术需要耦合剂，无法在高温情况下进行检测；目前公开的耐高温电磁超声换能器由永磁铁提供偏置磁场，在非铁磁性材料中能够较好完成检测，但是应用于铁磁性材料中，由于磁力造成电磁超声换能器移动困难，不利于在线检测。
[0004]另外脉冲电磁铁式的电磁超声换能器，仅采用螺线管线圈产生磁场，线圈通电电流大，发热严重，只能短时间进行检测，存在局限性。
[0005]目前针对电磁超声检测技术有学者从几个方面进行研究，例如申请号为200910073192.8的中国发明专利，公开了一种利用脉冲电磁铁提供偏置磁场的电磁超声换能器，该脉冲电磁铁由骨架和线圈组成，并设计脉冲电磁铁驱动电路。采用螺线管线圈的绕制形式将线圈绕制在骨架上，在开始工作时，驱动电路为线圈提供高电压，大电流进而产生偏置磁场，同时在主机的控制下，待磁场稳定后，电磁超声主机在电磁超声线圈中产生高频电流，在偏置磁场的作用下产生垂直入射的超声波。但是这种形式的脉冲电磁铁由于只是采用螺线管线圈的绕制形式，只能在y方向产生较强的磁场，因而只能产生出横波，相对于传统压电超声检测中能进行纵波和横波检测，采用该种脉冲电磁铁式的电磁超声检测方式存在一定局限；而且由于公开的这种脉冲电磁铁的线圈需要通过大电流，长时间检测，发热会相当严重，因此这种形式不能长时间进行电磁超声检测，更不能在高温下进行检测。
[0006]再例如专利授权号为CN 203479275 U的中国实用新型专利，公开了一种高温电磁超声测厚探头，该探头分为内壳体和外壳体两层，永磁体和高频线圈均安装在内壳体中，高频线圈处于永磁体的下方，高频线圈与永磁体之间通过粘合剂连接;插座安装在内壳体顶部，高频线圈通过引线与插座电连接，同时内壳体中填充阻燃绝缘材料，实现在高温下的探测。采用该种方法在非铁磁性材料中由于不需要耦合剂，探头设计中填充阻燃绝缘材料能够实现高温管道测厚;但是该装置在铁磁性材料中，由于永磁铁的磁力，会使探头的移动困难，不利于测量。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型解决的技术问题是:针对现有的电磁超声检测技术存在的上述缺陷，提供一种适应于在高温铁磁性材料的耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头。
[0008]本实用新型采用如下技术方案实现:
[0009]—种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，包括外壳1、脉冲电磁铁7和电磁超声线圈8;
[0010]所述外壳I具有一封闭内腔，其内腔两侧分别设有进水口2和出水口 5;
[0011 ]所述脉冲电磁铁7和电磁超声线圈8固定封装在外壳I内，所述电磁超声线圈8靠近脉冲电磁铁7的磁极方向下方设置，所述脉冲电磁铁7与外壳内壁之间形成水循环通道6，所述电磁超声线圈8设置在外壳底层的一密封腔3内。
[0012]进一步的，所述脉冲电磁铁7采用E型电磁铁和C型电磁铁分别进行纵波检测和横波检测。
[0013]进一步的，所述脉冲电磁铁7包括硅钢片71、支架72和线圈72，所述线圈72通过支架72绕装在E型或C型的硅钢片71叠装的铁芯上，所述线圈72与外壳外部的脉冲电源10电连接。
[0014]进一步的，所述电磁超声线圈8与外壳外部的电磁超声电源11电连接。
[0015]进一步的，所述脉冲电源10和电磁超声电源11均与主机12连接，控制检测探头工作并接收显示探测信号。
[0016]在本实用新型中，所述电磁超声线圈的密封腔3底部的采用陶瓷板4密封。
[0017]本实用新型的脉冲电磁铁采用铁芯与线圈结合产生偏置磁场的方案，在相对较小的电流的情况下能够产生较强的磁场，同时在脉冲电磁铁设计时，能够根据不同的检测形式(横波检测和纵波检测)确定脉冲电磁铁的几何结构，并根据磁场指标进行结构优化，使产生的偏置磁场相对于永磁铁均匀度更好，增强信号的信噪比。
[0018]本实用新型的脉冲电源的工作形式保证电磁超声换能器工作效率，检测I次所需时间为ms级别，相对于文献记录中的充放电工作形式，检测I次需要秒级别的时间有极大提升。
[0019]本实用新型突出在高温情况下的长时间检测，首先针对于普通漆包线进行耐高温改造，在脉冲电磁铁的漆包线表面进行高温材料绝缘，在绕制电磁铁时，每层线圈同样采用耐高温材料覆盖;在通电工作时，外壳的内腔内设计水循环系统进行冷却，减少脉冲电磁铁温升，保证电磁超声换能器能够在400°C左右的高温下能够长时间工作，满足在线检测的要求。
[0020]由上所述，本实用新型具有如下有益效果:本实用新型通过设计不同的电磁铁结构能够实现横波、纵波检测，对于试件缺陷的检测能力得到了提升，同时还能够在高温、大型铁磁性锻件上进行长时间检测，应用于大型锻件的加工制造过程中，能够在热态情况下检测出试件的制造缺陷，保证大型锻件能够及时再制造，减少制造成本。
[0021]以下结合附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步说明。
【附图说明】
[0022]图1为实施例中的电磁超声无损检测探头的内部结构示意图。
[0023]图2a为实施例中的E型脉冲电磁铁结构示意图。
[0024]图2b为实施例中的C型脉冲电磁铁结构示意图。
[0025]图3为实施例中的电磁超声无损检测探头的工作示意图。
[0026]图4为实施例中的电磁超声无损检测探头工作时的脉冲电源外触发时序图。
[0027]图中标号:1_外壳，2-进水口，3_密封腔，4-陶瓷板，5-出水口，6_水循环通道，7_脉冲电磁铁，71-硅钢片，72-支架，73-线圈，8-电磁超声线圈，9-试件，10-脉冲电源，11-电磁超声电源，12-主机。
【具体实施方式】
[0028]实施例
[0029]参见图1，该装置结构包括外壳1、脉冲电磁铁7、电磁超声线圈8、脉冲电源10、电磁超声电源11、主机12等，其中探头主体为一具有密封内腔的外壳I，外壳I的内腔两侧分别设有进水口 2和出水口 5，可向外壳内通入冷却水形成水冷却系统;脉冲电磁铁7和电磁超声线圈8封装在外壳I内，电磁超声线圈8靠近脉冲电磁铁7的磁极方向下方设置，其中所述脉冲电磁铁7与外壳内壁之间形成水循环通道6，与外壳的进水口 2和出水口 5以及外部连接的水栗等部件形成冷却水循环系统，循环流动的冷却水将脉冲电磁铁7与探测试件所在的高温环境隔绝，降低高温对电磁铁的影响，电磁超声线圈8设置在外壳底层的一密封腔3内，电磁超声线圈的密封腔3底部的采用陶瓷板4密封。
[0030]如图2a和图2b所示，脉冲电磁铁7采用E型电磁铁和C型电磁铁分别进行纵波检测和横波检测，脉冲电磁铁7包括硅钢片71、支架72和线圈73，线圈73通过支架72绕装在E型或C型的硅钢片71叠装的铁芯上，线圈73与外壳外部的脉冲电源10电连接，电磁超声线圈8包括超声激发、接收线圈，分别通过信号线与外壳外部的电磁超声电源11电连接。
[0031]首先根据检测要求，纵波检测时采用C型硅钢片，横波检测时采用E型硅钢片，采用交流电磁铁的设计方法初步设计两种形式硅钢片的几何尺寸及叠加厚度，进一步采用优化算法结合有限元方法对磁路进行优化，保证磁感应强度的大小和均匀度，最终确定脉冲电磁铁的几何尺寸以及线圈的绕制匝数及通电电流;然后根据确定线圈参数进行脉冲电磁铁的绕制，同时根据绕制的脉冲电磁铁进行阻抗匹配，保证脉冲电源的最大输出效率，支架为耐高温材料，线圈绕制时表层覆盖耐高温材料进行绝缘，最后将脉冲电磁铁组装在外壳内。外壳内腔设计水循环路径，工作时利用水冷降温。
[0032]结合参见图3和图4，本实施例在工作时，将探头底部的电磁超声线圈朝向靠近试件9表面，脉冲电磁铁7、电磁超声线圈8、试件9组成电磁超声换能器，脉冲电源1和电磁超声电源11均与主机12连接，分别控制检测探头的脉冲电磁铁和电磁超声线圈工作，同时接收并显示试件9探测信号。通过主机发出信号，脉冲电源接收到信号，按照图4所示的脉冲电源时序图进行工作，(a)为外部提供的触发信号，当脉冲电源接收触发信号(a)，立即或者延时(ms级别)输出设定功率信号(b);脉冲电源主输出(b)输出延时t0时间，即待电压稳定后，输出信号(c);信号(c)在脉冲电源主输出(b)的脉宽时间内，以周期为tl重复触发，直至信号(b)转为下降沿，触发信号在脉冲电源主输出(b)的有效时间内，脉冲电磁铁的耐高温线圈通电流，迅速对磁芯进行磁化，产生足够强度的偏置磁场，此时超声激发、接收线圈工作得到超声信号，通过触发信号(C)输出至主机的采集卡进行数据采集，tl的时间长短决定了采集数据的次数。在工作时，外壳的进水口和出水口一直要保持冷却水的循环流动工作，如之前的图1所示，脉冲电磁铁7封装于外壳I中，电磁超声线圈放置于密封腔3中，电磁超声线圈下部采用陶瓷板4密封，水从进水口 2中进入，从出水口 5中排出，对外壳内腔温度进行冷却。
[0033]以上实施例描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的具体工作原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，其特征在于:包括外壳(I)、脉冲电磁铁(7)和电磁超声线圈(8); 所述外壳(I)具有一封闭内腔，其内腔两侧分别设有进水口( 2)和出水口( 5); 所述脉冲电磁铁(7)和电磁超声线圈(8)固定封装在外壳(I)内，所述电磁超声线圈(8)靠近脉冲电磁铁(7)的磁极方向下方设置，所述脉冲电磁铁(7)与外壳内壁之间形成水循环通道(6)，所述电磁超声线圈(8)设置在外壳底层的一密封腔(3)内。2.根据权利要求1所述的一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，所述脉冲电磁铁(7)采用E型电磁铁和C型电磁铁分别进行纵波检测和横波检测。3.根据权利要求2所述的一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，所述脉冲电磁铁(7)包括硅钢片(71)、支架(72)和线圈(73)，所述线圈(73)通过支架(72)绕装在E型或C型的硅钢片(71)叠装的铁芯上，所述线圈(73)与外壳外部的脉冲电源(10)电连接。4.根据权利要求3所述的一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，所述电磁超声线圈(8)与外壳外部的电磁超声电源(11)电连接。5.根据权利要求4所述的一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，所述脉冲电源(10)和电磁超声电源(11)均与主机(12)连接，控制检测探头工作并接收显示探测信号。6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头，所述电磁超声线圈的密封腔(3)底部的采用陶瓷板(4)密封。
【文档编号】G01N29/24GK205538843SQ201620077776
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月27日
【发明人】吴运新, 谭良辰, 石文泽, 龚海, 韩雷, 范吉志, 李伟, 杨键刚
【申请人】中南大学