电磁声学换能器的制作方法

专利名称：电磁声学换能器的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及电磁声学换能器(在下文中称为EMAT)，其用于借助超声波检查金属部件例如管道的完整性。
现有技术常规EMAT通过稳态磁场和瞬态高频磁场的联合作用与试验器材相互作用，稳态磁场常常是由一个或多个永久磁体产生的，瞬态高频磁场是由电绕组产生的。EMAT与试样之间的相互作用通常在该换能器的有源部件与试验器材之间的间隙最小时最大。
然而，如果EMAT在与试验器材接触时被移动，则它会受到磨损。
因此，对将要沿试验器材表面移动的EMAT，需要在EMAT的有源部件与所述表面之间预备保护层或防磨耗板。该层须面对相矛盾的要求。抗磨性随层厚的增加而增大，而EMAT的声学性能却随层厚的增加而下降并取决于保护层的材料性能和几何结构。
保护层的材料通常被加入到EMAT中，对该材料进行选择以使它们与EMAT的相互作用可以被忽略，它们的存在对声学性能的影响除了与在EMAT的有源表面与试验器材之间引入未填充的间隙这一点相关联的影响之外，没有别的。由于EMAT声学性能随该间隙的增大而非常急剧地下降，所以由这些材料构成的保护层一般很薄。由于器材薄，所以，如果防磨耗层受到的磨损特别严重，例如在对管壁的长距离高速检查中来自内部检查车辆或管道猪(pipeline pig)的磨损，则防磨耗层的寿命可能短。
到现在为止，禁止将导电和/或铁磁材料用于保护板，原因是，若在EMAT与试验器材之间插入上述材料的板，EMAT的声学性能会急剧下降。
更具体而言，由于电趋肤深度现象，这种板的存在会显著减少高频磁场自EMAT至试验器材中的穿透，并且由于DC通量被别的闭合路径从试验器材移去，试验器材中的DC磁场被减弱。

发明内容
鉴于某些上述材料卓越的抗磨损特性，如果能将具有导电和铁磁特性的防磨耗板加入到EMAT中，同时保持EMAT的有效声学性能将是最理想的。
根据本发明，提供了一种用于在试验器材中激发超声的电磁声学换能器，该换能器包括用于施加DC磁场给试验器材的磁装置；由交流源提供的、用于在试验器材内提供AC磁通量的电线圈；以及适于接合试验器材的表面并沿该表面滑动的防磨耗板，其特征是，防磨耗板包括其中具有开口的导电铁磁器材，使所述开口具有一定形式，以在防磨耗板中提供电和磁不连续，允许DC磁场和AC磁通量都穿透到试验器材中以便通过它们的相互作用引起试验器材的超声振动。
选择防磨耗板中的开口的精确位形，以适合EMAT的类型，确保试验器材中DC磁场和AC磁通量的建立。
注意到磁装置可以是一个或多个永久磁体或者是一个或多个电磁体。
根据本发明的EMAT的、由导电铁磁材料构成的防磨耗板可被设置具有大大超过常规非铁磁非导电防磨耗板的厚度，同时仍保持声学效能。防磨耗板增大的厚度及其材料性能的宽选择范围使EMAT的工作寿命能增加到超过常规防磨耗板可能达到的工作寿命。
在本发明的一些实施方案中，开口包括防磨耗板中的多个平行槽。这些槽可各自基本垂直于试验器材中象电流的方向延伸；不过，取决于将要在试验器材中产生的波，其他取向是可能的。
在根据本发明的换能器中，该换能器的磁装置可包括多个纵向排列的磁体，该多个磁体的相邻磁体的异性极相互邻接。于是，优选的是，槽位于相邻磁体之间的边界下方。在这种布置中，EMAT及其防磨耗板在试验器材中产生水平极化声学剪切波，其中试验器材的运动平行于试验面并与波向垂直(orthogonal)。注意到本发明并不限于这样的布置。
优选地，防磨耗板的厚度等于防磨耗板内被激发的主波模式波长的1/4。
如上面提到的，磁装置可包括多个纵向排列的磁体。可替换地，磁装置可包括至少一个磁体，并且电线圈位于至少一个磁体与防磨耗板之间，例如，邻近防磨耗板。线圈中具有多个弯曲(meander)。于是，线圈可被布置沿大体平行于防磨耗板的平面排列(line)。优选地，弯曲将线圈的方向改变180度，这样线圈包括通过弯曲连接的多个大体直且近似平行的部分。在这种布置中，直部分与防磨耗板中相应的多个平行槽对准。而且在这种布置中，防磨耗板最好在槽之间具有伸出部，使得线圈的直部分对被相应的伸出部隔开。
附图简述仅以举例的方式，参照附图更详细地描述本发明的实施方案，其中

图1示出了电绕组与试验器材之间无防磨耗板的常规水平极化剪切波EMAT的部分；图2示出了当在绕组与试验器材之间插入导电板时图1的布置；图3示出了具有施加DC磁场给试验器材的磁装置的常规EMAT的部分；图4示出了当在磁装置与试验器材之间插入导电板时图3的布置；图5和6示出了根据本发明的一个实施方案的EMAT的部分；图7示出了本发明的一个实施方案的部分；图8示出了无防磨耗板的另一常规EMAT的部分；图9示出了沿图8的A-A线得到的图8中EMAT的竖直剖面图；图10示出了根据本发明的另一实施方案的EMAT，与图8对应但具有防磨耗板；和，图11示出了沿图10的B-B线得到的图10中EMAT的竖直剖面图。
具体实施例方式
参照图，图1对一简单绕组所产生的AC电流进行了图解，该简单绕组比如是一般可用于EMAT中以产生水平极化剪切波的绕组。该图示出了位于试样4上方的平面绕组2。AC电流通过该绕组，用电流箭头6表示。这些电流被显示在时间上是凝固的，以任一方向环流。象电流8由AC绕组电流6感生到试样4中，并与AC绕组电流6的方向相反。它们在试样4的上表面所在的平面内环流。
图2示出了在绕组2与试样4之间插入导电板10的影响。现在，象电流8在导电板10的表面内流动。除非导电板10非常薄或者具有弱电导率，否则它会对试样4屏蔽掉绕组2的电磁效应，阻止任何象电流在试样4内环流。这将会妨碍在图2中仅部分被示出的EMAT起作用。
图3示出了试样4的表面上、由处于水平极化剪切波EMAT的一种典型布置中的永久磁体12建立的DC场模式。关于试样4上的法向磁场分量，试样4被显示具有不同极性的区域14。图3示出了水平极化剪切波EMAT的最常用设计中的所有主要部件。
图4示出了在磁体12与试样4之间插入导电铁磁板10的影响，先前在试样4上建立的DC磁场被限制到板10上而不能到达试样4。
根据本发明的EMAT，提供了一种其中具有开口的导电铁磁防磨耗板，使开口具有一定形式，以在防磨耗板上建立电和磁不连续，允许DC磁场和AC磁通量都穿透到试验器材中以便通过它们的相互作用引起试验器材的超声振动。
图5示出了插入开槽导电板16对AC电流的影响。板16仅部分被示出，即槽所在的区域，在该区域内板16好象一连串棒(bar)，出于图示目的共给出三个。槽被布置得大致与导电板16中的象电流18的法向电流正交。在这种情况下，象电流既在导电板16中又在试样4中流动，在试样4中电流的方向类似于图1中的简单情形。在开槽板16中，象电流18被迫使沿槽的壁行进，并通过以与板16的上表面上的电流相反的方向沿板16的下表面(在图5中看不见)行进来完成它们的环流。
在图5中，即使绕组电流振幅相同且绕组2与试样4之间的距离相同，试样4中的象电流8也可具有比图1中的象电流高的振幅。当开槽板16的厚度在绕组2与试样4之间的间隙中所占的比例大时，这一点尤其成立。对于精心设计的开槽板16，对试样4中的电流8的主要贡献是在开槽板16中行进的电流所感生出的象电流18，由于某些地方的象电流18在物理上非常接近试样4，因而感生出强电流。开槽板16中的电流18自身是源自绕组2的象电流，在开槽板16的上表面处，在此处绕组2接近开槽板16，非常强的电流18被感生到开槽板16中。净效果是，同绕组2与试样4之间具有相同距离但不包括开槽板16的布置相比，在试样4中感生出的电流8可增强。
图6示出了针对图3的布置，在绕组2与试样4之间插入铁磁开槽板16对DC磁场模式的影响。开槽板16虽然改变了试样4中的DC场模式，但通过将槽置于磁体12之间的边界下方，试样4中的场模式大致类似于图3中的模式14。在具有精心设计的铁磁开槽板16的情况下，对于磁体与试样之间的相等距离，可使试样4中的场强显著大于没有开槽板16时的场强。
图6示出了具有开槽防磨耗板16的水平极化剪切波EMAT的主要部件。图6所示的试样中的DC场模式20同试样4中的AC电流模式8产生所需的洛仑兹力，其中试样4中的AC电流模式8将会与图5所示的相同。附带条件是防磨耗板16必须是导电的和铁磁性的，并具有其几何结构会增强EMAT的AC象电流和DC磁场两者的槽。
图5和6仅图解了一种特定类型的EMAT，但利用开槽的导电铁磁防磨耗板16的原则也可适用于其他设计，即使该其他设计具有不同的槽布置。
图7更详细地示出了根据本发明的EMAT的部分。具有槽17的防磨耗板16采用网格或栅格的形式，AC绕组2和DC磁体12被包含在壳体20内。绕组2包括C-磁心22，不过可使用其他构型。
将通过另一个例子描述本发明的第二实施方案。在这个例子中，EMAT及其防磨耗板在试验器材中产生声波，其中试验器材的运动主要与试验面和传播方向垂直。得到的波可为瑞利、拉姆或垂直极化剪切类型，取决于试验器材的几何结构。本发明并不限于产生这些波型的EMAT。图8和9示出了无防磨耗板的常规EMAT的部分。绕组23是弯曲型的，位于单个磁体26的磁极的下方、试验器材25的上方。弯曲线圈23中的AC电流以常规方式示出(点和叉构成一个循环，分别表示流出和流入纸平面的电流)。试验器材中的象电流被显示在时间上是凝固的，分布在表面上，与弯曲线圈中的最接近导体中的电流的方向相反。试验器材中的电流密度在与弯曲线圈导体间的间隙相等的距离内，从一个方向的最大值平缓地变化到相反方向的最大值。该平缓变化近似正弦。
图10和11示出了根据本发明的第二实施方案的EMAT，具有图8的所有特征，但还具有开槽的导电铁磁防磨耗板26。弯曲线圈绕组位于防磨耗板23的开口槽31的上方。这样，弯曲线圈23包括与防磨耗板26中的槽31对准的多个线状(直)部分30，直部分30通过180度拐角或弯曲32连接。这样，对弯曲线圈23的每个直部分30，防磨耗板26有一个槽31。而且如图10所示，防磨耗板可具有凸出部或带27，凸出部或带27由与防磨耗板26相同的材料构成，自防磨耗板26凸出以延伸到介于弯曲线圈23的相邻直部分30之间的间隙中。
弯曲线圈23中的AC电流被显示在时间上是凝固的，与图9所示的电流没有差别。由于防磨耗板26/27的金属带是导电的，所以如所示出的，象电流28在防磨耗板中流动。这些象电流自身能在试验器材中产生别的象电流29。因此，试验器材中的象电流是弯曲线圈中的电流的产物，同时也是防磨耗板中的象电流的产物。试验器材中的象电流分布在试验器材的整个表面上，并在与弯曲线圈的绕组间隙相等的距离内，从一个方向的最大值波动到另一方向的最大值。然而，试验器材象电流与在无防磨耗板的情况下图9所示的原始象电流大不相同。最重要的区别是，所有其他几何变量相同时，试验器材中的最大AC电流密度，其在弯曲线圈的任一线状部分的正下方出现，与无防磨耗板的情形相比增大了。因此，防磨耗板能增强试验器材中的AC象电流。由于防磨耗板又是铁磁性的，所以它有助于将来自磁体24的DC磁通量传送给试验器材，效果是与没有防磨耗板的EMAT相比，根据本发明的EMAT的总体声学性能得到改善。
作为进一步解释，EMAT上的导电或铁磁性防磨耗层的作用受防磨耗板的面区域上的电和磁性能的变化影响。通过去除防磨耗板的特定区域的材料，例如通过开槽，将产生最易控制的变化。所得到的整个防磨耗面上的电不连续大大地改变了高频磁场与试验器材相互作用的程度。相关的磁穿透率变化也影响EMAT所施加的DC通量模式。重要的是，EMAT防磨耗板中的高频感生电流与防磨耗板中的DC场的联合作用能在改善EMAT声学性能方面起到新的作用。通过细心设计，防磨耗板可被布置得使EMAT性能与具有相似厚度的常规防磨耗板的EMAT相比大大提高，该厚度须经受由对机械强度的需要而引起的限制。于是，可选择防磨耗板的材料，以获得与常规抗磨耗材料相比得以大大改善的、对EMAT的机械保护。最终设计还必须考虑由EMAT行为在防磨耗板内产生的声信号以及由这些信号引起的任何不利影响。
AC场影响防磨耗板以几种方式影响EMAT性能。其中一种方式是改变AC场，以及EMAT和试验器材内和在EMAT和试验器材周围的涡流。在防磨耗板内流动的电流尤其重要。邻近防磨耗板的外表面上的试验器材流动的高频涡流的大小和表面积非常重要，对最佳防磨耗板设计而言，必须对它们进行合适的定位(orient)并使它们极大化。
为了使水平极化剪切波EMAT防磨耗板内的AC涡流最优化，应该以横切出现在防磨耗板的向内(绕组侧)表面上的涡流线的方式，在防磨耗板中开槽。这些槽的间距和长度必须保证以横切槽的方式流动的、保持在防磨耗板的内表面上的电流，被迫使进行环流，沿槽壁行进并以与内表面上的电流相反的方向沿防磨耗板的外表面行进。在可能的情况下，必须减小任何完全在防磨耗板的内表面平面内环流而不到达外表面的其他电流回路，因为这些电流对EMAT的声学性能没有贡献且浪费电能。
特别对水平极化剪切波EMAT而言，减小完全在内表面平面内环流的无用AC电流的重要手段是通过将槽延伸至完全超出EMAT的最强AC场范围。这确保了存在于槽以外的区域中的涡流弱、且与EMAT效能几乎没有关联，其中在该槽以外的区域中涡流可更自由地在内平面内环流。一种减小内表面中的AC电流的附加方法是减小位于接近AC绕组的极的区域中的槽之间的距离，根据定义，在该区域中AC通量具有垂直于内表面的有效分量且涡流喜欢平行于内平面环流。
在防磨耗板的外表面上流动的有用AC电流起附加电绕组一样的作用，它补充或者可支配EMAT的主绕组的作用。由于这些电流在一个物理上邻近试验器材的平面内流动，所以它们在试验器材中感生出比EMAT的主绕组所直接引起的象电流更强的象电流，其中由于防磨耗板的存在导致主绕组距试验器材较远。EMAT的性能近似与防磨耗板中的外表面电流的大小成正比。
为了确保电流进行所需环流，防磨耗板导电率必须高，防磨耗板厚度应远大于在EMAT的工作频率下与防磨耗板材料有关的电趋肤深度。
通过恰当地设计槽模式，可针对声学效能将总的板尺寸以及任何给定绕组布置下的、防磨耗板中的AC电流最优化。不过，在未考虑其他因素的情况下，还不能最终确定槽模式，槽模式对EMAT的DC场性能的影响就是其中一个因素。
DC场影响事实上所有EMAT的性能都随在试样内产生的DC场强的增大而提高。DC场强受槽分布影响，通过在EMAT的前表面上把至少一些槽安排得与DC磁极面的边界相符来最优化。在采用这种布置的情况下，迫使DC通量通过横过防磨耗板的厚度并经由试样闭合(close)来进行环行。反过来，通量被阻止在防磨耗板内以从极到极的方式行进，因为这将会包括横过一个槽，而槽作为一个导磁率被减小了很多的区域会阻隔通量。
注意到DC场要求可能与防磨耗板的机械完整性相冲突。
机械完整性槽布置的DC准则不能被严格执行，因为否则的话当槽的踪迹超出(trace out)换能器面上的极区域的边界时，会构成闭合环。这会将防磨耗板分成分离的部分，损害板的机械完整性。例如，在单个磁体有一个磁极面向试验器材的情形下，槽会形成一个环，使防磨耗板的大片中间部分得不到剩余板支撑，并因需要单独的支撑装置而导致不便。因此，在大多数实际情况下，需要对槽的理想DC场设计进行折衷。
影响槽设计的另一个因素是，在某些磨损条件下，具有平行于EMAT的预定行进方向的轴线的槽可优先于横切行进方向的槽。如果有许多密排的槽且EMAT很可能遇到能刨削(gouge)换能器面的物体，则这一点尤其成立。具有横向密排槽的不利后果是槽之间的薄材料带可能会因刨削过程中产生的力而发生变形。
声学影响防磨耗板的厚度和其他尺寸影响由EMAT的直接声学发生引起的、进入防磨耗板中的声波的振幅。必须设置这些波，使得他们不会不利地影响EMAT的运行。必须防止防磨耗板内的持久混响，该持久混响会掩盖对来自试验器材的声信号的接收。
防磨耗板厚度可为防磨耗板内被激发的主波模式波长的1/4。在该厚度下，防磨耗板将不会承载法向驻波，法向驻波可能在脉冲传输后显著地共振，并产生EMAT会对之特别敏感的信号。与防磨耗板接触放置的声阻尼材料有时是必要的，以减弱防磨耗板的声激发。该要求在EMAT仅作为发射机或仅作为接收机运行的情况下不太重要。在这些情况下，不存在传输脉冲混响影响接收信号的问题(所谓的鸣铃)。
总论因此，防磨耗板槽布置应该考虑AC场特性、DC场特性和机械问题，即避免将板分割成孤立的部分，并适当地考虑EMAT的行进方向以及可能发生的破坏性事件。防磨耗板厚度和总体设计应该考虑在防磨耗板内内部发生的声学活动及它们对EMAT声学性能的影响。防磨耗板的材料应具有必要的导磁性和导电性，以令人满意地控制防磨耗板内的AC电流，还必须耐磨损。
具有由3mm厚的工具钢构成的防磨耗板的水平极化剪切波EMAT获得了与一种先前设计相同的声学性能，在该先前设计中，EMAT由0.5mm厚的陶瓷层保护，并被证实对管道检查而言不够坚固。
因此，提供了一种EMAT，其防磨耗板是由铁磁导电材料构成的，使该防磨耗板具有一定形式，以便通过其对EMAT所产生的DC和AC场分量的影响而使其具备对EMAT的声学性能有利的材料不连续。
权利要求
1.一种用于在试验器材中激发超声的电磁声学换能器，该换能器包括用于施加DC磁场给试验器材的磁装置；由交流源提供的、用于在试验器材内提供AC磁通量的电线圈；以及，适于接合试验器材的表面并沿该表面滑动的防磨耗板，其特征在于防磨耗板包括其中具有开口的导电铁磁器材，使所述开口具有一定形式，以在防磨耗板中提供电和磁不连续，允许DC磁场和AC磁通量都穿透到试验器材中以便通过它们的相互作用引起试验器材的超声振动。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述开口包括防磨耗板中的多个平行槽。
3.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，磁装置包括多个纵向排列的磁体，所述多个磁体的相邻磁体的异性极相互邻接。
4.根据权利要求3所述的换能器，其特征在于，槽位于相邻磁体之间的边界下方。
5.根据前述任一权利要求所述的换能器，其特征在于，防磨耗板的厚度等于防磨耗板内被激发的主波模式波长的1/4。
6.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，磁装置包括至少一个磁体，电线圈包括介于所述至少一个磁体与防磨耗板之间的弯曲线圈，弯曲线圈具有通过弯曲互连的多个直部分。
7.根据权利要求6所述的换能器，其特征在于，弯曲线圈的所述多个直部分平行。
8.根据权利要求6或7所述的换能器，当从属于权利要求2时，其特征在于，弯曲线圈的直部分与防磨耗板中的槽对准。
9.根据权利要求6-8中任一权利要求所述的换能器，其特征在于，防磨耗板具有多个凸出，每个凸出在弯曲线圈相应的相邻直部分对之间伸出。
10.一种具有根据前述任一权利要求所述的电磁转化的管道猪。
11.一种利用电磁声学换能器在试验器材中激发超声的方法，该方法包括施加DC磁场给试验器材；在试验器材内提供AC磁通量；以及，使防磨耗板接合试验器材并沿该试验器材滑动，其特征在于，防磨耗板包括其中具有开口的导电铁磁器材，所述开口在防磨耗板中提供电和磁不连续，由此DC磁场和AC磁通量都穿透到试验器材中，并且由于DC磁场和AC磁通量的相互作用试验器材的超声振动发生。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述开口包括防磨耗板中的多个平行槽。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，槽基本垂直于试验器材中的电流的方向延伸。
14.根据权利要求11-13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，防磨耗板的厚度等于防磨耗板内被激发的主波模式波长的1/4。
15.根据权利要求11-14中任一权利要求所述的方法，其特征在于，超声振动是水平极化剪切波。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，磁装置包括至少一个磁体，电线圈包括介于所述至少一个磁体与防磨耗板之间的弯曲线圈，弯曲线圈具有通过弯曲互连的多个直部分。
全文摘要
一种电磁声学换能器(12，24)具有用于施加DEC磁场给试验器材(4，25)的一个或多个磁体，以及由交流源提供的、用于在试验器材内提供AC磁通量的电线圈(2，23)。防磨耗板(16，26)接合沿试验器材表面的滑动面。防磨耗板(16，26)由导电铁磁材料构成，其中具有开口(17，31)。因此，DC场和ACT通量都能穿透试验器材，引起该器材的超声振动。
文档编号B06B1/04GK1809749SQ200480017143
公开日2006年7月26日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月19日
发明者D·佩奇, R·A·默赛尔, I·索尔比 申请人:Pii有限公司