多模式电磁超声检测系统和电磁超声传感器的制作方法

本实用新型涉及无损检测技术领域，具体而言，涉及一种多模式电磁超声检测系统和电磁超声传感器。

背景技术：

电磁超声具有无需打磨材料表面、无需耦合剂、非接触检测等众多优点，特别适用于自动化超声检测装备。目前已有搭载电磁超声直入射传感器进行脉冲回波测厚的机器人，常用于大型钢结构壁厚测和腐蚀检测，相较于压电超声检测机器人，电磁超声检测机器人无需配备打磨机构和喷水耦合机构，节省了机器机构部件、控制模块、空间、重量和线缆等，具有巨大优越性。

然而工程无损检测中总是多目标的，需要检测多种缺陷，尽可能多的获得缺陷信息，还需要快速高效。比如大型储罐壁板和底板检测，不但需要进行测厚实现腐蚀检测，还需要检测裂纹，同时也期望区分缺陷是存在于板的内侧或外侧，此外还期望有快速扫查缺陷区域位置，然后再精确检测缺陷的高效检测策略，为实现这些目标往往需要多种检测技术并用。上述目标的一个有效解决方案是采用超声导波进行缺陷区域快速定位，用于超声波测厚评估腐蚀剩余壁厚，采用表面波区分缺陷是在内、外表面或检测外表面裂纹尺寸。但是如果把这三种技术用于检测机器人上，检测机器人至少需要搭载电磁超声导波、电磁超声、电磁超声表面波三种传感器及相应的检测系统，导致仪器系统过于复杂。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种多模式电磁超声检测系统和电磁超声传感器，以至少解决同时采用多种检测技术造成的检测系统过于复杂的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种电磁超声检测系统，包括：激励源，用于激励多个不同中心频率的窄频脉冲信号；双工器，分别与所述激励源和电磁超声传感器相连接，用于控制所述窄频脉冲信号进入所述电磁超声传感器，并接收来自所述电磁超声传感器的回波信号；所述电磁超声传感器，用于产生与所述中心频率相对应的波对待测材料进行检测，并采集所述待测材料的所述回波信号；前置放大器，与所述双工器相连接，用于根据所述回波信号的强度进行动态增益调节；信号采集与处理电路，与所述前置放大器相连接，用于采集和处理所述回波信号；信号显示与存储器，与所述信号采集与处理器相连接，用于显示所述回波信号。

进一步地，所述电磁超声检测系统还包括：调频匹配模块，连接在所述双工器和所述电磁超声传感器之间，用于调节所述电磁超声传感器的主频。

进一步地，所述双工器还用于限制所述窄频脉冲信号进入所述前置放大器。

进一步地，所述信号采集与处理电路包括：信号采集电路，与所述前置放大器相连接，用于采集所述回波信号；滤波电路，与所述信号采集电路相连接，用于对采集的所述回波信号进行滤波。

进一步地，所述电磁超声传感器包括：环形线圈；永磁体或脉冲电磁铁，与所述环形线圈匹配设置，用于产生偏置磁场，其中，所述偏置磁场的方向垂直于所述环形线圈的平面。

进一步地，所述环形线圈包括：多个直径不同的圆环，其中，多个圆环共用一个圆心，圆环与圆环之间采用等间距排列，相邻圆环通过斜线连接。

进一步地，所述圆环和所述斜线为导体材料。

进一步地，所述电磁超声传感器用于产生以下至少一种波：超声横波、兰姆波和表面波。

进一步地，在所述电磁超声传感器用于产生所述表面波时，所述电磁超声传感器中相邻两个圆环之间的间距为所述表面波的波长。

根据本实用新型实施例的另一方面，还提供了一种电磁超声传感器，包括上述任意一项电磁超声检测系统中的电磁超声传感器。

在本实用新型实施例中，采用以下结构的系统：激励源，用于激励多个不同中心频率的窄频脉冲信号；双工器，分别与激励源和电磁超声传感器相连接，用于控制窄频脉冲信号进入电磁超声传感器，并接收来自电磁超声传感器的回波信号；电磁超声传感器，用于产生与中心频率相对应的波对待测材料进行检测，并采集待测材料的回波信号；前置放大器，与双工器相连接，用于根据回波信号的强度进行动态增益调节；信号采集与处理电路，与前置放大器相连接，用于采集和处理回波信号；信号显示与存储器，与信号采集与处理器相连接，用于显示回波信号，通过用不同中心频率的激励信号使电磁超声传感器产生与中心频率相对应的波，达到了采用多种检测技术对待测材料进行检测的目的，从而实现了通过一种检测系统实现多种检测技术的技术效果，进而解决了同时采用多种检测技术造成的检测系统过于复杂的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种可选的电磁超声检测系统的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选的电磁超声检测系统中电磁超声传感器的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的一种可选的电磁超声检测系统中电磁超声传感器的环形线圈的示意图；

图4(a)是根据本实用新型实施例的利用超声横波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图4(b)是根据本实用新型实施例的利用超声横波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图4(c)是根据本实用新型实施例的利用超声横波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图4(d)是根据本实用新型实施例的利用超声横波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图5(a)是根据本实用新型实施例的利用兰姆波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图5(b)是根据本实用新型实施例的利用兰姆波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图5(c)是根据本实用新型实施例的利用兰姆波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图5(d)是根据本实用新型实施例的利用兰姆波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图6(a)是根据本实用新型实施例的利用表面波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图6(b)是根据本实用新型实施例的利用表面波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图6(c)是根据本实用新型实施例的利用表面波检测待测材料的仿真结果的示意图；

图6(d)是根据本实用新型实施例的利用表面波检测待测材料的仿真结果的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种电磁超声检测系统实施例，图1是根据本实用新型实施例的一种可选的电磁超声检测系统的示意图，如图1所示，该系统包括：

激励源，用于激励多个不同中心频率的窄频脉冲信号。

激励源激励产生的多个脉冲信号的频率要满足一定的要求，即在激励源所激励的多个脉冲信号的作用下，电磁超声传感器能够产生适用于不同检测技术的波。

双工器，分别与激励源和电磁超声传感器相连接，用于控制窄频脉冲信号进入电磁超声传感器，并接收来自电磁超声传感器的回波信号。

电磁超声传感器，用于产生与中心频率相对应的波对待测材料进行检测，并采集待测材料的回波信号。

在检测时，根据所要采用的检测技术，激励源产生一定中心频率的窄频脉冲信号，脉冲信号在双工器的控制下，进入电磁超声传感器，电磁超声传感器根据该脉冲信号生成相对应的波对待测材料进行检测，同时电磁超声传感器会接收检测时产生的回波信号，并将该回波信号发送给双工器。

前置放大器，与双工器相连接，用于根据回波信号的强度进行动态增益调节。

回波信号的强度通常比较小，一般为微伏级的信号，前置放大器在接收到回波信号之后，将回波信号进行放大，例如,将微伏级的回波信号放大至毫伏级以上的信号。前置放大器还可以根据回波信号的强度动态调节增益，以获得良好的检测信号。

信号采集与处理电路，与前置放大器相连接，用于采集和处理回波信号。

为了保证信号采集的有效性，通过信号采集与处理电路对回波信号进行采集时，其采样频率至少应大于回波信号频率的2倍。

信号显示与存储器，与信号采集与处理电路相连接，用于显示回波信号。

在信号显示与存储器中可以安装有用于显示和存储回波信号的软件。

在本实用新型实施例中，采用以下结构的系统：激励源，用于激励多个不同中心频率的窄频脉冲信号；双工器，分别与激励源和电磁超声传感器相连接，用于控制窄频脉冲信号进入电磁超声传感器，并接收来自电磁超声传感器的回波信号；电磁超声传感器，用于产生与中心频率相对应的波对待测材料进行检测，并采集待测材料的回波信号；前置放大器，与双工器相连接，用于根据回波信号的强度进行动态增益调节；信号采集与处理电路，与前置放大器相连接，用于采集和处理回波信号；信号显示与存储器，与信号采集与处理器相连接，用于显示回波信号，通过用不同中心频率的激励信号使电磁超声传感器产生与中心频率相对应的波，达到了采用多种检测技术对待测材料进行检测的目的，从而实现了通过一种检测系统实现多种检测技术的技术效果，进而解决了同时采用多种检测技术造成的检测系统过于复杂的技术问题。

可选地，电磁超声检测系统还包括：调频匹配模块，连接在双工器和电磁超声传感器之间，用于调节电磁超声传感器的主频。

调频匹配模块可根据检测时需要的传感器工作模式，选择适当的调频匹配，调节电磁超声传感器的主频，从而使电磁超声传感器达到最佳激励接收效率。

可选地，双工器还用于限制窄频脉冲信号进入前置放大器。

激励源所产生的脉冲信号为大功率信号，双工器只允许小于一定电压的信号进入到前置放大器中，因此前置放大器只能接收到回波信号，从而避免了激励信号进入到前置方大器中对回波信号造成干扰。

作为本实用新型实施例的一种可选地实施方案，信号采集与处理电路包括：信号采集电路，与前置放大器相连接，用于采集回波信号；滤波电路，与信号采集电路相连接，用于对采集的回波信号进行滤波。最后将经过滤波的信号传送至显示与存储模块，由显示与存储模块对信号进行显示和储存。

在本实用新型实施使中，当电磁超声检测系统用于检测时，由激励源根据需要采用的检测技术，依次激励多个不同中心频率的窄频脉冲信号，电磁超声传感器根据脉冲信号依次生成与多个与脉冲信号相应的波对待测材料进行检测，从而完成检测目标。

为了更好地描述本实用新型实施例，图2示出了本实施例的电磁超声检测系统中电磁超声传感器的一种可选的结构，如图2所示，该电磁超声传感器包括：

环形线圈；以及

永磁体或脉冲电磁铁，与环形线圈匹配设置，用于产生偏置磁场，其中，偏置磁场的方向垂直于环形线圈的平面。其中，在采用脉冲电磁铁产生偏置磁场时，需要保证在电磁超声传感器的一次激励和接时过程中，脉冲电磁铁处于工作状态。

在本实用新型实施例中，当电磁超声检测系统对待测材料进行检测时，由激励源激励产生的脉冲信号进入环形线圈，使得被检材料表面产生涡流，涡流区的质点在偏置磁声中受洛伦兹力作用，产生振动，从而耦合产生与脉冲信号的中心频率相对应的波，对待测材料进行检测。

可选地，环形线圈包括：多个直径不同的圆环，其中，多个圆环共用一个圆心，圆环与圆环之间采用等间距排列，相邻圆环通过斜线连接。圆环和斜线为导体材料。图3示出了本实用新型实施中的一种可选的环形线圈的结构，如图3所示：

环形线圈主要的结构参数有内径d、外径D以及圆环与圆环之间的间距a。

作为本实用新型实施例的一种可选地实施方案，环形线圈包括多层，在绕制环形线圈时，将导体材料由外部按不同直径绕线到内部，内部圆形导体材料的尽头通过孔跳线到下一层，并以与上层导线相重的圆形轨迹由内绕线至外部。两层导线绕线方向要满足线圈通电后，各环上相对应的各处电流方向一致。需要注意的是，绕线的方法并不唯一，还可以有双线绕法等其他方法，但无论采用何种绕线方式，均需使得环形线圈的各圆环以及各层对应。

在实际检测工作中，检测中总是多目标的，需要检测多种缺陷，并尽可能多的获得缺陷信息，要求检测系统可以产生多种可用于检测的波，并运用相应的检测技术进行检测，使检测过程快速而高效。

作为本实用新型实施例的一种可选地实施方案，电磁超声传感器用于产生以下至少一种波：超声横波、兰姆波和表面波。

其中，超声横波用于通过测厚评估腐蚀剩余壁厚以及直入射探伤，兰姆波用于通过大面积粗检板中缺陷对待测材料的缺陷区域进行快速定位，表面波用于检测待测材料在内、外表面的缺陷以及检测外表面裂纹尺寸等。

下面结合具体实例对本实用新型实施例中电磁超声检测系统利用不同检测波检测待测材料进行说明。

可选地，在电磁超声传感器用于产生表面波时，电磁超声传感器中相邻两个圆环之间的间距为表面波的波长。

具体地，在图3所示的环形线圈中，为了使电磁超声传感器产生表面波，应使其参数满足a＝λr并且d＝N+1/2λr，其中，λr为表面波的波长。

在即将进行说明的实例中，电磁超声检测系统中电磁超声传感器的环形线圈的尺寸为：D＝18.2mm，d＝6.2mm，a＝0.4mm，该电磁传感器的超声横波工作模式主频为fs＝3.5MHz，兰姆波的工作模式主频fl＝190kHz，表面波工作模式主频fr＝7.5MHz。

图4(a)-(d)是本实用新型实施例的电磁超声检测系统利用超声横波对6mm厚钢板进行检测的模拟仿真示意图，如图所示：

电磁超声检测系统的激励源激励的脉冲信号的中心频率为3.5MHz，该脉冲信号经过双工器进入电磁超声传感器的环形线圈之后产生超声横波，对待测材料进行检测。图4(a)为电磁超声传感器激励产生超声横波的示意图，图4(b)为电磁超声传感器激发产生的超声横波入射过程示意图，图4(c)为电磁超声传感器激发产生的超声横波反射过程示意图，图4(d)为电磁超声传感器激发产生的超声横波的波形图。电磁超声检测系统通过激励直入射超声横波对待测材较进行测厚和直入射探伤。

图5(a)-(d)是本实用新型实施例的电磁超声检测系统利用兰姆波对6mm厚钢板进行检测的模拟仿真示意图，如图所示：

电磁超声检测系统的激励源激励的脉冲信号的中心频率为190kHz，该脉冲信号经过双工器进入电磁超声传感器的环形线圈之后产生兰姆波，对待测材料进行检测。图5(a)为电磁超声传感器激励产生兰姆波的示意图，图5(b)为电磁超声传感器激发产生的兰姆波传播过程示意图，图5(c)为电磁超声传感器激发产生的兰姆波传播至端部的示意图，图5(d)为电磁超声传感器激发产生的兰姆波的波形图。由图5(d)可以发现，其中S0模态的兰姆波，信号频散非常小，且能量比A0模态的兰姆波大，能够传播较远的距离，电磁超声检测系统通过激励产生S0模态的兰姆波对待测材较进行板中缺陷大面积粗检。

图6(a)-(d)是本实用新型实施例的电磁超声检测系统利用表面波对6mm厚钢板进行检测的模拟仿真示意图，如图所示：

电磁超声检测系统的激励源激励的脉冲信号的中心频率为7.5MHz，该脉冲信号经过双工器进入电磁超声传感器的环形线圈之后产生表面波，对待测材料进行检测。图6(a)为电磁超声传感器激励产生表面波的示意图，图6(b)为电磁超声传感器激发产生的表面波传播过程示意图，图6(c)为电磁超声传感器激发产生的表面波传播至端部的示意图，图6(d)为电磁超声传感器激发产生的表面波的波形图。电磁超声检测系统通过激励产生表面波对待测材较进行内、外表面的缺陷检测。由图6(a)-(c)可以发现，在电磁超声检测系统激励产生表面波的同时，还会激励产生超声横波，容易对回波信号造成干扰。在本实用新型实施例中，一种可选的实施方式是，在电磁超声检测系统激励产生表面波对待测材料进行检测时，采用一激一收的工作方式，避免产生的超声横波对回波造成干扰。另一种可选的实施方式是，超声横波的回波信号的特点，在信号采集与处理电路中将超声横波的回波信号消除，从而获取表面波的回波信号。

根据本实用新型实施例，还提供了一种电磁超声传感器实施例，该电磁超声传感器包括本实用新型实施例的电磁超声检测系统中的电磁超声传感器。该电磁超声传感器采用环形线圈并配置用于产生偏置磁场的永磁体或脉冲电磁铁，当环形线圈中通过一定中心频率的窄频脉冲信号时，该电磁超声传感器在待测材料表面激励产生相应的波，以对待测材料进行检测。同时，电磁超声传感器还用于接收待测材料的回波信号。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。