本发明属于无损检测研究领域，具体涉及一种能够产生扭转导波的非接触式的电磁超声换能器及检测方法，可实现对管道健康状况进行在线检测。
背景技术：
由于管道所处的环境一般比较恶劣，容易对管道本身健康状况造成不利影响，易诱发因管道腐蚀、裂纹、破损等缺陷而导致的灾难性事件。因此管道缺陷检测技术一直以来都是一个重要的研究方向。
现有的管道缺陷无损检测技术(从检测手段来说)主要包括：磁粉检测、涡流检测、超声波检测、射线检测和超声导波检测。其中超声导波检测技术与其他技术相比具有的优势使其成为管道无损检测发展的一个方向。按激励出超声导波的机理来划分，主要可分为压电效应、磁致伸缩效应和洛伦兹力。其中压电效应：是以压电陶瓷作为敏感元件，通过在压电片两侧施加电场，让压电陶瓷产生高频振动，然后将振动耦合到管道中从而产生导波。磁致伸缩效应：一种是通过在管道上直接密绕线圈，用永磁铁将一段管道磁化，在线圈中通入交变电流产生交变磁场，利用铁磁性管道的磁致伸缩效应来产生导波。另一种是在被测试件表面粘贴一种高磁致伸缩材料，并给这种材料加载适当的偏置磁场和交变激励磁场，以产生特定模态的导波。但压电式和磁致伸缩式一般需要耦合剂，且材料价格一般比较贵，加工起来相对复杂，而利用试件本身的磁致伸缩效应一般性能较弱，并且很难激励出扭转模态的导波。
北京科技大学的徐科、何建鹏等人于2016年10月20日申请了题为《一种线圈自激励电磁超声兰姆波传感器》的发明专利，该专利是针对板状波导进行设计的传感器，且激励出的波为板波；西安交通大学的李勇、陈振茂等人于2014年4月21日申请了题为《一种全周径向励磁电磁超声换能器》的发明专利，该专利所设计的传感器虽然是检测管道缺陷，但其检测的管道为非铁磁性管道，且传感器结构较为复杂，其工作条件是将传感器内置于管道，对传感器的制作要求高；中电科信息产业有限公司的闫重强、钱宏亮等人于2013年12月13日申请了题为《一种电磁超声换能器》的发明专利，该专利所阐述的是在永磁铁和线圈之间加入导磁层以增大信号，但该专利所设计的传感器存在转换效率低，信噪比不高等问题。在徐科、何建鹏等人申请的专利《一种线圈自激励电磁超声兰姆波传感器》中所设计的传感器结构为在直径为10mm至50mm，高度为3mm到50mm的圆柱塑料模型上缠绕直径为0.03mm至2mm的漆包线3到15匝所组成，且是针对板状波导进行检测，并且所激励的导波为板波。在李勇、陈振茂等人申请的专利《一种全周径向励磁电磁超声换能器》中所设计的换能器结构为将两条永磁铁用非金属填充物沿长度方向将n极相对连接在一起，并用非金属外壳包裹，在非金属外壳沿其长度方向中心处周向包覆有柔性线圈阵列，检测时须将传感器置于管道内部，并拖动，且该传感器检测对象为非金属管道。在闫重强、钱宏亮等人申请的专利《一种电磁超声换能器》中所设计的是在线圈和永磁铁之间加入导磁层，但这并不能改变被测材料本身的导磁特性。
技术实现要素：
针对上述背景技术中所存在的问题，本发明设计了一种用于大直径钢管非接触无损检测的新型扭转波导波电磁超声换能器，本发明所设计的传感器与上述专利所涉及的电磁超声换能器有很大的不同，该换能器可实现非接触检测，对线圈和永磁铁参数进行优化从而设计出一款相较于已存在的电磁超声换能器具有更大激励能量的换能器。该发明采用磁极周期性交错排列的永磁铁提供偏置磁场，通电线圈主要在其覆盖的管道表面及其附近集肤深度内产生涡电流，涡电流中运动的电子将会在磁场中受到洛伦兹力作用，从而撞击钢管材料内的钢管晶格，引起晶格振动，继而激励出扭转模态导波。
本发明的技术方案是：一种能够产生扭转导波的非接触式的电磁超声换能器，由线圈-永磁铁单元和被检管道组成；
所述线圈-永磁铁单元包括线圈和永磁铁；所述线圈设计成若干匝跑道形状；线圈上面设有两组永磁铁，每组为若干片，两组永磁铁分别置于跑道形线圈中两个直线排布部分的上面，两组永磁铁中的每片永磁铁均与线圈相垂直，每组永磁铁组内的磁极呈周期性交错排列以及两组永磁铁端点处永磁铁的磁极相反，磁极呈周期性交错排列的每组永磁铁整体的宽度与线圈直线排布部分的长度相等。
上述方案中，所述线圈采用铜漆包线，为密绕的方式，绕制成若干匝中间呈直线、两端呈半圆的跑道形状。
上述方案中，所述永磁铁为铷铁硼永磁材料。
上述方案中，所述被检管道，为一种铁磁性材料，导磁性能良好。
上述方案中，所述线圈-永磁铁单元沿被检管道两端一周呈阵列分布，共有两组阵列，其中一组构成激励换能器，另一组构成接收换能器。
上述方案中，所述换能器激励产生的导波频率和洛伦兹力变换的频率一致。
一种利用所述能够产生扭转导波的非接触式的电磁超声换能器的检测方法，包括以下步骤：
s1、将线圈绕制成若干匝的跑道形结构，采用密绕形式(绕线间距0.1mm)，每匝线圈的绕线方向一致；
s2、将若干个跑道形线圈覆盖在所述被检管道靠近一端的管道表面，作为激励换能器，并将若干片永磁铁按磁极呈周期性交错的形式排列在每个线圈中直线部分的上面，每个线圈的两个直线部分均排列若干片永磁铁，且这两个直线部分上两组永磁铁端点处的磁极也相反；激励换能器中的线圈沿管道表面周向均匀分布，各跑道形线圈的直线排布部分与被检管道轴线平行，永磁铁排列的方式如附图2所示；
s3、在所述被检管道另一端的端部附近按s2所述的方式排布另一组换能器，作为接收换能器，接收换能器的线圈数量和激励换能器的线圈数量保持一致，永磁铁为沿厚度方向充磁的铷铁硼永磁铁，其长度大于或等于跑道形线圈结构中直线排布那部分线圈宽度的1.2倍，以保证永磁铁将线圈直线部分完全覆盖，并能提供合理的磁场参数；
s4、将数个周期的正弦信号(频率为数百千赫兹)经过汉宁窗调制后加载到激励换能器的各激励线圈(并联形式)的两端，此时，激励线圈在管道表面线圈覆盖处集肤深度内感应出涡电流，永磁铁产生一个垂直于管道表面的偏置磁场，被检管道内运动的电子在磁场中受到洛伦兹力作用同时撞击被检管道内的晶格，在被检管道的周向形成周期性振动，该振动在被检管道内传播而激发出扭转模态的导波，利用导波在传播的过程中因被检管道缺陷导致声阻抗的不同而产生反射、折射、模态转换的变化；
s5、将接收换能器(与激励换能器连接方式相同)与示波器相连接，利用示波器显示波包，通过测量发射信号经过缺陷反射而形成的回波波包到达的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明设计的换能器为跑道形状，既可以实现对管状波导的检测，也能够检测板状波导，并且本发明设计的换能器能够激励出扭转模态导波，扭转模态导波具有对管状波导上的轴向缺陷敏感的优点；
2、本发明所设计的换能器为跑道形状，且是对钢管进行检测，只需将换能器放置在管道表面，操作简单；
3、本发明所设计的换能器利用的是钢管本身的导磁特性，不需要导磁层，简化了换能器结构；
4、本发明利用密绕线圈和将线圈并联组成阵列来增大激励涡电流密度，以此增大激励信号，同时线圈整体厚度控制在很薄的范围内(仅有绕线的单层厚度)，使偏置磁场靠近钢管表面，从而可以使垂直于管道表面的偏置磁场增大，继而增强磁场对涡电流中电子的作用，从而可以提供较大的振动。接收端采用和激励端相同的结构，并保证参数一致。
5、本发明这种换能器具有结构简单的特性，并能够实现非接触测量。本发明换能器的工作频率范围宽(160khz～1.2mhz)，信号幅值高，信噪比高于20db，在无损检测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施方式的电磁超声扭转导波换能器分布示意图；
图2是本发明一实施方式的电磁超声扭转波换能器横截面示意图；
图3是本发明一实施方式的原理示意图；
图4是本发明一实施例的立体效果图；
图5是本发明一实施方式的激励出的扭转波示意图。
图中：1、永磁铁；2、线圈；3、被测钢管；4、偏置磁场；5、涡电流；6、洛伦兹力。
具体实施例
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1-图4所示为本发明所述可产生扭转导波的非接触式电磁超声换能器的一种实施例，扭转导波电磁超声换能器，包括永磁铁1、线圈2和被测钢管3。
换能器的核心部件为跑道形线圈2，所述线圈2呈跑道形状，匝数为50匝，内侧宽22mm、外侧宽69mm，线圈中直线排布部分长40mm、宽23.5mm，这样的结构既可保证线圈中直线排布部分的长度，又能减少弯曲无效部分长度，有利于提高涡电流密度，从而增强发射信号强度。
所述永磁铁1磁极呈周期性交错排列，每4片一组，覆盖在线圈中直线排布的部分，线圈直线部分的两个边上分别有一组永磁铁，每片永磁铁长30mm、宽10mm，4片排列后的尺寸为长30mm、宽40mm，每一组永磁铁可以将线圈单边直线排布部分完全覆盖，保证激励的导波获得较大的能量。同时利用被测钢管3的导磁性能，永磁铁1能够将线圈压在钢管表面，起到固定的作用。
永磁铁1提供沿垂直于被测钢管3(钢管是型号为108的无缝工业用钢管)表面的偏置磁场4。通过信号发生器在激励线圈2中通以交变电流，使其在被测钢管3管壁中感应出交变的涡电流5。被测钢管内运动的电子在永磁铁提供的偏置磁场中受到洛伦兹力6作用，从而带动钢管晶格沿周向方向进行周期性振动，继而激励出扭转模态的超声导波。
一种利用所述能够产生扭转导波的非接触式电磁超声换能器的检测方法，包括以下步骤：
s1、绕制跑道形线圈，采用密绕形式，匝数为50匝，各线圈的绕线方向一致；
s2、在靠近被测钢管一端的位置将线圈沿钢管周向均匀覆盖在上面，磁极呈周期性交错排布的铷铁硼永磁铁1每4片为一组，分别放置在线圈跑道形结构直线排布部分的两个边上；其中线圈一组4个，沿被测钢管3周向均匀分布，线圈中直线排布部分与管道轴线平行，每个线圈的两边直线排布部分上面都有磁极相互交错排列的永磁铁，永磁铁排布的方式如图2所示；这里的线圈和永磁铁作为激励换能器；
s3、在被测钢管3另一端按s2所述方式放置相同的线圈2和永磁铁1，作为接收换能器，接收换能器与激励换能器结构相同。
换能器中的线圈内侧宽22mm、外侧宽69mm，直线排布部分长40mm、宽23.5mm，同时永磁铁长30mm，大于线圈跑道形结构中直线排布部分宽度的1.2倍，可以将其直线排布部分完全覆盖，并能提供合理的磁场参数；
s4、将信号发生器连接到各线圈(为并联形式)两端上，将频率为370khz的10个周期的正弦信号经过汉宁窗调制后作为激励信号输入线圈两端，此时，激励线圈将在管道表面线圈覆盖处感应出涡电流5，因永磁铁会提供一个垂直于管道表面的偏置磁场4，运动的电子在磁场中受到洛伦兹力6作用，从而带动钢管晶格沿周向方向周期性振动，继而在被测钢管壁内激发出扭转模态的导波，由于导波在传播的过程中因为待测件缺陷处声阻抗的不同产生反射、折射、模态转换等变化，
s5、将接收换能器(结构与激励换能器相同)与示波器相连，示波器显示出一个波包，如图5所示；通过测量到达波包的时间和导波在管道中传播的波速就可以确定缺陷的位置。
本发明原理结合图3进行如下描述：
本发明的依据是感应涡电流在磁场中受洛伦兹力作用，从而带动钢管晶格沿周向进行周期性振动。为克服钢管会将偏置磁场导向平行于管道轴向方向的缺点，把线圈设计成单层，让永磁铁磁极靠近钢管表面，同时磁极呈周期性交错排列，这样可以增大垂直于管道表面的偏置磁场。同时采用数个参数基本一致的激励线圈(并联)沿周向分布组成阵列形式，增强激励信号，线圈中直线排布部分主要在所覆盖的钢管区域集肤深度内感应出涡电流，涡电流中电子在磁场中运动，从而受到洛伦兹力作用，带动钢管晶格振动，激励出扭转模态导波。当导波沿着管道传播时，遇到缺陷，部分能量产生反射，通过接收换能器接收缺陷反射的回波信号。由激励出导波到接收缺陷回波的时间长度以及导波在管道的速度可计算出缺陷位置。本发明设计的电磁超声换能器比传统换能器具有更高的灵敏度和信噪比，相较于压电式和磁致伸缩式的换能器，本发明换能器容易激励出扭转模态导波，且无需耦合剂，可实现非接触检测，同时结构简单(仅由线圈、永磁铁和被测试件(导体材料)组成)，制作相对容易；耦合效果也得到提升。线圈设计成跑道形结构，为了增大感应涡电流，线圈采用密绕形式，同时为了减小永磁铁和管道间的距离，采用单层排列形式即所有漆包线的中轴线基本在一个平面内。永磁铁采用磁极周期交错排列形式，在任意沿长度方向相接触的两块磁铁的结合部的附近会形成方向相反的偏置磁场，恰好这两块相邻磁铁覆盖下的电流方向相反，可以提高激励效率。线圈中通以高频激励波，在钢管表面线圈覆盖区域感应出涡电流，永磁铁提供一个垂直管道表面的偏置磁场，管壁内的电子因受到洛伦兹力作用而撞击材料内部晶格，引起晶格振动，从而产生导波。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。