一种内插式电磁超声螺旋导波换能器及其工作方法

本发明属于无损检测中超声检测技术领域，涉及一种内插式电磁超声螺旋导波换能器，具体涉及一种应用于聚变堆水冷固体包层模块多折弯型双壁冷却管连接界面检测的电磁超声螺旋导波换能器及其工作方法。

背景技术：

聚变堆水冷固体包层模块是聚变堆堆内重要部件之一，其结构中的多折弯型双壁冷却管具有冷却包层模块、保证其在安全温度下运行的作用。在制备过程中，多折弯型双壁冷却管中的连接界面可能会出现脱粘等缺陷，该缺陷将严重降低多折弯型双壁冷却管的传热及冷却效率，影响聚变堆水冷固体包层模块整体的安全运行。因此，对多折弯型双壁冷却管连接界面实施无损检测非常重要。电磁超声检测是一种新型、有效的金属构件无损检测技术之一，可用于多折弯型双壁冷却管连接界面缺陷的检测。

电磁超声换能器是电磁超声检测的关键，电磁超声换能器即是超声检测的探头部分，是产生和接收超声波的核心部件。电磁超声检测技术利用电磁结合结构激发和接收超声波，其通电导线在被测工件表面产生涡流效应，其涡流质点受机械力，振动产生超声波；其线圈能接收超声回波信号。在电磁超声检测应用过程中，因线圈形状及偏置磁场的不同，可产生不同种类超声波。根据超声波的传播原理，进行双壁管无损检测。

传统研究采用的超声导波技术脉冲反射法对管道进行检测时，仅可检出与导波传播方向相互垂直的缺陷。如采用沿管道轴向传播的超声导波可检测周向缺陷；沿管道周向传播的超声导波可检测轴向缺陷。而真实情况中的多折弯型双壁冷却管连接界面的裂纹缺陷走向并不仅限于周向裂纹和轴向裂纹，同时包含斜向裂纹。而周向和轴向导波受声场指向性制约，而无法完成斜向裂纹全检测，不能满足电磁超声管道检测的实际需求。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种内插式电磁超声螺旋导波换能器及其工作方法，可以产生沿多折弯型双壁冷却管道斜向方向传播的电磁超声导波，从而实现多折弯型双壁冷却管道任意升角螺旋导波的产生和任意方向管道连接界面缺陷的检测。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种内插式电磁超声螺旋导波换能器，能够对聚变堆水冷固体包层模块中的多折弯型双壁冷却管连接界面进行检测，该换能器包括两端开口且加工有螺纹的保护套1，n极相对插入到保护套1中的永磁铁对2，周向加装在保护套1内壁上的涡流线圈3，以及用于封装保护套1两端的旋盖4；所述永磁铁对2的n极端面平行放置且隔有空气间隙，永磁铁对2的n极端面为与轴线成预设角度的斜面。

所述永磁铁对2由两块同轴放置的圆柱形永磁铁组成，两块圆柱形永磁铁尺寸、形状和材质均相同。

所述涡流线圈3为柔性回折线圈，加装在保护套中间部分的内壁上，平面所视涡流线圈为回折形状，沿套筒轴线方向的长边为工作导线，与保护套端面相平行的短边为端线，工作导线与端线垂直，且工作导线轴向长度大于永磁铁对间的空气间隙，以保证n极端面连线中垂面上的叠加磁场方向斜入射于涡流线圈及待测管件内壁。

所述保护套1的材料为具有高耐磨性与良好的力学性能的非金属。

所述换能器在装配完成后保护套两端采用旋盖拧紧封闭，永磁铁对在同级斥力的作用下顶到旋盖上实现轴向位置固定，且调节旋盖与保护套配合部分的旋转角度便能够改变永磁铁对中的两永磁铁间的空气间隙大小，进而调整偏置磁场的入射角度。

所述的内插式电磁超声螺旋导波换能器的工作方法，首先，搭建实验系统，该实验系统包括依次连接的信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、第一换能器、第二换能器、滤波器、放大器和多通道示波器；信号发生器产生高频脉冲信号，该信号首先经功率放大器进行幅值放大，然后经阻抗匹配电路提升信号能量传递效率的处理后，用以驱动第一换能器中的涡流线圈，使涡流线圈在多折弯型双壁冷却管内激发涡流；第一换能器产生的斜磁场作用于所激发的涡流，产生洛伦兹力，进而在多折弯型双壁冷却管中产生螺旋导波；同时基于上述效应的可逆性，螺旋导波遇到连接界面缺陷发生反射后，反射声压引起的质点振动在第二换能器的磁场作用下使第二换能器中的涡流线圈输出电动势发生变化，由此产生的电压信号经过放大滤波后输入多通道示波器进行信号显示、数据记录和分析，如此电压信号在始波波包和管外壁波包之间出现明显波包，即缺陷波包，则表明所检多折弯型双壁冷却管在连接界面处存在缺陷；拉动换能器，重复上述步骤，即实现多折弯型双壁冷却管各轴向位置的全周电磁超声检测。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.与传统压电超声检测比较，电磁超声检测在实际应用中有以下优势：对被测工件要求低，不需要与被测工件接触，就可向其发射和接收返回的超声波，因此对被测工件表面不要求特殊清理，较粗糙的表面也可直接探伤；电磁超声换能器不需要任何耦合介质，因其是靠电磁效应发射和接收超声波的，其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内进行的；适用范围广，电磁超声换能器可通过更换永磁铁对产生不同升角的超声螺旋导波。

2.涡流线圈采用曲折结构，当涡流线圈两端通高频高压交流电时，待测管件近表面产生涡电流，涡电流质点在偏置磁场作用下受到洛伦兹力，在待测管件内部振动产生电磁超声导波。通过调节永磁铁对n极端的空气间隙，即可改变偏置磁场斜入射的角度，实现发射任意升角的螺旋导波。

附图说明

图1为本换能器结构示意图。

图2为本换能器永磁铁对实体示意图。

图3为本换能器涡流线圈实体示意图。

图4为本换能器检测时的放置方式。

图5是实验系统的结构示意图

所述标注为：1.保护套、2.永磁铁对、3.涡流线圈、4.旋盖、5.第一换能器、6.第二换能器、7.多折弯型双壁冷却管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细阐述。

如图1所示，一种用于多折弯型双壁冷却管连接界面检测的内插式电磁超声螺旋导波换能器，主要由永磁铁对2、涡流线圈3、保护套1和旋盖4构成，其中，永磁铁对2由两块尺寸、形状和材质均相同的圆柱形永磁铁组成，其n极端面为与轴线呈一定角度的斜面，该角度介于30度到60度之间。涡流线圈3为柔性回折线圈，其长边平行于永磁铁对轴线，短边垂直于长边。保护套1外形为圆柱，内部中空，两端开口且加工有螺纹。装配时，永磁铁对n极相对同轴插入到保护套1中，且n极间留有空气间隙，涡流线圈3周向加装在保护套1内壁上，保护套1两端采用旋盖4拧紧封闭。

如图2所示，作为本发明的优选实施方案：所述永磁铁对2为圆柱形磁铁，n极端面为与永磁铁轴线呈一定角度的斜面，装配时，永磁铁对2的n极相对同轴放置于保护套1内，且永磁铁对2的n极端面平行并留有一定空气间隙。这样永磁铁对2的n极端面连线中垂面上的叠加磁场方向可斜入射于涡流线圈及多折弯型双壁冷却管内壁。

如图3所示，作为本发明的优选实施方案：所述涡流线圈3加装在保护套1中间部分的内壁上，平面所视线圈为回折形状，沿套筒轴线方向的长边为工作导线，与保护套端面相平行的短边为端线，工作导线与端线垂直，且工作导线的长度大于永磁铁对间的空气间隙；通电后，工作导线中的电流与偏置磁场斜交，在多折弯型双壁冷却管壁中由于机械振动产生斜向超声导波，因超声波沿管道壁传播，则在多折弯型双壁冷却管壁中形成电磁超声螺旋导波。

如图4所示，作为本发明的优选实施方案：所述换能器在装配完成后采用旋盖拧紧封闭，永磁铁对受同级排斥力顶向两端旋盖，以实现磁铁轴向位置的固定；调节旋盖与保护套配合部分的旋转角度，便可改变永磁铁对间的空气间隙大小，进而调整偏置磁场的入射角度；在进行检测时，换能器需成对使用，第一换能器5作为发射螺旋导波的换能器，第二换能器6作为接收螺旋导波回波信号的换能器，两换能器相隔一段距离放置于多折弯型双壁冷却管7之中，通入激励信号即可实现该段多折弯型双壁冷却管7的缺陷检测；拉动换能器调整位置，便可完成不同轴向位置的缺陷检测。

如图5所示，本发明多折弯型双壁冷却管内插式电磁超声螺旋导波换能器应用的实验系统包括依次连接的信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、第一换能器、第二换能器、滤波器、放大器和多通道示波器。信号发生器产生高频脉冲信号，该信号首先经功率放大器进行幅值放大，然后经阻抗匹配电路提升信号能量传递效率的处理后，用以驱动第一换能器中的涡流线圈，使之在多折弯型双壁冷却管内激发涡流。第一换能器产生的斜磁场作用于所激发的涡流，产生洛伦兹力，进而在多折弯型双壁冷却管中产生螺旋导波。同时基于上述效应的可逆性，螺旋导波遇到连接界面缺陷发生反射后，反射声压引起的质点振动在第二换能器的磁场作用下使第二换能器中的涡流线圈输出电动势发生变化，由此产生的电压信号经过放大滤波后输入多通道示波器进行信号显示、数据记录和分析，如此电压信号在始波波包和管外壁波包之间出现明显波包，即缺陷波包，则表明所检多折弯型双壁冷却管在连接界面处存在缺陷。拉动换能器，重复上述步骤，即可实现多折弯型双壁冷却管各轴向位置的全周电磁超声检测。