电磁超声和涡流的复合探头及其工作方法与流程

1.本发明涉及无损检测领域，特别是一种电磁超声和涡流的复合探头及其工作方法。


背景技术：

2.传统的超声检测多采用压电换能器，其缺点在于每次检测前，应对试件的表面进行一定的打磨，然后再涂耦合剂，这一过程限制了检测的连续性，从而降低了检测的效率。电磁超声探头具有非接触的特点，同时对试件的表面结构不敏感，因此可对目标进行快速、连续的检测。电磁超声利用电磁感应原理，通过线圈中通入的高频交变电流在试件中激起相应的感应电流，在强力磁体的作用下，试件中的粒子受洛伦兹力的作用，从而产生出超声弹性波，由于超声弹性波遇到缺陷或者突变的材料边界会进行反射，反射波传播至探头处，将力学信号变为电学信号，从而实现对试件内部情况的检测。
3.对于表面缺陷的检测，相较于常见的几种无损检测方式如磁粉检测、x光检测等，涡流检测具有较好的灵敏度，同时涡流检测无需耦合剂，可以快速、连续的检测。涡流检测利用电磁感应原理，在涡流线圈中通入中频激励电流，在试件表面产生感应电流，由于试件表面的缺陷会影响感应电流的分布，从而对激励电流造成影响，引起激励线圈阻抗发生变化，从而检测出缺陷。但由于集肤效应的影响，感应电流难以深入试件内部，因此涡流检测对表面缺陷更敏感。
4.相关技术中，曾有过将涡流线圈和电磁超声线圈结合使用的技术方案，通常用于检测试件的厚度，。但是这种方案的缺陷在于，其涡流线圈的位置设置通常不合理，例如，涡流线圈位于探头传感器的上部，电磁超声线圈位于传感器下部，这样设计可能是为了减少电磁超声线圈和涡流线圈在产生电磁感应时的相互干扰，但是这样一来在使用时涡流线圈距离检测试件较远，即便是试验的厚度都不能得到很准确的检测，更不能准确地检测试件表面和内部的缺陷信息，因此相关技术中的方案都存在无法兼顾测量精准性和两种线圈之间抗干扰性的问题。
5.因鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种电磁超声和涡流的复合探头及其工作方法，不需要耦合剂，可以实现对试件的快速、非接触测量，更准确地同时获取试件表面和内部信息。
7.为解决上述问题，第一方面，本发明实施例提供一种电磁超声和涡流的复合探头，其特征在于，包括：
8.外壳，所述外壳内设置有磁体；电磁超声线圈设置在磁体的正下方，所述电磁超声线圈与磁体之间设有电磁超声屏蔽层；涡流线圈缠绕在所述外壳内的涡流屏蔽层外侧，底端与电磁超声线圈平齐并与陶瓷片相邻，所述磁体位于所述涡流屏蔽层内侧；涡流线圈引线和电磁超声线圈引线均通过外壳和涡流屏蔽层中的预留空间引出以便于接头连接。
9.可选的，所述磁体的几何形状为圆柱体，磁极方向平行于圆柱体轴线，能够产生0.8-1t的高强度磁场。
10.可选的，所述电磁超声屏蔽层的材质为铜。
11.可选的，所述电磁超声线圈的几何形状为平面螺旋形，大小略小于所述磁体的底面。
12.可选的，所述电磁超声线圈既能产生信号，也可以接收信号，是收发一体的线圈。
13.可选的，所述电磁超声线圈中通入的激励电流信号为高频电流，频率为1～3mhz。
14.可选的，所述涡流线圈既能产生信号，也可以接收信号，是收发一体的线圈。
15.可选的，所述涡流线圈中通入的激励电流为中频电流，频率为1～3khz。
16.可选的，所述涡流屏蔽层的材料为铁。
17.可选的，陶瓷片的几何形状为圆形，厚度不超过3mm。
18.第二方面，本发明实施例提供一种上述的电磁超声和涡流的复合探头的工作方法，包括：
19.采用信号发成器产生中频和高频的激励电流，激励电流分别经过电磁超声线圈阻抗匹配电路和涡流线圈阻抗匹配电路，提升信号的强度后，驱动所述的电磁超声和涡流的复合探头，同时产生涡流信号和电磁超声信号，涡流信号和试件表面缺陷相互作用后被涡流线圈感应到，电磁超声信号和试件内部缺陷相互作用后被电磁超声线圈感应到，分别经过电磁超声信号高通滤波器和涡流信号低通滤波器解除相互之间的电信号耦合，再经过放大电路将信号特征放大，最够经过信号处理模块，将所携带的缺陷信息显示在多通道示波器上。
20.与现有技术相比，本发明的具有如下有益效果：
21.本发明电磁超声和涡流的复合探头，将电磁超声和涡流探头集成在同一个探头上，涡流信号和试件表面缺陷相互作用后被涡流线圈感应到，电磁超声信号和试件内部缺陷相互作用后被电磁超声线圈感应到，仅需要一次检测就可以实现对试件内部和表面同时进行检测，检测全面，同时具有体积小，便于携带等特点。
22.本发明电磁超声和涡流的复合探头，由于利用电磁耦合进行能量和信息转换，具有非接触的优点，简化了检测流程，大大提高了检测的效率。
23.本发明电磁超声和涡流的复合探头，电磁超声和涡流的激励信号频率相差较大，因此便于在相互耦合的接收信号之中提取出所需信号，提高了检测的精度。
24.本发明的电磁超声和涡流的复合探头，具有将涡流线圈缠绕在涡流屏蔽层外侧，且与电磁超声线圈隔开，在电磁超声线圈上方还设有电磁超声屏蔽层，既保证了电磁超声线圈和涡流线圈都可以设置在靠近试件的位置，精准测量试件表面和内部的缺陷，同时还可以减少涡流线圈和电磁超声线圈在电磁感应下的相互影响，解决了无法兼顾测量精准性和两种线圈之间抗干扰性的矛盾。
25.本发明电磁超声和涡流的复合探头的工作方法，有效将相互耦合干扰的涡流信号和电磁超声信号分开，提高了涡流信号和电磁超声信号的辨识度特征，提高检测的准确度。
附图说明
26.图1为本发明实施例提供的电磁超声和涡流的复合探头总体结构示意图。
27.图2为本发明实施例提供的探头涡流线圈所缠绕的涡流屏蔽层结构示意图。
28.图3为本发明实施例提供的探头外壳结构仰视图。
29.图4为本发明实施例提供的探头电磁超声线圈结构图。
30.图5为本发明实施例提供的探头相匹配的试验系统结构示意图。
31.其中：1-涡流线圈；2-涡流屏蔽层；3-电磁超声线圈；4-陶瓷片；5-电磁超声屏蔽层；6-强力磁铁；7-外壳；8-顶盖；9-电磁超声线圈引出线；10-涡流线圈引出线。
具体实施方式
32.下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。
33.请参考图1-4，本发明实施例提供一种电磁超声和涡流的复合探头，该探头可同时激发出涡流和弹性波，可以对试件的表面和内部进行检测。
34.作为一个示例，电磁超声和涡流的复合探头包括外壳，总体呈圆柱形，外壳的顶部具有顶盖，顶盖构造有开口，以便外壳内部的引导电磁超声线圈引线9和涡流线圈引线10通过，从而便于所述电磁超声线圈3和涡流线圈1于探头末端的信号电源线相连。
35.外壳7内构造出空腔，其内置入圆柱体状的强力磁体6，强力磁体6的磁极方向平行于圆柱体轴线，能够产生0.8-1t的高强度磁场。强力磁体6底部依次设置有电磁超声屏蔽层5、电磁超声线圈3和陶瓷片4，其中电磁超声线圈3的几何形状为平面螺旋形，大小略小于强力磁体6的底面。这样设计，电磁超声线圈3能够比较贴近试件11，获得更为精准的试件检测信息，同时电磁超声屏蔽层5还可以减少电磁超声线圈3对涡流线圈1产生的干扰。电磁超声屏蔽层5的材质可以为铜。
36.强力磁体6的外壳还设有涡流线圈屏蔽层2，涡流线圈1缠绕在涡流屏蔽层2的外侧。涡流线圈1底端与电磁超声线圈平齐并与陶瓷片4相邻，这样涡流线圈1也和试件11的屏蔽层2为圆柱管状，其内壁开槽，可供电磁超声线圈引线9通过，其外壁用以缠绕涡流线圈1，此种结构使得所发明的探头更加紧凑，易距离较近，可以精准检测到试件11的信息，同时涡流线圈屏蔽层2也可以减少涡流线圈1与电磁超声线圈3之间的相互干扰。涡流屏蔽层2的材料为铁。作为一个示例，涡流于携带。
37.涡流线圈引线10和电磁超声线圈引线9均通过外壳7和涡流屏蔽层2中的预留空间引出以便于接头连接。
38.作为一个示例，电磁超声线圈3既能产生信号，也可以接收信号，是收发一体的线圈。其通入的激励电流信号为高频电流，频率为1～3mhz。涡流线圈1既能产生信号，也可以接收信号，也是收发一体的线圈。通入的激励电流为中频电流，频率为1～3khz。
39.电磁超声线圈3通入高频交变电流时，在强力磁体6作用下，在电磁超声线圈3的正下方的试件11体内产生横波并往试件11内部传播，遇到几何突变或者材料突变的位置将产生回波，回波将被电磁超声线圈3接收，引起电磁超声线圈3感应电动势的变化从而完成检测。
40.涡流线圈1通入中频交变电流时，将在涡流线圈1下方的试件11表面产生感应电流，试件11表面存在的缺陷会引起试件11几何形状的变化，从而影响试件11表面电流的分
布，试件11表面电流的变化将被涡流线圈1接收，从而完成检测。
41.如图5所示，本发明电磁超声和涡流的复合探头相匹配的实验系统，该系统包括按逻辑顺序连接的信号发生器、电磁超声线圈及涡流线圈的阻抗匹配电路、复合探头、涡流信号低通滤波电路及电磁超声信号高通滤波电路、信号放大电路、信号处理模块和多通道示波器；信号发成器用以产生中频和高频的激励电流，激励电流分别经过电磁超声线圈阻抗匹配电路和涡流线圈阻抗匹配电路，提升信号的强度后，驱动所述的电磁超声和涡流的复合探头，同时产生涡流信号和电磁超声信号，涡流信号和试件表面缺陷相互作用后被涡流线圈1感应到，电磁超声信号和试件内部缺陷相互作用后被电磁超声线圈3感应到，分别经过电磁超声信号高通滤波器和涡流信号低通滤波器解除相互之间的电信号耦合，再经过放大电路将信号特征放大，最够经过信号处理模块，将所携带的缺陷信息显示在多通道示波器上。电磁超声和涡流的复合探头克服了涡流探头检测对材料内部不敏感和电磁超声检测对材料表面不敏感的缺点，并可以将相互耦合干扰的涡流信号和电磁超声信号分开，提高了检测效率和准确度。
42.本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。