高温电磁超声换能器的设计与研究.pdfVIP

·64 · 特 种 设 备 安 全 技 术 2022 年第3 期 高温电磁超声换能器的设计与研究 李继承　蔡　勤 摘　要　本文针对高温电磁超声换能器设计过程中检测线圈和耐高温隔热层参数不明确的问题，采用试验研究的 方式分析了线圈加工方式、线径、圈数、隔热层材料和厚度对底面反射波幅度的影响。结果表明，0.2mm 线径和80 圈的手工绕制线圈具有最佳的检测效果。使用硅酸铝陶瓷纤维材料作为隔热层，能够在提高探头耐高温性能的同时， 减少干扰信号的引入。 关键词　电磁超声　耐高温　检测线圈　隔热层　换能效率 进而影响厚度测量的准确性和缺陷的定位精度。国内 1　引　言 外已有学者开始对工作于高温环境的电磁超声探头进 作为一种新近发展起来的超声无损检测技术，电磁 行试验研究。英国的 S.E.Burrows 等 [4] 设计出能够工 超声检测具有不需要耦合剂、可以不接触检测对象表面、 作于 800 ℃高温的电磁超声测厚探头。哈尔滨工业大 通过改变检测线圈和磁铁的设置方式可以发射纵波、横 学的翟国富团队 [5] 设计出耐高温双线圈电磁超声换能 波、表面波、导波等不同类型的超声波信号，适应材料 器，能够在 450 ℃恒温条件下可靠工作，最高可以实现 测厚、内部缺陷检测、表面缺陷检测、疲劳裂纹检测等 900 ℃高温试件的瞬时检测。 多种检测需求。电磁超声换能器在检测过程中起电声转 目前，对于高温电磁超声换能器的研究尚处于起步 换的关键作用，对于换能器的设计一直是电磁超声研究 阶段，主要设计方案大都参考常温电磁超声换能器，本 中的热点。崔雅鑫等 [1] 采用单一永磁铁和阵列线圈设 文采用手工缠绕漆包线和印刷电路板两种方式制作不同 计出一种 SH0 导波换能器，通过三维仿真和试验验证 线径、不同匝数的检测线圈进行厚度检测，研究检测线 相结合的方式研究了线圈匝数对换能效率的影响。刘素 圈参数对换能器效率的影响。采用优化后的检测线圈配 贞等 [2] 使用双曲折线圈配合永磁铁设计出表面波探头， 合不同厚度隔热材料，研究隔热层对换能器检测效果的 利用混频激励的方式在铝板表面进行疲劳裂纹检测。张 影响。 闯等 [3] 设计出一种激发频率不固定的临界折射纵波电 2　检测装置 磁超声激励装置，对铝板中不同深度的残余应力进行了 测量。 电磁超声检测系统的组成包含信号发生模块、信 相较于传统压电式超声波检测技术，电磁超声在 号放大模块、传感器模块、信号接收放大模块、数据 高温部件检测领域的应用更加便捷。高温环境下电磁 分析模块。信号发生模块的作用是产生用于检测的激 超声检测的应用需要考虑多个因素，首先是检测线圈 励信号，电磁超声测厚检测中常用猝发型 Tone-burst 信 的高温防护问题，目前常用的检测线圈包括手工缠绕 号，表面波和导波检测中常用经过调制的正弦波信号。 的漆包线和印刷于电路板上的铜制线圈两种。当长时 信号发生模块的硬件可以选用商用信号发生器，或者 间进行高温检测时，需要在检测线圈和被检测材料之 基于 FPGA 芯片和直接数字式频率合成（Direct Digital 间设置隔热层，阻止线圈温度的快速升高。工作温度 Synthesizer ，DDS ）原理搭建。信号放大模块的作用是 高于 300 ℃时，电磁超声换能器内提供偏置磁场的永磁