高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器及设计方法

本发明涉及电磁超声换能器，特别涉及高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器及设计方法。

背景技术：

1、在石油和天然气行业，为了保证管线安全避免灾难性爆炸，传统方法是停机在常温环境下检修，但这会造成巨大的经济损失，无损监测设备的引入有助于更及时地发现缺陷并提高经济效益。电磁超声技术由于其非破坏性，可以透过涂层检测，不需要耦合剂，安装简易等优点越来越多地被应用于结构健康监测、工业管线安全评估等领域。但电磁超声的弱信噪比和低工作温度严重限制了它在恶劣高温环境（>500℃）下的应用。石油炼化、化工厂、核电站等工业场景都不可避免高温高压环境的产生，而在这些环境下工作的管线设备数量更多，存在更大的安全隐患，有更大的监测需求。

2、电磁超声探头的基本结构如图1所示，由单向极化的永磁体和激励线圈组成。当向激励线圈中通入高频交流电j1时，金属试件表面感生出涡流je，运动的带电粒子在偏置磁场b0的作用下受到交变的洛伦兹力fl，带电粒子与周围结构的相互作用形成超声波，超声波向下传导遇缺陷或底面反射，携带试件信息的超声波返回试件表面时，质点的机械振动作切割磁感线运动，试件表面再次感应出涡流，并被线圈感应接收到。

3、电磁超声技术基于电磁感应机理，通过电磁场耦合在试件中直接产生超声波，能量在电磁场和声场中来回转换，导致换能效率低。传统的电磁超声换能器由永磁体和激励/接收线圈组成，对于永磁体，当温度小于居里温度时，温度每上升1℃，永磁体的剩余磁感应强度将损失一定的百分比，即剩磁温度系数。同时随着温度的升高，被测试件性能的改变也会使得噪声增多，信噪比进一步减弱。电磁超声换能器技术具有非侵入性、非接触式、允许存在提离距离、安装简易等优点，被广泛应用于结构健康监测、工业管线安全评估等领域。然而，这项技术的弱信噪比和永磁体的低的工作温度极大地限制了电磁超声技术在高温监测场景(＞500℃)下的应用。为了提高电磁超声换能器的信噪比，常用的方法有(1)增强激励电源效率；(2)增强偏置磁场强度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器及设计方法，能够提升超声幅值，进而提高信噪比，且能够在高温环境下稳定工作。

2、本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：

3、一方面，本发明提供了高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，包括：

4、八块扇形永磁体、圆柱形磁芯和蝶形线圈；

5、所述八块扇形永磁体中每块永磁体的圆心角均为四十五度，八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹，蝶形线圈布置在圆柱形磁性正下方；每块永磁体的磁化方向均指向圆心；

6、八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹后，圆柱形磁芯被磁化，磁化方向为轴向，每块扇形永磁体的磁通量在磁芯中叠加汇聚。

7、作为进一步优化，所述八块扇形永磁体中每块永磁体的壁厚为10mm，高度为30mm；

8、圆柱形磁芯的磁芯半径为5mm，磁芯高度为每块永磁体高度的3/5~4/5；

9、蝶形线圈的直径为0.26mm，中心间距为3倍线圈半径，线圈匝数为13匝；

10、蝶形线圈距离圆柱形磁芯下表面为0.2mm。

11、作为进一步优化，所述蝶形线圈正下方设置有待测试件，待测试件为长方体，长方体的长和宽均为45mm，高为5mm。

12、作为进一步优化，所述蝶形线圈距离待测试件上表面为0.2mm。

13、作为进一步优化，所述待测试件设置有空气域，空气域为边长为待测试件宽度1.5倍的正方体。

14、作为进一步优化，所述圆柱形磁芯和八块扇形永磁体下方均贴有坡莫合金贴片。

15、另一方面，本发明还提供了高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器的设计方法，包括如下步骤：

16、获取八块扇形永磁体、圆柱形磁芯和蝶形线圈，所述八块扇形永磁体中每块永磁体的圆心角均为四十五度；

17、将八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹，并将蝶形线圈布置在圆柱形磁性正下方，每块永磁体的磁化方向均指向圆心；

18、八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹后，圆柱形磁芯被磁化，磁化方向为轴向，每块扇形永磁体的磁通量在磁芯中叠加汇聚。

19、作为进一步优化，所述八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹后，还包括：

20、利用有限元仿真软件进行参数扫描，所述参数包括八块扇形永磁体中每块永磁体的壁厚和高度，圆柱形磁芯的磁芯半径和磁芯高度；

21、利用参数扫描结果对八块扇形永磁体和圆柱形磁芯的尺寸进行优化，获取最优尺寸。

22、作为进一步优化，在获取到最优尺寸后，还包括：

23、根据电磁超声换能器所激发的超声波的模态，设计蝶形线圈的尺寸和匝数；

24、在圆柱形磁芯和八块扇形永磁体下方均贴上坡莫合金贴片。

25、作为进一步优化，在圆柱形磁芯和八块扇形永磁体下方均贴上坡莫合金贴片后，还包括：

26、在常温环境和高温环境下验证电磁超声换能器的性能提升结果和稳定性结果。

27、本发明的有益效果是：通过上述高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器及设计方法，可以显著提高高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器的信噪比，并且，提高了探头允许的提离距离，能够在高温环境（>500℃）下工作的稳定性。

技术特征：

1.高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，所述八块扇形永磁体中每块永磁体的壁厚为10mm，高度为30mm；

3.根据权利要求1所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，所述蝶形线圈正下方设置有待测试件，待测试件为长方体，长方体的长和宽均为45mm，高为5mm。

4.根据权利要求3所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，所述蝶形线圈距离待测试件上表面为0.2mm。

5.根据权利要求3所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，所述待测试件设置有空气域，空气域为边长为待测试件宽度1.5倍的正方体。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，所述圆柱形磁芯和八块扇形永磁体下方均贴有坡莫合金贴片。

7.高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器的设计方法，应用于权利要求1-6任意一项所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器的设计方法，其特征在于，所述八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹后，还包括：

9.根据权利要求8所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器的设计方法，其特征在于，在获取到最优尺寸后，还包括：

10.根据权利要求9所述的高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器的设计方法，其特征在于，在圆柱形磁芯和八块扇形永磁体下方均贴上坡莫合金贴片后，还包括：

技术总结本发明属于电磁超声换能器技术领域，提出了高温无损监测的圆周辐射充磁电磁超声换能器及设计方法，主要方案为：该电磁超声换能器包括八块扇形永磁体、圆柱形磁芯和蝶形线圈，其中，八块扇形永磁体中每块永磁体的圆心角均为四十五度，八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹，蝶形线圈布置在圆柱形磁性正下方，每块永磁体的磁化方向均指向圆心，八块扇形永磁体拼接组成圆环将圆柱形磁芯包裹后，圆柱形磁芯被磁化，磁化方向为轴向，每块扇形永磁体的磁通量在磁芯中叠加汇聚。本发明能够使提升超声幅值，且能够在高温环境下稳定工作。技术研发人员：甘芳吉,王思宇,钟涛受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23