一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置的制造方法
一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种焊管缺陷的无损检测装置，特别设及一种基于波束延时控制 的螺旋焊管扭弯导波检测装置，属于无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 螺旋焊管是一种按一定的螺旋线角度（成型角）将低碳碳素结构钢或低合金结构 钢钢带卷成管巧，然后将管缝焊接制成的钢管。螺旋焊管承压能力强，塑性好，便于焊接和 加工成型，主要应用于石化工业、化学工业、电力工业等领域。螺旋焊管在服役过程中，经常 会同油、气、浆液等腐蚀性介质长期接触，而且螺旋焊管通常在工作中会处于承压状态，经 过一定时间后会出现腐蚀、裂纹等缺陷。该些缺陷如不及时修复，会导致管道腐蚀穿孔、爆 管等严重的恶性事故，带来极大的人员和财产损失。为了避免螺旋焊管因缺陷引起事故，必 须寻求有效的在役螺旋焊管无损检测方式。
[0003] 目前螺旋焊管常用的无损检测方式有超声检测和射线检测等，该些检测方法属于 单点检测范畴，即只能完成检测设备布置点邮邻区域的检测。工业中螺旋焊管通常采用埋 地或架空方式架设，且包覆有保温层或防腐层等。采用超声检测、射线检测等传统无损检测 方法时，需要开挖管道、搭建脚手架、去除包覆层等辅助工序，检测成本高昂。此外上述传统 的螺旋焊管无损检测方式只能在螺旋焊管检修期间进行检测，无法实现对工作中的螺旋焊 管进行在线实时检测。
[0004] 导波检测技术是近年来在管道无损检测领域得到广泛应用的一种新型长距离无 损检测技术，具有检测距离远、检测效率高，能实现全截面检测等优点。管道导波检测最 常用的是T(0, 1)、L(0, 1)和L(0, 2)模态，都属于轴对称模态，即波阵面与管道轴向方向 垂直，沿管径轴向360度方向轴对称分布，生成的导波沿管道长度方向传播。申请号为 96193606. 1的实用新型专利提供了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应纵向模态导波 检测钢管缺陷的方法，管道中纵向模态导波主要有L(0，1)和L(0, 2)模态，存在明显的频 散现象，并且在带液管道中衰减较为严重，因此在实际检测中的应用并不广泛。申请号为 2011205231343的实用新型专利提供了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应扭转模态导波 检测钢管缺陷的方式，采用了T(0, 1)扭转模态导波，波速恒定，在带液管道中衰减较小，因 此在业内得到了普遍的推广应用。
[0005] 如果将上述轴对称模态导波如1(0, 1)、L(0, 2)或T(0, 1)模态应用到螺旋焊管的 导波检测，那么导波换能器产生的导波波束在螺旋焊管中构成的波阵面呈圆柱形轴对称分 布。由于螺旋焊缝余高投影在管道横截面上的位置始终在变化，在圆柱形轴对称分布波阵 面的超声导波通过一个螺距螺旋焊缝的任意时刻，导波波束都会在该螺距螺旋焊缝的某个 位置发生反射，使得焊缝信号持续出现在回波中，导致回波信噪比大幅下降。为了提高对螺 旋焊管缺陷的检测能力，必须设法克服螺旋焊缝对导波传播的影响。 【实用新型内容】
[0006] 针对环形一体式磁致伸缩换能器激发的轴对称模态导波在检测螺旋焊管时，圆柱 形轴对称波阵面的导波会受到螺旋焊缝持续影响的缺点，本实用新型提出了一种基于波束 延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，通过对环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列各通道 产生的导波波束进行延时控制，使延时控制后各通道导波波束在螺旋焊管中构成的波阵面 呈螺旋形且与螺旋焊缝平行，保证了导波波束在同一时刻通过一个螺距螺旋焊缝，使一个 螺距螺旋焊缝在回波中只有一个波包，消除了螺旋焊缝对导波信号信噪比的影响，提高了 螺旋焊管小缺陷在回波中的可识别性。
[0007] 本实用新型是通过如下技术方案予W实现：
[000引本实用新型包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列、扭弯导波激励单元和扭弯导 波接收单元；扭弯导波激励单元包括功率放大模块、信号发生器和延时模块；在螺旋焊管 圆周上包覆有一圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列 为沿同一圆周间隔均布的多个磁致伸缩换能器；每个磁致伸缩换能器激发出超声导波将超 声导波的弹性应变禪合到螺旋焊管，计算机依次经延时模块、信号发生器、功率放大模块后 连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列；扭弯导波接收单元包括前置放大模块、数据采集 模块和数据采集延时模块，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列依次经前置放大模块、数据 采集模块、数据采集延时模块后连接计算机。
[0009] 所述的数据采集模块采集信号的延时量与信号发生器发出信号的延时量一致。
[0010] 所述的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列激发的超声导波通过禪合剂或通过干 禪合装置将超声导波的弹性应变禪合到螺旋焊管。
[0011] 所述的禪合剂为环氧树脂胶。
[0012] 所述的干禪合装置为气囊夹具。
[0013] 本实用新型的主要有益效果有：
[0014] 本实用新型通过对环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列各通道的导波波束进行延 时，使扭弯导波在螺旋焊管中的波阵面与螺旋焊缝平行，保证了一个螺距螺旋焊缝在回波 中呈现单个波包，克服了环形一体式磁致伸缩换能器检测螺旋焊管时螺旋焊缝信号持续出 现在回波的缺点，提高了螺旋焊管回波的信噪比，为提取螺旋焊管小缺陷的信息奠定了基 础。
【附图说明】
[0015] 图1是螺旋形波阵面扭弯导波通过螺旋焊缝的示意图。
[0016] 图2是本实用新型螺旋形波阵面扭弯导波的结构示意图。
[0017] 图3是螺旋形波阵面扭弯导波激发的装置示意图。
[0018] 图4是螺旋形波阵面扭弯导波接收的装置示意图。
[0019] 图5是磁致伸缩导波换能器的结构示意图。
[0020] 图6是采用本实用新型环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列检测得到的导波信号。
[0021] 图7是采用传统的环形一体式磁致伸缩换能器检测得到的导波信号。
[0022] 图中：1、螺旋焊管，2、螺旋焊缝，3、导波波束，4、螺旋形导波波阵面，5、缺陷，6、环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，7、功率放大模块，8、信号发生器，9、延时模块，10、计算 机，11、前置放大模块，12、数据采集模块，13、数据采集延时模块，14、磁致伸缩换能器，15、 回折线圈，16、磁致伸缩带材。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0024] 本实用新型的装置包括扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元。
[0025] 如图3所示，螺旋形波阵面扭弯导波采用环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6延 时激励产生。扭弯导波激励单元包括功率放大模块7、信号发生器8和延时模块9。激励扭 弯导波时，计算机10通过延时模块9控制各通道导波波束3之间的延时，在信号发生器8 各个通道产生正弦脉冲信号，经功率放大模块7放大成功率信号后施加到环形磁致伸缩扭 弯导波换能器阵列6,由Wiedemann效应产生导波波束3。延时后的各通道导波波束3在螺 旋焊管1中形成螺旋形导波波阵面4。
[0026] 计算机通过延时模块控制各通道导波波束之间的延时，在信号发生器各个通道产 生正弦脉冲信号，经功率放大模块放大成功率信号后施加到环形磁致伸缩扭弯导波换能器 阵列，由Wiedemann效应产生导波波束激励扭弯导波，延时后的各通道导波波束在螺旋焊 管中形成螺旋形导波波阵面；计算机通过数据采集延时模块控制数据采集模块各通道之间 的采集延时，螺旋形导波波阵面的回波接收信号经过前置放大模块放大的各通道回波延时 叠加得到导波检测信号，实现对螺旋形波阵面扭弯导波的接收。
[0027] 所述环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6中，第1个磁致伸缩换能器14布置在环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6与螺旋焊缝2的交点，然后按照磁致伸缩换能器14与螺 旋焊缝2的距离由近到远依次标记序号为Si、S2、…、Sm，M为环形磁致伸缩扭弯导波换能器 阵列6中磁致伸缩换能器14的数量。
[002引所述功率放大模块7是一种大功率口控RF放大器，其频段范围为4-250曲Z，最大 功率达到5kW，适用于驱动磁致伸缩换能器。
[0029] 所述信号发生器8基于孤S技术产生正弦脉冲信号，其频率在4-250曲Z区间选 取。正弦脉冲数量通常不超过8个，W避免波包宽度过 大降低超声导波信号的分辨率。
[0030] 所述延时模块9采用软件延时方式实现。为了使环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵 列6能够激励出平行于螺旋焊缝2的螺旋形波阵面扭弯导波，可W通过对各通道导波波束 3的延时来补偿螺旋形导波波阵面4各点在轴向位置上的距离。环形磁致伸缩扭弯导波换 能器阵列6的第m个换能器Sm与螺旋焊缝2之间的距离1m为
[0031]
[003引其中，L为螺旋焊缝2的螺距。
[0033] 则第m个磁致伸缩换能器14激发的导波波束3的延时Atm可W表示成：
[0034]
[003引其中，Cg为扭弯导波的群速度。
[0036]如图4所示，螺旋焊管1的回波由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6通过延时 接收获得。扭弯导波接收单元包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6,前置放大模块11， 数据采集模块12,数据采集延时模块13和计算机10。接收回波时，计算机10通过数据采 集延时模块12控制数据采集模块各通道之间的采集延时，将经过前置放大模块11放大的 各通道回波延时叠加，实现对螺旋形波阵面扭弯导波的接收。
[0037] 所述前置放大模块11是一个宽带微弱信号放大器，其最大增益达到100地，可W满足超声导波检测对前置放大器增益的要求。
[003引所述数据采集模块12是一个多通道的数据采集模块，可W采用集成在DSP巧片的ADC单元实现模数转换。此外数据采集模块11的采集时序受到数据采集延时模块12控制。 为了保证超声导波信号的完整性，其采样频率为正弦脉冲信号频率的10倍。
[0039] 所述数据采集延时模块13采用软件延时方式实现，其各通道延时Atm与前述环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6激发超声导波时的延时一致。
[0040] 如图5所示，换能器阵列的磁致伸缩换能器14由磁致伸缩带材16和覆盖在磁致 伸缩带材16上的回折线圈15组成，回折线圈15通过脉冲电流提供激励磁场，磁致伸缩带 材16的剩磁场提供偏置磁场。磁致伸缩换能器14的激励磁场与偏置磁场正交，可W通过 Wiedemann效应及其逆效应实现导波的激励和接收。多个磁致伸缩换能器14沿同一圆周间 隔均匀包覆在螺旋焊管1圆周上，构成环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6。环形磁致伸缩 扭弯导波换能器阵列6安装到螺旋焊管1时，每个磁致伸缩换能器14偏置磁场方向都与螺 旋焊管1的圆周方向保持一致。
[0041] 所述磁致伸缩换能器14通过禪合剂或通过干禪合装置将导波的弹性应变禪合到 螺旋焊管1，优选的禪合剂可W为环氧树脂胶，优选的干禪合装置可W为气囊夹具。
[0042] 本实用新型的实施例如下；
[004引 1)选取外径为520mm，壁厚为7mm，螺旋角为20度的螺旋焊管1作为导波检测样 管，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0. 28,密度为7800kg/m3。通过半解析有限元法可W计 算得到T(0, 1)模态导波相速度为3243m/s。
[0044] 2)根据螺旋焊管1的T(0, 1)模态导波波速和螺旋角可W确定波阵面与螺旋焊缝 2平行的Ft(11，1)模态扭弯导波频率为64曲Z，由半解析有限元法可W计算得到Ft(11，1) 模态扭弯导波在64曲Z频率点的波速为3105m/s。
[0045] 3)将12个磁致伸缩换能器14沿螺旋焊管1的圆周方向等间距布置一周，组成环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6。环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6采用环氧树脂胶 将弹性应变禪合到螺旋焊管1。
[0046] 4)如图1所示，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6通过各通道延时激励出一定 频率的与螺旋焊缝2平行的螺旋形导波波阵面4。各通道延时量为
[0047] Atm= 0. 0158X(m-1)
[0048] 5)如图2所示，螺旋形波阵面扭弯导波沿螺旋焊管1轴向传播遇到缺陷5后发生 反射，其回波由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6接收，接收时导波波束3的延时量与产 生导波波束3时的延时量相同。将接收到的各通道信号进行叠加作为螺旋焊管1的导波检 测信号。
[0049] 6)在64曲Z±6曲Z区间W0. 5曲Z扫频，重复步骤4和步骤5,可W在64. 5曲Z频 率点获得检测效果最佳的信号，如图6所示。根据信号中缺陷波包的位置可W计算得到缺 陷5所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6之间的距离约为1. 2m。
[0050] 为了体现本实用新型装置对螺旋焊管1导波检测信号信噪比的改善效果，采用传 统的环形一体式磁致伸缩换能器对前述外径为520mm，壁厚为7mm的螺旋焊管1进行导波检 巧。，获得信号如图7所示。对比图6和图7,可W看到传统的环形一体式磁致伸缩换能器获 得的信号中，螺旋焊缝2信号持续出现在回波，导致回波的信噪比很差，无法从中辨识出有 效的缺陷信号，本实用新型的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6获得的信号中，一个螺 距的螺旋焊缝2在回波中只有单个波包，回波的信噪比大大改善，从中可W很容易地提取 出缺陷信号。
[0化1] 由此可见，本实用新型通过对换能器阵列各通道的导波延时，保证了回波中呈现 单个波包，消除了环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回 波的现象，提高了螺旋焊管回波的信噪比，使小缺陷信号更加容易提取，具有突出显著的技 术效果。
[0052] 上述【具体实施方式】用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在 本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落 入本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特征在于：包括环形磁致 伸缩扭弯导波换能器阵列（6)、扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元；扭弯导波激励单 元包括功率放大模块（7)、信号发生器（8)和延时模块（9);在螺旋焊管（1)圆周上包覆有一 圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)为沿同 一圆周间隔均布的多个磁致伸缩换能器（14);每个磁致伸缩换能器（14)激发出超声导波将 超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管，计算机（10)依次经延时模块（9)、信号发生器（8)、 功率放大模块（7)后连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6);扭弯导波接收单元包括 前置放大模块（11)、数据采集模块（12)和数据采集延时模块（13)，环形磁致伸缩扭弯导波 换能器阵列（6)依次经前置放大模块（11 )、数据采集模块（12)、数据采集延时模块（13)后 连接计算机（10)。2. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其 特征在于：所述的数据采集模块（12)采集信号的延时量与信号发生器（8)发出信号的延时 量一致。3. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)激发的超声导波通过耦合剂或通过 干耦合装置将超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管。4. 根据权利要求3所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的耦合剂为环氧树脂胶。5. 根据权利要求3所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的干耦合装置为气囊夹具。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置。包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列、扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元；在螺旋焊管圆周上包覆有一圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，计算机依次经延时模块、信号发生器、功率放大模块后连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列；环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列依次经前置放大模块、数据采集模块、数据采集延时模块后连接计算机。本实用新型消除了环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回波的现象，提高了导波回波的信噪比，使小缺陷信号更加容易提取。
【IPC分类】G01N29/12, G01N29/32
【公开号】CN204694680
【申请号】CN201520249714
【发明人】唐志峰, 吕福在, 张小伟, 刘军, 骆苏军, 李明范
【申请人】杭州浙达精益机电技术股份有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月22日
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种焊管缺陷的无损检测装置，特别设及一种基于波束延时控制 的螺旋焊管扭弯导波检测装置，属于无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 螺旋焊管是一种按一定的螺旋线角度（成型角）将低碳碳素结构钢或低合金结构 钢钢带卷成管巧，然后将管缝焊接制成的钢管。螺旋焊管承压能力强，塑性好，便于焊接和 加工成型，主要应用于石化工业、化学工业、电力工业等领域。螺旋焊管在服役过程中，经常 会同油、气、浆液等腐蚀性介质长期接触，而且螺旋焊管通常在工作中会处于承压状态，经 过一定时间后会出现腐蚀、裂纹等缺陷。该些缺陷如不及时修复，会导致管道腐蚀穿孔、爆 管等严重的恶性事故，带来极大的人员和财产损失。为了避免螺旋焊管因缺陷引起事故，必 须寻求有效的在役螺旋焊管无损检测方式。
[0003] 目前螺旋焊管常用的无损检测方式有超声检测和射线检测等，该些检测方法属于 单点检测范畴，即只能完成检测设备布置点邮邻区域的检测。工业中螺旋焊管通常采用埋 地或架空方式架设，且包覆有保温层或防腐层等。采用超声检测、射线检测等传统无损检测 方法时，需要开挖管道、搭建脚手架、去除包覆层等辅助工序，检测成本高昂。此外上述传统 的螺旋焊管无损检测方式只能在螺旋焊管检修期间进行检测，无法实现对工作中的螺旋焊 管进行在线实时检测。
[0004] 导波检测技术是近年来在管道无损检测领域得到广泛应用的一种新型长距离无 损检测技术，具有检测距离远、检测效率高，能实现全截面检测等优点。管道导波检测最 常用的是T(0, 1)、L(0, 1)和L(0, 2)模态，都属于轴对称模态，即波阵面与管道轴向方向 垂直，沿管径轴向360度方向轴对称分布，生成的导波沿管道长度方向传播。申请号为 96193606. 1的实用新型专利提供了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应纵向模态导波 检测钢管缺陷的方法，管道中纵向模态导波主要有L(0，1)和L(0, 2)模态，存在明显的频 散现象，并且在带液管道中衰减较为严重，因此在实际检测中的应用并不广泛。申请号为 2011205231343的实用新型专利提供了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应扭转模态导波 检测钢管缺陷的方式，采用了T(0, 1)扭转模态导波，波速恒定，在带液管道中衰减较小，因 此在业内得到了普遍的推广应用。
[0005] 如果将上述轴对称模态导波如1(0, 1)、L(0, 2)或T(0, 1)模态应用到螺旋焊管的 导波检测，那么导波换能器产生的导波波束在螺旋焊管中构成的波阵面呈圆柱形轴对称分 布。由于螺旋焊缝余高投影在管道横截面上的位置始终在变化，在圆柱形轴对称分布波阵 面的超声导波通过一个螺距螺旋焊缝的任意时刻，导波波束都会在该螺距螺旋焊缝的某个 位置发生反射，使得焊缝信号持续出现在回波中，导致回波信噪比大幅下降。为了提高对螺 旋焊管缺陷的检测能力，必须设法克服螺旋焊缝对导波传播的影响。 【实用新型内容】
[0006] 针对环形一体式磁致伸缩换能器激发的轴对称模态导波在检测螺旋焊管时，圆柱 形轴对称波阵面的导波会受到螺旋焊缝持续影响的缺点，本实用新型提出了一种基于波束 延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，通过对环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列各通道 产生的导波波束进行延时控制，使延时控制后各通道导波波束在螺旋焊管中构成的波阵面 呈螺旋形且与螺旋焊缝平行，保证了导波波束在同一时刻通过一个螺距螺旋焊缝，使一个 螺距螺旋焊缝在回波中只有一个波包，消除了螺旋焊缝对导波信号信噪比的影响，提高了 螺旋焊管小缺陷在回波中的可识别性。
[0007] 本实用新型是通过如下技术方案予W实现：
[000引本实用新型包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列、扭弯导波激励单元和扭弯导 波接收单元；扭弯导波激励单元包括功率放大模块、信号发生器和延时模块；在螺旋焊管 圆周上包覆有一圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列 为沿同一圆周间隔均布的多个磁致伸缩换能器；每个磁致伸缩换能器激发出超声导波将超 声导波的弹性应变禪合到螺旋焊管，计算机依次经延时模块、信号发生器、功率放大模块后 连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列；扭弯导波接收单元包括前置放大模块、数据采集 模块和数据采集延时模块，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列依次经前置放大模块、数据 采集模块、数据采集延时模块后连接计算机。
[0009] 所述的数据采集模块采集信号的延时量与信号发生器发出信号的延时量一致。
[0010] 所述的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列激发的超声导波通过禪合剂或通过干 禪合装置将超声导波的弹性应变禪合到螺旋焊管。
[0011] 所述的禪合剂为环氧树脂胶。
[0012] 所述的干禪合装置为气囊夹具。
[0013] 本实用新型的主要有益效果有：
[0014] 本实用新型通过对环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列各通道的导波波束进行延 时，使扭弯导波在螺旋焊管中的波阵面与螺旋焊缝平行，保证了一个螺距螺旋焊缝在回波 中呈现单个波包，克服了环形一体式磁致伸缩换能器检测螺旋焊管时螺旋焊缝信号持续出 现在回波的缺点，提高了螺旋焊管回波的信噪比，为提取螺旋焊管小缺陷的信息奠定了基 础。
【附图说明】
[0015] 图1是螺旋形波阵面扭弯导波通过螺旋焊缝的示意图。
[0016] 图2是本实用新型螺旋形波阵面扭弯导波的结构示意图。
[0017] 图3是螺旋形波阵面扭弯导波激发的装置示意图。
[0018] 图4是螺旋形波阵面扭弯导波接收的装置示意图。
[0019] 图5是磁致伸缩导波换能器的结构示意图。
[0020] 图6是采用本实用新型环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列检测得到的导波信号。
[0021] 图7是采用传统的环形一体式磁致伸缩换能器检测得到的导波信号。
[0022] 图中：1、螺旋焊管，2、螺旋焊缝，3、导波波束，4、螺旋形导波波阵面，5、缺陷，6、环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，7、功率放大模块，8、信号发生器，9、延时模块，10、计算 机，11、前置放大模块，12、数据采集模块，13、数据采集延时模块，14、磁致伸缩换能器，15、 回折线圈，16、磁致伸缩带材。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0024] 本实用新型的装置包括扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元。
[0025] 如图3所示，螺旋形波阵面扭弯导波采用环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6延 时激励产生。扭弯导波激励单元包括功率放大模块7、信号发生器8和延时模块9。激励扭 弯导波时，计算机10通过延时模块9控制各通道导波波束3之间的延时，在信号发生器8 各个通道产生正弦脉冲信号，经功率放大模块7放大成功率信号后施加到环形磁致伸缩扭 弯导波换能器阵列6,由Wiedemann效应产生导波波束3。延时后的各通道导波波束3在螺 旋焊管1中形成螺旋形导波波阵面4。
[0026] 计算机通过延时模块控制各通道导波波束之间的延时，在信号发生器各个通道产 生正弦脉冲信号，经功率放大模块放大成功率信号后施加到环形磁致伸缩扭弯导波换能器 阵列，由Wiedemann效应产生导波波束激励扭弯导波，延时后的各通道导波波束在螺旋焊 管中形成螺旋形导波波阵面；计算机通过数据采集延时模块控制数据采集模块各通道之间 的采集延时，螺旋形导波波阵面的回波接收信号经过前置放大模块放大的各通道回波延时 叠加得到导波检测信号，实现对螺旋形波阵面扭弯导波的接收。
[0027] 所述环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6中，第1个磁致伸缩换能器14布置在环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6与螺旋焊缝2的交点，然后按照磁致伸缩换能器14与螺 旋焊缝2的距离由近到远依次标记序号为Si、S2、…、Sm，M为环形磁致伸缩扭弯导波换能器 阵列6中磁致伸缩换能器14的数量。
[002引所述功率放大模块7是一种大功率口控RF放大器，其频段范围为4-250曲Z，最大 功率达到5kW，适用于驱动磁致伸缩换能器。
[0029] 所述信号发生器8基于孤S技术产生正弦脉冲信号，其频率在4-250曲Z区间选 取。正弦脉冲数量通常不超过8个，W避免波包宽度过 大降低超声导波信号的分辨率。
[0030] 所述延时模块9采用软件延时方式实现。为了使环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵 列6能够激励出平行于螺旋焊缝2的螺旋形波阵面扭弯导波，可W通过对各通道导波波束 3的延时来补偿螺旋形导波波阵面4各点在轴向位置上的距离。环形磁致伸缩扭弯导波换 能器阵列6的第m个换能器Sm与螺旋焊缝2之间的距离1m为
[0031]
[003引其中，L为螺旋焊缝2的螺距。
[0033] 则第m个磁致伸缩换能器14激发的导波波束3的延时Atm可W表示成：
[0034]
[003引其中，Cg为扭弯导波的群速度。
[0036]如图4所示，螺旋焊管1的回波由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6通过延时 接收获得。扭弯导波接收单元包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6,前置放大模块11， 数据采集模块12,数据采集延时模块13和计算机10。接收回波时，计算机10通过数据采 集延时模块12控制数据采集模块各通道之间的采集延时，将经过前置放大模块11放大的 各通道回波延时叠加，实现对螺旋形波阵面扭弯导波的接收。
[0037] 所述前置放大模块11是一个宽带微弱信号放大器，其最大增益达到100地，可W满足超声导波检测对前置放大器增益的要求。
[003引所述数据采集模块12是一个多通道的数据采集模块，可W采用集成在DSP巧片的ADC单元实现模数转换。此外数据采集模块11的采集时序受到数据采集延时模块12控制。 为了保证超声导波信号的完整性，其采样频率为正弦脉冲信号频率的10倍。
[0039] 所述数据采集延时模块13采用软件延时方式实现，其各通道延时Atm与前述环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6激发超声导波时的延时一致。
[0040] 如图5所示，换能器阵列的磁致伸缩换能器14由磁致伸缩带材16和覆盖在磁致 伸缩带材16上的回折线圈15组成，回折线圈15通过脉冲电流提供激励磁场，磁致伸缩带 材16的剩磁场提供偏置磁场。磁致伸缩换能器14的激励磁场与偏置磁场正交，可W通过 Wiedemann效应及其逆效应实现导波的激励和接收。多个磁致伸缩换能器14沿同一圆周间 隔均匀包覆在螺旋焊管1圆周上，构成环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6。环形磁致伸缩 扭弯导波换能器阵列6安装到螺旋焊管1时，每个磁致伸缩换能器14偏置磁场方向都与螺 旋焊管1的圆周方向保持一致。
[0041] 所述磁致伸缩换能器14通过禪合剂或通过干禪合装置将导波的弹性应变禪合到 螺旋焊管1，优选的禪合剂可W为环氧树脂胶，优选的干禪合装置可W为气囊夹具。
[0042] 本实用新型的实施例如下；
[004引 1)选取外径为520mm，壁厚为7mm，螺旋角为20度的螺旋焊管1作为导波检测样 管，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0. 28,密度为7800kg/m3。通过半解析有限元法可W计 算得到T(0, 1)模态导波相速度为3243m/s。
[0044] 2)根据螺旋焊管1的T(0, 1)模态导波波速和螺旋角可W确定波阵面与螺旋焊缝 2平行的Ft(11，1)模态扭弯导波频率为64曲Z，由半解析有限元法可W计算得到Ft(11，1) 模态扭弯导波在64曲Z频率点的波速为3105m/s。
[0045] 3)将12个磁致伸缩换能器14沿螺旋焊管1的圆周方向等间距布置一周，组成环 形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6。环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6采用环氧树脂胶 将弹性应变禪合到螺旋焊管1。
[0046] 4)如图1所示，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6通过各通道延时激励出一定 频率的与螺旋焊缝2平行的螺旋形导波波阵面4。各通道延时量为
[0047] Atm= 0. 0158X(m-1)
[0048] 5)如图2所示，螺旋形波阵面扭弯导波沿螺旋焊管1轴向传播遇到缺陷5后发生 反射，其回波由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6接收，接收时导波波束3的延时量与产 生导波波束3时的延时量相同。将接收到的各通道信号进行叠加作为螺旋焊管1的导波检 测信号。
[0049] 6)在64曲Z±6曲Z区间W0. 5曲Z扫频，重复步骤4和步骤5,可W在64. 5曲Z频 率点获得检测效果最佳的信号，如图6所示。根据信号中缺陷波包的位置可W计算得到缺 陷5所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6之间的距离约为1. 2m。
[0050] 为了体现本实用新型装置对螺旋焊管1导波检测信号信噪比的改善效果，采用传 统的环形一体式磁致伸缩换能器对前述外径为520mm，壁厚为7mm的螺旋焊管1进行导波检 巧。，获得信号如图7所示。对比图6和图7,可W看到传统的环形一体式磁致伸缩换能器获 得的信号中，螺旋焊缝2信号持续出现在回波，导致回波的信噪比很差，无法从中辨识出有 效的缺陷信号，本实用新型的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6获得的信号中，一个螺 距的螺旋焊缝2在回波中只有单个波包，回波的信噪比大大改善，从中可W很容易地提取 出缺陷信号。
[0化1] 由此可见，本实用新型通过对换能器阵列各通道的导波延时，保证了回波中呈现 单个波包，消除了环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回 波的现象，提高了螺旋焊管回波的信噪比，使小缺陷信号更加容易提取，具有突出显著的技 术效果。
[0052] 上述【具体实施方式】用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在 本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落 入本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特征在于：包括环形磁致 伸缩扭弯导波换能器阵列（6)、扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元；扭弯导波激励单 元包括功率放大模块（7)、信号发生器（8)和延时模块（9);在螺旋焊管（1)圆周上包覆有一 圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)为沿同 一圆周间隔均布的多个磁致伸缩换能器（14);每个磁致伸缩换能器（14)激发出超声导波将 超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管，计算机（10)依次经延时模块（9)、信号发生器（8)、 功率放大模块（7)后连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6);扭弯导波接收单元包括 前置放大模块（11)、数据采集模块（12)和数据采集延时模块（13)，环形磁致伸缩扭弯导波 换能器阵列（6)依次经前置放大模块（11 )、数据采集模块（12)、数据采集延时模块（13)后 连接计算机（10)。2. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其 特征在于：所述的数据采集模块（12)采集信号的延时量与信号发生器（8)发出信号的延时 量一致。3. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)激发的超声导波通过耦合剂或通过 干耦合装置将超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管。4. 根据权利要求3所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的耦合剂为环氧树脂胶。5. 根据权利要求3所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的干耦合装置为气囊夹具。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置。包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列、扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元；在螺旋焊管圆周上包覆有一圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，计算机依次经延时模块、信号发生器、功率放大模块后连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列；环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列依次经前置放大模块、数据采集模块、数据采集延时模块后连接计算机。本实用新型消除了环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回波的现象，提高了导波回波的信噪比，使小缺陷信号更加容易提取。
【IPC分类】G01N29/12, G01N29/32
【公开号】CN204694680
【申请号】CN201520249714
【发明人】唐志峰, 吕福在, 张小伟, 刘军, 骆苏军, 李明范
【申请人】杭州浙达精益机电技术股份有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月22日
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