一种柔性相控阵电磁超声检测探头、系统及方法

1.本发明涉及电磁超声检测探头、系统开发技术领域，具体涉及一种柔性相控阵电磁超声检测探头、系统及方法。


背景技术：

2.超声检测是五大常规无损检测方法之一，被广泛运用于核电、航空航天、能源等重要领域的安全监检测。常规压电超声检测技术对试件表面要求较高，检测过程需要液态耦合剂，不适用于高温、辐射和强腐蚀等极端环境。电磁超声检测技术，探头与试件表面非接触，检测过程无需耦合剂，可灵活激发各种波形，在试件表面粗糙、高温、辐照等特殊工况下表现出其独特的优越性，是目前超声检测领域中的重要研究方向。
3.传统的电磁超声探头一般采用永磁体-线圈结构或者电磁体-线圈结构，探头呈刚性，体积较大，不适用于曲面等表面复杂、检测空间狭窄的情况。采用双线圈结构的电磁超声探头，其整体呈柔性，体积较小，在试件表面复杂的情况下，具有一定的检测优势。但由于换能效率低下，单通道柔性电磁超声探头激励超声波能量较小，检测灵敏度差，检测效率低。超声相控阵检测技术基于声波干涉原理，可增强特定区域声波能量，提高检测灵敏度，且扫查速度较快，但现有的电磁超声相控阵系统仅可搭载刚性探头。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种柔性相控阵电磁超声检测探头、系统及方法，能够实现粗糙或曲面等金属结构在高温、辐照等恶劣工况下的非接触、高灵敏度、快速超声无损检测。
5.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种柔性相控阵电磁超声检测探头，由柔性偏置磁场线圈1和柔性阵列激励接收线圈2构成，柔性偏置磁场线圈1为跑道形线圈，柔性阵列激励接收线圈2为n个小尺寸跑道形线圈在同一平面依次排列的线圈集合，柔性偏置磁场线圈1与柔性阵列激励接收线圈2以上下层的方式排布，整体探头呈柔性，可适型于待测试件7表面形状进行检测。
7.优选的，柔性阵列激励接收线圈2的排列总长度小于柔性偏置磁场线圈宽度，阵列线圈2放置于柔性偏置磁场线圈1的中心位置，这样，在超声波激励接收过程中，柔性阵列激励接收线圈2中的n个线圈都至于偏置磁场中。
8.一种柔性相控阵电磁超声检测系统，包括柔性偏置磁场线圈1、柔性阵列激励接收线圈2、长脉冲电流源3、多通道电磁超声信号发射及接收模块4、多路时序控制及信号采集模块5、装有控制及信号采集处理软件的计算机6；柔性偏置磁场线圈1与长脉冲电流源3连接，柔性阵列激励接收线圈2中的每一个线圈阵元与多通道电磁超声信号发射及接收模块4各通道一一对应连接，长脉冲电流源3的另一端与多路时序控制及信号采集模块5连接，多通道电磁超声信号发射及接收模块4各通道的另一端与多路时序控制及信号采集模块5连接，多路时序控制及信号采集模块5的另一端接入装有控制及信号采集处理软件的计算机
6。
9.所述多路时序控制及信号采集模块5和装有控制及信号采集处理软件的计算机6共同配合，可对系统各模块的触发时序进行控制。首先触发长脉冲电流源3向柔性偏置磁场线圈1中通入长脉冲电流，产生偏置磁场，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，再按一定时序依次触发多通道电磁超声信号发射及接收模块4向柔性阵列激励接收线圈2中对应的n个线圈依次通入短脉冲电流，在待测试件7表面及近表面区域产生多个涡流，在偏置磁场作用下，待测试件表面及近表面多个涡流区域的质点将分别发生振动，产生多束具有相位差的超声波并在传播过程中发生干涉叠加，特定区域声波幅值增大声压加强，实现电磁超声相控阵激励。
10.所述多路时序控制及信号采集模块5的采集触发时间与多通道电磁超声信号发射及接收模块4的首个通道触发时间相同，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，柔性阵列激励接收线圈2中的n个线圈同时分别对超声波进行接收，送入多通道电磁超声信号发射及接收模块4中对应的n个通道，后进入多路时序控制及信号采集模块5进行模数转换，最终多通道信号进入计算机6进行延时补偿、叠加等后处理。
11.一种柔性相控阵电磁超声检测方法：
12.1)时序编辑：多通道电磁超声信号发射及接收模块4中n个通道的触发时序基于超声相控阵聚焦偏转法则设置，根据试件实际检测要求，计算柔性阵列激励接收线圈2中各线圈阵元距目标检测区域的声程差δsi，再除以待测试件材料声速c，计算延迟时间δti＝δsi/c；长脉冲电流源3长脉冲的触发时间早于多通道电磁超声信号发射及接收模块4的触发时间，且脉冲长度应足够大，使得多通道电磁超声信号发射及接收模块4的n个通道的激励和接收都在长脉冲达到峰值且稳定的时间段内完成；将触发时序输入计算机6的控制软件；
13.2)相控阵激励和接收：按设定触发时序，计算机6先触发长脉冲电流源3向柔性偏置磁场线圈1中通入长脉冲电流，产生偏置磁场，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，再按设定时序依次触发多通道电磁超声信号发射及接收模块4的n个通道，向柔性阵列激励接收线圈2中对应的n个线圈依次通入短脉冲电流，完成电磁超声相控阵激励和接收；
14.3)信号处理和分析：采用装有控制及信号采集处理软件的计算机6对多通道信号进行平均、滤波、延时补偿和叠加等处理，增大缺陷信号幅值，根据待测试件对应的声速和缺陷信号时间，计算出试件缺陷的位置。
15.和现有技术相比，本发明的优点如下：
16.1)本发明所述的柔性相控阵电磁超声检测探头呈柔性，无需耦合剂，与试件表面非接触，可广泛运用于表面粗糙和形状复杂的金属结构在高温、辐照等恶劣工况下的无损检测，大幅度扩大超声检测技术的应用范围。
17.2)本发明所述的柔性相控阵电磁超声检测系统，可搭载柔性相控阵电磁超声探头实现超声相控阵激励和接收，有效弥补了双线圈结构电磁超声探头换能效率低下，激励超声波能量小的不足，极大地提高了柔性电磁超声检测的灵敏度和检测效率。
附图说明
18.图1为一种柔性相控阵电磁超声检测探头及系统示意图。
19.图2为柔性偏置磁场线圈和柔性阵列激励接收线圈示意图。
20.图3为时序控制及触发信号示意图。
21.图4为柔性相控阵电磁超声激励示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
23.以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的实施方式。现在，将参照附图更详细地描述根据本技术的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。
24.如图2所示，本实施例为一种柔性相控阵电磁超声检测探头，由柔性偏置磁场线圈1和柔性阵列激励接收线圈2构成，柔性偏置磁场线圈1为用直径1mm漆包线紧密绕制的50匝跑道形线圈，线圈覆在柔性薄膜上，柔性阵列激励接收线圈2中的每个阵元线圈为用直径0.1mm漆包线紧密绕制的15匝跑道形线圈，n个阵元覆在柔性薄膜上一字排列，阵元间隙2mm，排列总长度小于柔性偏置磁场线圈宽度，即n应满足5n-2≤100。将柔性偏置磁场线圈1和柔性阵列激励接收线圈2上下层固定，阵列线圈2放置于磁场线圈1的中心位置，组成柔性相控阵电磁超声检测探头，并放置于待测试件表面附近，柔性阵列激励接收线圈2置于柔性偏置磁场线圈1和待测试件之间。
25.如图1所示，本实施例为一种柔性相控阵电磁超声检测系统，包括柔性偏置磁场线圈1、柔性阵列激励接收线圈2、长脉冲电流源3、多通道电磁超声信号发射及接收模块4、多路时序控制及信号采集模块5、装有控制及信号采集处理软件的计算机6；柔性偏置磁场线圈1与长脉冲电流源3连接，柔性阵列激励接收线圈2中的每一个线圈阵元与多通道电磁超声信号发射及接收模块4各通道一一对应连接，长脉冲电流源3的另一端与多路时序控制及信号采集模块5连接，多通道电磁超声信号发射及接收模块4各通道的另一端与多路时序控制及信号采集模块5连接，多路时序控制及信号采集模块5的另一端接入装有控制及信号采集处理软件的计算机6。
26.如图3所示，所述多路时序控制及信号采集模块5和装有控制及信号采集处理软件的计算机6共同配合，可对系统各模块的触发时序进行控制。首先触发长脉冲电流源3向柔性偏置磁场线圈1中通入长脉冲电流8，产生偏置磁场，在长脉冲达到峰值且稳定阶段t，再按一定时序依次触发多通道电磁超声信号发射及接收模块4向柔性阵列激励接收线圈2中对应的n个线圈依次通入短脉冲电流9，在待测试件7表面及近表面区域产生多个涡流，在偏置磁场作用下，待测试件表面及近表面多个涡流区域的质点将分别发生振动，产生多束具有相位差的超声波并在传播过程中发生干涉叠加，特定区域声波幅值增大声压加强，实现电磁超声相控阵激励。
27.所述多路时序控制及信号采集模块5的采集触发时间与多通道电磁超声信号发射及接收模块4的首个通道触发时间相同，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，柔性阵列激励接收线圈2中的n个线圈同时分别对超声波10进行接收，送入多通道电磁超声信号发射及接收模块4中对应的n个通道，后进入多路时序控制及信号采集模块5进行模数转换，最终多通道信号进入计算机6进行延时补偿、叠加等后处理。
28.结合图1、图2、图3和图4，对采用上述柔性相控阵电磁超声检测探头及系统进行拱
形铝板试件检测的方法步骤描述如下：
29.1)时序编辑：多通道电磁超声信号发射及接收模块4中n个通道的触发时序基于超声相控阵聚焦偏转法则设置，例如集中声波能量对阵列激励接收线圈2中心正下方，x mm处进行检测，可将此区域看作焦点，计算柔性阵列激励接收线圈2中各线圈阵元距焦点的声程差δsi，再除以待测试件材料声速c，计算延迟时间δti＝δsi/c；长脉冲电流源3长脉冲电流源比多通道电磁超声信号发射及接收模块4的触发时间早5μs触发，脉冲长度10ms，短脉冲电流9的长度为1μs，多通道电磁超声信号发射及接收模块4的n个通道的激励和接收总时长在微秒级别，可在长脉冲达到峰值且稳定的时间段内完成；将触发时序输入计算机6的控制软件；
30.2)相控阵激励和接收：按设定触发时序，计算机6首先触发长脉冲电流源3向柔性偏置磁场线圈1中通入长脉冲电流8，在拱形铝板试件表面及近表面区域产生垂直于试件表面的偏置磁场12，在长脉冲达到峰值且稳定阶段t内，先触发1通道和n通道，向1阵元线圈和n阵元线圈通入短脉冲电流9，在拱形铝板试件中产生涡流，δt1时间后，再触发2通道和n-1通道，向2阵元线圈和n-1阵元线圈通入相同电流，在拱形铝板试件中产生涡流，δt2时间后，触发3通道和n-2通道，向3阵元线圈和n-2阵元线圈通入相同电流，以此类推，直至所有的阵元线圈都被激励，在偏置磁场作用下，铝板试件表面及近表面阵列涡流区域质点受到洛伦兹力f作用，产生多束垂直试件表面传播频率为1mhz的超声横波13，在距拱形铝板试件表面x mm处发生聚焦，此区域声波幅值增大声压加强；采集触发时间与1通道和n通道激励触发时间相同，柔性阵列激励接收线圈2中的n个阵元线圈同时分别接收信号10并送入多通道电磁超声信号发射及接收模块4中对应的通道，多路时序控制及信号采集模块5对n个通道信号进行采集和模数转换，并送入计算机6进行信号处理分析；
31.3)信号处理和分析：采用装有控制及信号采集处理软件的计算机6对n个通道信号进行平均、滤波、延时补偿和叠加等处理，增大缺陷信号幅值，提高信噪比，根据铝板试件的声速c和缺陷信号时间t，计算出试件缺陷11的位置d＝0.5ct。

技术特征：
1.一种柔性相控阵电磁超声检测探头，其特征在于：检测探头由柔性偏置磁场线圈(1)和柔性阵列激励接收线圈(2)构成，柔性偏置磁场线圈(1)为跑道形线圈，柔性阵列激励接收线圈(2)为n个小尺寸跑道形线圈在同一平面依次排列的线圈集合，柔性偏置磁场线圈(1)与柔性阵列激励接收线圈(2)以上下层的方式排布，整体探头呈柔性，能够适型于待测试件(7)表面形状进行检测。2.根据权利要求1所述的一种柔性相控阵电磁超声检测探头，其特征在于：柔性阵列激励接收线圈(2)的排列总长度小于柔性偏置磁场线圈宽度，阵列线圈(2)放置于柔性偏置磁场线圈(1)的中心位置。3.一种柔性相控阵电磁超声检测系统，其特征在于：所述系统包括权利要求1或2所述的柔性相控阵电磁超声检测探头、长脉冲电流源(3)、多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)、多路时序控制及信号采集模块(5)以及装有控制及信号采集处理软件的计算机(6)；柔性相控阵电磁超声检测探头的柔性偏置磁场线圈(1)与长脉冲电流源(3)连接，柔性相控阵电磁超声检测探头的柔性阵列激励接收线圈(2)中的每一个线圈阵元与多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)各通道一一对应连接，长脉冲电流源(3)的另一端与多路时序控制及信号采集模块(5)连接，多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)各通道的另一端与多路时序控制及信号采集模块(5)连接，多路时序控制及信号采集模块(5)的另一端接入装有控制及信号采集处理软件的计算机(6)。4.根据权利要求3所述的一种柔性相控阵电磁超声检测系统，其特征在于：所述多路时序控制及信号采集模块(5)和装有控制及信号采集处理软件的计算机(6)共同配合，对系统各模块的触发时序进行控制；首先触发长脉冲电流源(3)向柔性偏置磁场线圈(1)中通入长脉冲电流，产生偏置磁场，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，再按一定时序依次触发多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)向柔性阵列激励接收线圈(2)中对应的n个线圈依次通入短脉冲电流，在待测试件(7)表面及近表面区域产生多个涡流，在偏置磁场作用下，待测试件表面及近表面多个涡流区域的质点将分别发生振动，产生多束具有相位差的超声波并在传播过程中发生干涉叠加，特定区域声波幅值增大声压加强，实现电磁超声相控阵激励。5.根据权利要求3所述的一种柔性相控阵电磁超声检测系统，其特征在于：所述多路时序控制及信号采集模块(5)的采集触发时间与多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)的首个通道触发时间相同，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，柔性阵列激励接收线圈(2)中的n个线圈同时分别对超声波进行接收，送入多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)中对应的n个通道，后进入多路时序控制及信号采集模块(5)进行模数转换，最终多通道信号进入计算机(6)进行延时补偿、叠加后处理。6.权利要求3至5任一项所述的一种柔性相控阵电磁超声检测系统的检测方法，其特征在于：1)时序编辑：多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)中n个通道的触发时序基于超声相控阵聚焦偏转法则设置，根据试件实际检测要求，计算柔性阵列激励接收线圈(2)中各线圈阵元距目标检测区域的声程差δs
i
，再除以待测试件材料声速c，计算延迟时间δt
i
＝δs
i
/c；长脉冲电流源(3)长脉冲的触发时间早于多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)的触发时间，且长脉冲长度应足够大，使得多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)的n个通道的激励和接收都在长脉冲达到峰值且稳定的时间段内完成；将触发时序输入计算机(6)
的控制软件；2)相控阵激励和接收：按设定触发时序，计算机(6)先触发长脉冲电流源(3)向柔性偏置磁场线圈(1)中通入长脉冲电流，产生偏置磁场，在长脉冲达到峰值且稳定阶段，再按设定时序依次触发多通道电磁超声信号发射及接收模块(4)的n个通道，向柔性阵列激励接收线圈(2)中对应的n个线圈依次通入短脉冲电流，完成电磁超声相控阵激励和接收；3)信号处理和分析：采用装有控制及信号采集处理软件的计算机(6)对多通道信号进行平均、滤波、延时补偿和叠加处理，增大缺陷信号幅值，根据待测试件对应的声速和缺陷信号时间，计算出试件缺陷的位置。

技术总结
一种柔性相控阵电磁超声检测探头、系统及方法，该系统包括由柔性偏置磁场线圈和柔性阵列激励接收线圈构成的柔性相控阵电磁超声检测探头、长脉冲电流源、多通道电磁超声信号发射及接收模块、多路时序控制及信号采集模块、装有控制及信号采集处理软件的计算机。检测方法为将柔性阵列电磁超声检测探头置于待测试件表面，多路时序控制及信号采集模块首先触发长脉冲电流源驱动偏置磁场线圈产生长脉冲偏置磁场，在磁场强度接近峰值时按时序依次触发多通道电磁超声信号发射及接收模块驱动阵列激励接收线圈产生涡流，实现相控阵电磁超声的激励和接收。本发明可用于粗糙或曲面等金属结构的非接触、高灵敏度、快速检测，大幅度扩大超声检测技术的应用范围。声检测技术的应用范围。声检测技术的应用范围。


技术研发人员：裴翠祥 邓洁 陈振茂 刘天浩 张远舸
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8