ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROMAGNETIC-ACOUSTIC TRANSDUCER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области неразрушающего контроля изделий, а более конкретно к электромагнитно-акустическому преобразователю, который может быть использован для измерения толщины изделий из токопроводящих материалов и выявления дефектов в таких изделиях.
Уровень техники
В настоящее время в качестве одного из основных методов неразрушающего контроля используется ультразвуковой метод контроля. В основе ультразвукового метода контроля лежит генерирование в материале контролируемого изделия ультразвуковых волн с последующим приемом таких волн, отраженных от границы сред. Указанный метод контроля может быть использован для выявления дефектов, таких как трещины, пустоты, литьевые раковины, в изделиях из токопроводящих материалов, а также для определения линейных размеров таких изделий. Ультразвуковой метод контроля осуществляется электромагнитно-акустическим преобразователем (ЭМАП). В основе конструкции ЭМАП лежит блок индукционных катушек, осуществляющих генерирование ультразвуковых волн в контролируемом изделии и прием отраженных волн. Известны различные конструкции блоков индукционных катушек и ЭМАП с такими блоками катушек.
Из патента РФ 2268517 на изобретение (класс МПК H01F 27/30) известна катушка индуктивности ЭМАП, размещенная на плате из диэлектрика, и ЭМАП, оснащенный такой катушкой. Известная катушка может быть выполнена однослойной или многослойной, содержит одну или несколько секций и выполнена в форме двух симметричных лепестков. Недостатком известной катушки является то, что она используется как в режиме генерирующей катушки, так и в режиме приемной катушки, вследствие чего ЭМАП, оснащенный такой катушкой, имеет низкую чувствительность.
Из патента РФ 2325638 на изобретение (класс МПК G01N 29/22) известен блок катушек для электромагнитно-акустических преобразователей, содержащий группу катушек индуктивности, расположенных одна под другой с перекрытием и автономно подключенных к своему приемнику, при этом группа катушек имеет сколь угодно большую общую длину рабочей зоны, а катушки в группе расположены в нескольких слоях по направлению прямолинейно, криволинейно, по окружности, в зависимости от назначения ультразвукового контроля, формы и направления перемещения объекта контроля. Недостатком известной конструкции блока катушек является наличие взаимного перекрытия соседних катушек и наличие их электромагнитной связи, что приводит к ухудшению помехозащищенности и способности к селекции ультразвуковых сигналов среди помех у ЭМАП, оснащенного таким блоком катушек.
Из патента РФ 2476949 на изобретение (индекс МПК H01F 27/30) известен ЭМАП с блоком катушек, который содержит первую группу катушек индуктивности, в которой катушки расположены одна под другой с перекрытием и автономно подключены к своему приемнику, при этом первая группа катушек имеет сколь угодно большую общую длину рабочей зоны, а катушки в группе расположены в нескольких слоях по направлению прямолинейно, криволинейно, по окружности, в зависимости от назначения ультразвукового контроля, формы и направления перемещения объекта контроля. Известный блок катушек также снабжен второй группой катушек индуктивности, подключенных к своим генераторам, расположенной над первой группой катушек с полным или частичным перекрытием катушек первой группы. Недостатком известной конструкции блока катушек является многослойность конструкции, вследствие чего ЭМАП, оснащенный таким блоком катушек, имеет меньшую чувствительность из-за паразитных индуктивно-емкостных связей, вызванных взаимным перекрытием катушек, что негативно сказывается на точности измерений, осуществляемых ЭМАП.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является блок катушек и ЭМАП, оснащенный таким блоком катушек, описанные в патенте РФ 2206888 на изобретение (индексы МПК G01N 29/04, H04R 9/00). Известный ЭМАП содержит блок катушек, состоящий по меньшей мере из двух катушек индуктивности, расположенных послойно путем наложения одна на другую со сдвигом в направлении обмотки и выполненных в виде отдельных секций, намотанных одним проводом и уложенных вплотную друг к другу, причем витки секций одной катушки индуктивности располагаются между витками секций другой катушки индуктивности, а торцы загнуты и изолированы от торцов секций другой катушки индуктивности электроизоляционным эластичным материалом, обе катушки индуктивности имеют клеммы для соединения с генератором высокой частоты и с приемником электрических сигналов. Недостатком известного блока катушек является наличие загнутых торцов, не позволяющих разместить их как можно ближе к поверхности концентраторов магнитного поля (пластины круглой или прямоугольной формы, выполненные из специального материала), которая располагается между постоянным магнитом и катушкой, что повышает неоднородность создаваемого блоком катушек акустического поля, а также способствует излучению наклонной волны, вследствие чего ЭМАП с известным блоком катушек имеет меньшую чувствительность, меньшую величину рабочего зазора и большую мертвую зону акустического тракта, что лишает его возможности осуществлять контроль изделий малой толщины.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в усовершенствовании конструкции известного ЭМАП с целью расширения диапазона его использования.
Указанная задача решена предлагаемым ЭМАП, который содержит корпус, в котором размещен слой из диэлектрика, источник постоянного магнитного поля и блок катушек индуктивности, причем источник постоянного магнитного поля и блок катушек индуктивности расположены в корпусе с возможностью взаимодействия, при котором блок катушек индуктивности входит в область действия магнитного поля источника постоянного магнитного поля, при этом блок катушек индуктивности содержит генераторную катушку и по меньшей мере одну приемную катушку, причем генераторная катушка выполнена с возможностью подключения к генератору электрических сигналов, а по меньшей мере одна приемная катушка выполнена с возможностью подключения к приемнику электрических сигналов. Предлагаемый ЭМАП отличается тем, что катушки индуктивности выполнены в виде раздельных плоских спиральных катушек индуктивности, которые расположены на одной стороне слоя из диэлектрика и витки которых имеют общий центр.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении чувствительности ЭМАП и обеспечении возможности производить контрольные измерения изделий малой толщины при больших рабочих зазорах.
Рабочим зазором называется расстояние между поверхностью ЭМАП, обращенной к объекту контроля и поверхностью объекта контроля. Увеличение рабочего зазора, в частности, обусловлено тем, что объекты измерения зачастую эксплуатируются в условиях, при которых на их поверхности образуются слои неметаллических материалов, например ржавчина, кроме того, на объектах измерения может быть нанесен слой краски. Таким образом, существует необходимость в создании ЭМАП с большей величиной рабочего зазора, что позволяет избежать необходимости зачищать верхний слой контролируемого объекта или иным образом подготавливать его к проведению контроля.
Согласно одному из вариантов реализации предлагаемого ЭМАП блок катушек содержит одну генераторную катушку и одну приемную катушку, причем генераторная катушка расположена вокруг приемной катушки. Такое расположение катушки позволяет избежать лишних паразитных индуктивно-емкостных связей между катушками, что, в свою очередь, позволит увеличить чувствительность ЭМАП.
Согласно еще одному варианту реализации предлагаемого ЭМАП блок катушек дополнительно содержит вторую приемную катушку, которая расположена вокруг генераторной катушки. Наличие дополнительной приемной катушки позволяет увеличить площадь приема отраженных волн и дополнительно повысить чувствительность ЭМАП.
Согласно еще одному варианту реализации предлагаемого ЭМАП катушки индуктивности выполнены в виде печатных плоских спиральных катушек индуктивности. Использование печатных катушек индуктивности позволяет упростить изготовление ЭМАП и уменьшить его габаритные размеры.
Согласно еще одному варианту реализации предлагаемого ЭМАП источник постоянного магнитного поля представляет собой электромагнит. Использование электромагнита позволяет контролировать магнитное поле и избежать примагничивания ЭМАП к объекту контроля.
Согласно еще одному варианту реализации предлагаемого ЭМАП источник постоянного магнитного поля представляет собой постоянный магнит. Использование постоянного магнита позволяет дополнительно упростить конструкцию ЭМАП и снизить энергопотребление.
Краткое описание чертежей
Далее приведено описание предпочтительных вариантов реализации предложенного ЭМАП со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг. 1 схематично показывает общий вид ЭМАП согласно настоящему изобретению,
фиг. 2 показывает один из предпочтительных вариантов реализации блока катушек согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 показывает другой предпочтительный вариант реализации блока катушек согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 иллюстрирует сигналы, полученные при измерении на контрольном образце с рабочим зазором в 4,5 мм между катушкой предлагаемого ЭМАП и контрольным образцом;
фиг. 5 иллюстрирует сигналы, полученные при измерении на контрольном образце с рабочим зазором в 4,5 мм между катушкой ЭМАП, известного из уровня техники, и контрольным образцом.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично показан пример выполнения предложенного электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМАП), который содержит корпус 1, в котором размещен слой 2 из диэлектрика, прикрепленный к стенке корпуса 1 неподвижно, блок 3 катушек индуктивности, расположенный на слое диэлектрика, и источник 4 постоянного магнитного поля, который расположен в корпусе с возможностью взаимодействия с блоком 3 катушек, при котором блок 3 катушек находится в области действия магнитного поля источника 4 постоянного магнитного поля. Источник 4 постоянного магнитного поля представляет собой электромагнит.
На фиг. 2 показан предпочтительный вариант исполнения блока 3 катушек индуктивности. Блок 3 содержит генераторную катушку 7 индуктивности и приемную катушку 8 индуктивности. Указанные катушки 7, 8 выполнены в виде плоских печатных спиральных катушек, что позволяет упростить изготовление ЭМАП и уменьшить его размеры. Катушки 7, 8 выполнены на одной стороне слоя 2 из диэлектрика и располагаются по существу в одной плоскости. Как видно из фиг. 2, генераторная катушка 7 расположена вокруг приемной катушки 8, так что спирали токопроводящих линий, образующие катушки 7, 8, имеют общий центр. Катушки 7, 8 имеют клеммы (не показаны), которыми обеспечена возможность их соединения соответственно с генератором электрических сигналов и приемником электрических сигналов (не показаны).
Предлагаемый ЭМАП работает следующим образом.
ЭМАП устанавливают в рабочее положение (положение контроля) относительно объекта контроля. Затем на блок 3 катушек накладывают постоянное магнитное поле со стороны источника 4. На катушку 7, подключенную к генератору электрических сигналов, подается электрический импульс переменного тока частотой f (Гц) - зондирующий импульс. В результате вокруг катушки 7 возникает переменное электромагнитное поле. Возникшие в результате взаимодействия полей силы Лоренца возбуждают в металле объекта контроля ультразвуковые волны, вызывающие в металле колебания отдельных его слоев. В результате этих колебаний возникают индукционные микротоки, создающие магнитное поле, взаимодействующее с приемной катушкой (катушками), подключенной к приемнику электрических сигналов, преобразующей электромагнитный импульс в электрический. ЭМАП создает поперечную волну с круговой и радиальной поляризацией, распространяющуюся в объекте контроля двумя пучками (сходящимся пучком к центру катушки и расходящимся пучком от центра катушки) под малыми углами к нормали плоскости катушки. Отраженная от донной поверхности (или рассеянная на дефекте) акустическая волна концентрируется на внутренней приемной катушке 8 (при наличии внешней приемной катушки так же концентрируется и на ней), обеспечивая практически полный прием излученной энергии.
Раздельное применение катушек 7, 8 позволяет обеспечить их оптимальное согласование с генератором и приемником независимо друг от друга, повысив чувствительность ЭМАП и, как следствие, общую помехозащищенность и надежность ультразвукового контроля. Особенность такой топологии блока 3 катушек позволяет уменьшить паразитные индуктивно-емкостные связи. Увеличение соотношения сигнал/шум благодаря оптимальному выбору топологии катушек и их согласованию позволяет проводить контроль при больших рабочих зазорах.
Раздельное выполнение катушек 7, 8 на одной стороне слоя из диэлектрика позволяет уменьшить индуктивные емкостные связи между катушками 7, 8, что позволяет уменьшить мертвую зону акустического тракта ЭМАП и обеспечить возможность осуществлять контроль изделий малой толщины.
На фиг. 3 показан другой вариант реализации блока 3 катушек, который, помимо генераторной катушки 7 и приемной катушки 8, содержит вторую приемную катушку 10, причем указанная катушка 10 охватывает катушку 7 и, таким образом, оказывается расположенной вокруг генераторной катушки 7, которая, в свою очередь, расположена вокруг приемной катушки 8. Катушка 10 также имеет клеммы (не показаны) для соединения с приемником электрических сигналов, с которым соединена катушка 8.
В результате реализации предлагаемого изобретения получен ЭМАП, между катушками индуктивности которого существенно уменьшены индуктивно-емкостные связи, акустическая волна излучается под меньшим углом к нормали, катушки выполнены с таким расположением и соединением в блоке, при котором обеспечена их независимая друг от друга работа на разных режимах от разных генераторов, разных приемников. ЭМАП согласно предлагаемому изобретению имеет увеличенную величину рабочего зазора и уменьшенную величину минимально измеряемой толщины.
На фиг. 4 и 5 приведены графики, иллюстрирующие сигналы, полученные на контрольном образце при измерении толщины (номинальная толщина контрольного образца 14 мм) с рабочим зазором в 4,5 мм соответственно заявляемым ЭМАП и ЭМАП, известным из уровня техники. Как видно на фиг. 4, в ходе измерения получен донный эхосигнал, по которому с заданной точностью (погрешность не более 0,1 мм) может быть определена толщина контрольного образца. В то же время, на фиг. 5 видно, что при измерении на контрольном образце получены лишь шумовые сигналы, амплитуда которых не позволяет выделить донный эхосигнал и, как следствие, с заданной точностью измерить толщину контрольного образца.
Приведенное выше описание вариантов реализации заявленного изобретения не является ограничивающим, так, например, катушки индуктивности блока катушек могут быть получены намоткой вручную проводом, а не обязательно получены печатным способом, источник постоянного магнитного поля может представлять собой постоянный магнит, а приемные катушки могут быть подсоединены к разным приемникам электрических сигналов. Также возможны другие модификации заявленного изобретения, вследствие чего необходимо отметить, что объем заявляемых притязаний ограничен лишь нижеследующей формулой изобретения.