技术领域
[0001] 本
发明涉及电磁超声
无损检测技术领域，具体涉及一种高温连
铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置及控制方法。
背景技术
[0002] 无损检测是不破坏和损伤受检物体，对它的性能、
质量、有无内部
缺陷进行检测的一种技术。电磁超声检测是利用
超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对
超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化。当超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波就会产生反射、透射及折射，接收器通过对这些特征波进行分析，发现隐藏的内部缺陷。
[0003] 随着国家在
能源、动
力企业的投入和发展，各种高温连铸坯逐渐增多。作为特种设备的高温连铸坯一旦出现事故，损失将非常严重。为了实现最小的事故发生率。高温连铸坯检测成为一个急需解决的问题。而电磁超声正是解决这个问题的最好选择。电磁超声装置用于对高温连铸坯施加或采集电磁超声波，目前电磁超声装置的缺点是由于电磁超声
探头与
工件间隙不能太大，探头从工件表面每提高一个绕线
波长的距离，超声
信号幅度就要下降96dB，由于电磁超声探头长期承受
热轧板材的高温
辐射，从而导致电磁超声装置的探头使用寿命短、换能效率低、信号不稳定。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置及控制方法，该发明的探头耐高温、使用寿命长，且该发明具有换能效率高和信号稳定的特点。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置，其关键在于：该高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置设置有与发射探头连接的信号发生系统，与接收探头连接的信号接收系统；
[0006] 所述发射探头和接收探头结构一致，其中发射探头包括壳体，该壳体的底部装有三
氧化二
铝粉末填料，三氧化二铝粉末填料内铺设有铂铑
合金高频绕组，壳体内还设置有
马蹄形的
铁芯，铁芯开口朝下，铁芯上缠绕有直流绕组，直流绕组所形成的
磁场屏蔽住所述铂铑合金高频绕组的上方和四周。
[0007] 信号发生系统用于给测量探头提供激励电磁信号；
[0008] 信号接收系统用于接收处理接收探头采集的电磁超声信号；
[0009] 三氧化二铝粉末填料用作铂铑合金高频绕组的
固定剂，并且在高温连铸坯与铂铑合金高频绕组之间起
隔热作用；
[0010] 铁芯与直流绕组用于形成直流静态偏置
电磁场，该电磁场的
磁力线穿过高温连铸坯；并屏蔽铂铑合金高频绕组外的
干扰信号。
[0011] 铂铑合金高频绕组相比一般
铜导线制作的高频绕组更耐高温；且铂铑合金丝具有
热电偶性能；可用于测量探头
温度。
[0012] 高频绕组用于对高温连铸坯施加或接收其高频交变电磁信号。
[0013] 所述的铂铑合金高频绕组采用铂铑合金丝双根并绕而成，铂铑合金高频绕组成S形铺设在所述壳体底部。
[0014] 铂铑合金高频绕组采用双根并绕使激发超声波的声场更为集中，便于缺陷的
定位与量化；
[0015] 铂铑合金高频绕组采用双根并绕也便于用作测温
电路的热电偶。
[0016] 所述直流绕组和铂铑合金高频绕组穿出壳体顶部过线孔后与所述信号发生系统或信号接收系统连接。
[0017] 所述壳体内设置有流道，该流道内填充有
冷却液，该流道靠近壳体下底，该流道的冷却液进出口位于壳体上端。
[0018] 通过从冷却液进出口不断向壳体的流道内通入循环冷却液，冷却靠近高温连铸坯的探头，因而保证探头可以与高温连铸坯靠得更近，换能效率更高。
[0019] 所述的壳体的底部为三氧化二铝陶瓷底，所述的铁芯材料为
硅钢片。
[0020] 三氧化二铝陶瓷底用于高温连铸坯与探头内部部件之间的隔热，硅钢片铁芯具良好的导
磁性能。
[0021] 所述的发射探头和接收探头外设置有马蹄形的屏蔽电
磁铁，该屏蔽电磁铁跨过所述发射探头和接收探头，屏蔽电磁铁形成的磁场屏蔽住发射探头和接收探头的上方和四周。
[0022] 虽然发射探头和接收探头处的高温连铸坯能屏蔽住干扰信号，但两探头之间的高温连铸坯容易受到其他高频杂波信号的干扰，屏蔽电磁铁用于屏蔽掉这类高频杂波干扰信号。
[0023] 屏蔽电磁铁可采用龙
门结构，跨过高温铸坯的两侧搭建，将干扰信号完全屏蔽在高温铸坯之外。
[0024] 所述信号发生系统包括直流电源一、高频发射器、测温电路一；直流电源一为所述发射探头的直流绕组供电，高频发射器发射高频信号给所述发射探头的铂铑合金高频绕组，测温电路一获取所述发射探头的铂铑合金高频绕组感应的温度信号。
[0025] 测温电路一用于测量发射探头的高频绕组温度，根据测量温度可适当调整电磁超声探头的距离；还可根据铂铑合金的
电阻与温度的比例关系测量高频绕组的电阻，根据高频绕组电阻的变化适时调整高频发射器内阻，保证高频发射器发射信号的
稳定性，同时也提高了高频发射器的换能效率。
[0026] 所述信号接收系统包括直流电源二、高频接收器、测温电路二、调制解波器、高阶弹性模量原位表征装置，直流电源二为所述接收探头的直流绕组供电，高频接收器接收所述接收探头的铂铑合金高频绕组的高频信号，测温电路二获取所述接收探头的铂铑合金高频绕组感应的温度信号，所述的高频接收器的输出连接调制解波器，所述的调制解波器的输出连接高阶弹性模量原位表征装置。
[0027] 测温电路二用于测量接收探头的高频绕组温度，根据测量温度可适当调整接收探头的距离；还可根据铂铑合金的电阻与温度的比例关系测量高频绕组的电阻，根据高频绕组电阻的变化适时调整高频接收器内阻，保证高频接收器接收信号的稳定性，同时也提高了高频接收器的换能效率。
[0028] 调制解波器用于接收高频接收器的高频交变
电压信号；并将该高频交变信号进行处理，通过高频
滤波器分离出其中的基波与谐波。
[0029] 高阶弹性模量原位表征装置用于接收调制解波器处理后的信号；并将信号进行分析处理，根据处理结果评价高温连铸坯的缺陷。
[0030] 一种控制方法，适用于所述的高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置，其关键在于所述控制方法包括以下步骤：
[0031] a：信号发生系统通过发射探头发射
激励信号给高温连铸坯，该步骤包括：
[0032] a1：信号发生系统的直流电源一施加直流电压给发射探头的直流绕组，发射探头的直流绕组和铁芯产生静态偏置磁场，该静态偏置磁场的磁力线穿过高温连铸坯；
[0033] a2：高频发射器发射一定类型、幅度、
频率的高频交变信号给发射探头的铂铑合金高频绕组，铂铑合金高频绕组产生高频交变磁场，该高频交变磁场的磁力线穿过高温连铸坯；
[0034] b：高温连铸坯产生超声波；
[0035] c：信号接收系统通过接收探头接收超声波信号，该步骤包括：
[0036] c1：信号接收系统的直流电源二施加直流电压给接收探头的直流绕组，接收探头的直流绕组和铁芯产生静态偏置磁场，该静态偏置磁场的磁力线穿过高温连铸坯；
[0037] c2：接收探头的铂铑合金高频绕组将超声波信号转换为高频交变电压信号；
[0038] d：高频接收器拾取接收探头的铂铑合金高频绕组的高频交变电压信号；
[0039] e：调制解波器分离处理高频交变电压信号，该步骤包括：
[0040] e1：调制解波器接收高频接收器的高频交变
输出信号；
[0041] e2：调制解波器将该高频交变信号进行处理，通过高频滤波器分离出其中的基波与谐波；
[0042] e3：调制解波器将基波与谐波信号分别进行放大；
[0043] f:通过高阶弹性模量原位表征装置分析处理得到结果；
[0044] f1:高阶弹性模量原位表征装置接收调制解波器处理后的信号；
[0045] f2:高阶弹性模量原位表征装置对基波和谐波进行信号分析处理，根据分析处理得到超声非线形系数β；
[0046] f3:高阶弹性模量原位表征装置根据β值评价高温连铸坯材料缺陷，超声非线形系数β值越大，材料缺陷越大；超声非线形系数β值越小；材料缺陷越小。
[0047] 所述步骤f采用如下公式对数据进行处理：
[0049]
[0050] 式中，ρ0为介质
密度，K2、K3分别为二三阶弹性系数，u为纵波信号，x为传播的距离，[0051] u(x,t)＝A0sin(ωt-kx) (2)
[0052] 公式(2)中A0为纵波的幅值，k为
波数，ω为
角频率，
[0053]
[0054] 根据公式(1)-(3)可得
[0055]
[0056] 公式中(4)中u(x,t)为接收探头铂铑合金高频绕组测量得到的信号，k为波数，ω为角频率，设基波幅值A1＝A0，二次谐波幅值 则超声非线性系数β为
[0057]
[0058] 显著效果：本发明提供了一种高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置及控制方法，该发明的探头耐高温、使用寿命长，且该以明具有换能效率高和信号稳定的特点。
附图说明
[0059] 图1为本发明的结构示意图；
[0060] 图2为本发明的发射探头与接收探头的结构示意图；
[0062] 附图标记说明：100、信号发生系统 101、直流电源一 102、高频发射器 103、测温电路一 200、信号接收系统 201、直流电源二 202、高频接收器 203、测温电路二 204、调制解波器 205、高阶弹性模量原位表征装置
[0063] 1、壳体 2、三氧化二铝粉末填料 3、铂铑合金高频绕组 4、铁芯 5、直流绕组 6、流道 6a、冷却液进出口 7、三氧化二铝陶瓷底
[0064] 8、高温连铸坯 9、屏蔽电磁铁
具体实施方式
[0065] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步详细说明。
[0066] 如图1所示，一种高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置，该高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置设置有与发射探头连接的信号发生系统100，与接收探头连接的信号接收系统200；
[0067] 如图2所示，所述发射探头和接收探头结构一致，其中发射探头包括壳体1，该壳体1的底部装有三氧化二铝粉末填料2，三氧化二铝粉末填料2内铺设有铂铑合金高频绕组3，壳体1内还设置有马蹄形的铁芯4，铁芯4开口朝下，铁芯4上缠绕有直流绕组5，直流绕组5所形成的磁场屏蔽住所述铂铑合金高频绕组3上方和四周。
[0068] 所述的铂铑合金高频绕组3采用铂铑合金丝双根并绕而成，铂铑合金高频绕组3成S形铺设在所述壳体1底部。
[0069] 所述直流绕组5和铂铑合金高频绕组3穿出壳体1顶部过线孔后与所述信号发生系统100或信号接收系统200连接。
[0070] 所述壳体1内设置有流道6，该流道6靠近壳体1下底，该流道6内填充有冷却液，该流道6的冷却液进出口6a位于壳体1上端。
[0071] 所述的壳体1的底部为三氧化二铝陶瓷底7，所述的铁芯4材料为硅钢片。
[0072] 如图1所示，所述的发射探头和接收探头外设置有马蹄形的屏蔽电磁铁9，该屏蔽电磁铁9跨过所述发射探头和接收探头，屏蔽电磁铁9形成的磁场屏蔽住发射探头和接收探头的上方和四周。
[0073] 两探头之间的高温连铸坯容易受到其他高频杂波信号的干扰，屏蔽电磁铁9用于屏蔽掉这类高频杂波干扰信号。
[0074] 屏蔽电磁铁9可采用龙门结构，跨过高温铸坯8的两侧搭建，将干扰信号完全屏蔽在高温铸坯8之外。
[0075] 所述信号发生系统100包括直流电源一101、高频发射器102、测温电路一103；直流电源一101为所述发射探头的直流绕组5供电，高频发射器102发射高频信号给所述发射探头的铂铑合金高频绕组3，测温电路一103获取所述发射探头的铂铑合金高频绕组3感应的温度信号。
[0076] 所述信号接收系统200包括直流电源二201、高频接收器202、测温电路二203、调制解波器204、高阶弹性模量原位表征装置205，直流电源二201为所述接收探头的直流绕组5供电，高频接收器202接收所述接收探头的铂铑合金高频绕组3的高频信号，测温电路二203获取所述接收探头的铂铑合金高频绕组3感应的温度信号，所述的高频接收器202的输出连接调制解波器204，所述的调制解波器204的输出连接高阶弹性模量原位表征装置205。
[0077] 如图3所示：一种控制方法，适用于所述的高温连铸坯近表层高阶弹性模量原位表征装置，其关键在于所述控制方法包括以下步骤：
[0078] a：信号发生系统100通过发射探头发射激励信号给高温连铸坯8，该步骤包括：
[0079] 先对发射探头的直流绕组5、接收探头的直流绕组5和屏蔽电磁铁9通电，由接收探头获取三者
叠加产生的
基础电磁信号，并将该基础电磁信号进行储存，经过接收探头接收的高频电磁信号须减去这一基础电磁信号。
[0080] a1：信号发生系统100的直流电源一101施加直流电压给发射探头的直流绕组5，发射探头的直流绕组5和铁芯4产生静态偏置磁场，该静态偏置磁场
水平穿过高温连铸坯8；
[0081] a2：高频发射器102发射一定类型、幅度、频率的高频交变信号给发射探头的铂铑合金高频绕组3，铂铑合金高频绕组3产生高频交变磁场，该高频交变磁场穿过高温连铸坯8；
[0082] b：高温连铸坯8产生超声波；
[0083] c：信号接收系统200通过接收探头接收超声波信号，该步骤包括：
[0084] c1：信号接收系统200的直流电源二201施加直流电压给接收探头的直流绕组5，接收探头的直流绕组5和铁芯4产生静态偏置磁场，该静态偏置磁场水平穿过高温连铸坯8；
[0085] c2：接收探头的铂铑合金高频绕组3将超声波信号转换为高频交变电压信号；
[0086] d：高频接收器202拾取接收探头的铂铑合金高频绕组3的高频交变电压信号；
[0087] e：调制解波器204分离处理高频交变电压信号，该步骤包括：
[0088] e1：调制解波器204接收高频接收器202的高频交变输出信号；
[0089] e2：调制解波器204将该高频交变信号进行处理，通过高频滤波器分离出其中的基波与谐波；
[0090] e3：调制解波器204将基波与谐波信号分别进行放大；
[0091] f:通过高阶弹性模量原位表征装置205分析处理得到结果；
[0092] f1:高阶弹性模量原位表征装置205接收调制解波器204处理后的信号；
[0093] f2:高阶弹性模量原位表征装置205对基波和谐波进行信号分析处理，根据分析处理得到超声非线形系数β；
[0094] f3:高阶弹性模量原位表征装置205根据β值评价高温连铸坯8材料缺陷，超声非线形系数β值越大，材料缺陷越大；超声非线形系数β值越小；材料缺陷越小。
[0095] 所述步骤f采用如下公式对数据进行处理：
[0096] 固体中一维纵波的非线性波动方程为
[0097]
[0098] 式中，ρ0为介质密度，K2、K3分别为二三阶弹性系数，u为纵波信号，x为传播的距离，[0099] u(x,t)＝A0sin(ωt-kx) (2)
[0100] A0为纵波的幅值，k为波数，ω为角频率，
[0101]
[0102] 根据公式(1)-(3)可得
[0103]
[0104] 公式中(4)中u(x,t)为接收探头铂铑合金高频绕组3测量得到的信号，k为波数，ω为角频率，设基波幅值A1＝A0，二次谐波幅值 则超声非线性系数β为
[0105]
[0106] 本发明适用于金属高温连铸坯8的在线检测，检测高温连铸坯8是否存在内部缺陷，通过在壳体1的流道6内不断通入循环冷却液，从而冷却靠近高温连铸坯8的探头，延长探头的使用寿命，并且该探头均采用耐高温的结构和材料，可以和高温连铸坯8靠得更近，从而提高本装置的换能效率和信号的稳定性。
[0107] 铂铑合金高频绕组3采用铂铑合金丝双根并绕而成，双根并绕绕组使激发超声波的声场更为集中，便于缺陷的定位与量化；双根并绕也便于用作测温电路的热电偶。
[0108] 铂铑合金丝高频绕组3相比一般铜导线制作的高频绕组更耐高温；由于铂铑合金丝具有热电偶性能，因此可连接测温电路用于测量铂铑合金高频绕组3的温度，根据测量温度可适当调整探头的距离；还可根据铂铑合金的电阻与温度的比例关系测量高频绕组的电阻，根据高频绕组电阻的变化适时调整高频发射器102和高频接收器202的内阻，使高频发射器102和高频接收器202的功率都处于最大状态，保证高频发射器102和高频接收器202信号的稳定性，同时也提高了本装置的换能效率。
[0109] 三氧化二铝粉末填料2与三氧化二铝陶瓷底7都属于耐高温的材料，在高温连铸坯8与铂铑合金高频绕组3之间起到隔热作用。
[0110] 工作原理：信号发生系统100的直流电源一101施加直流电压给发射探头的直流绕组5，发射探头的直流绕组5和铁芯4产生静态偏置磁场，该静态偏置磁场的磁力线穿过高温连铸坯8；
[0111] 高频发射器102发射高频交变信号给铂铑合金高频绕组3，铂铑合金高频绕组3产生高频交变磁场，该高频交变磁场的磁力线穿过高温连铸坯8；
[0112] 高温连铸坯8在高频交变磁场的作用下产生交变感应
涡流，该交变感应涡流在发射探头的静态偏置磁场的作用下产生超声波基波，该超声波基波在高温连铸坯8中传播遇到高温连铸坯8的缺陷质点产生超声波谐波，该超声波谐波与该超声波基波叠加产生超声波复合波；
[0113] 信号接收系统200的直流电源二201施加直流电压给接收探头的直流绕组5，接收探头的直流绕组5和铁芯4产生静态偏置磁场，该静态偏置磁场的磁力线穿过高温连铸坯8；
[0114] 高温连铸坯8的质点在接收探头产生的静态偏置磁场中作超声波复合波振动，该振动产生高频交变涡流，该交变涡流产生高频交变磁场，该高频交变磁场穿过接收探头201的铂铑合金高频绕组3，在铂铑合金高频绕组3的两端感应出高频交变电压；
[0115] 高频接收器202拾取接收探头的铂铑合金高频绕组3的高频交变电压信号；
[0116] 调制解波器204接收高频接收器202的高频交变信号，并将高频交变信号进行处理。该交变信号包括超声波基波和谐波，由于基波和谐波的频率不一样，可通过
高通滤波器分离出其中的基波与谐波，并将基波与谐波信号分别进行放大；
[0117] 高阶弹性模量原位表征装置205包括信号选择器、示波器、电脑。调制解波器204连接信号选择器，信号选择器连接示波器可分析基波和谐波的幅值、频率、时间、波数、传播距离，最后通过电脑得到信号分析结果。
