CN113848251B - 一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头、系统及方法，其中探头包括探头壳体；环形刚玉片，设置于探头壳体底部镂空区；环形线圈，设置于环形刚玉片上方；导光臂，对应环形线圈中心位置贯穿探头壳体；约束水膜进水通道，贯穿探头壳体并与导光臂连通；探头基座，位于探头壳体底部，其内设置有水膜冷却通道，且其位于环形线圈下的位置设置有与水膜冷却通道连通的通孔。在表面约束水膜大幅度提升纵波幅值的同时，为被测试件上的换能区域提供瞬态水冷，用于改变被测铁磁性试件的磁致伸缩伸缩系数和BH曲线，提高磁致伸缩效应对纵波接收的贡献比例，提高回波信噪比；解决了常规EMAT探头吸附铁磁性颗粒造成探头损坏、永磁体高温消磁等问题。

Description

一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头、系统及方法

技术领域

本发明涉及铸锻件缺陷检测技术领域，尤其涉及一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头、系统及方法。

背景技术

随着国内制造业的快速发展，我国对高性能大型铸锻件的需求不断增加。由于大型铸锻件生产条件、设备、工艺、操作等各种因素的影响，导致在超高温连铸和锻造过程中不可避免地出现裂纹、气孔、夹杂等严重质量问题。因此，开发一种高信噪比的超高温碳钢铸锻件在线长时间无损监测方法及其系统，对高温大型碳钢铸锻件进行快速、准确地在线缺陷检测和厚度测量，从而及时调整加工工艺参数，修复和抑制缺陷，控制铸锻件尺寸，及时剔除缺陷/尺寸超标件，避免进入下一步工序，具有重要的工程应用价值。

电磁超声换能器(EMAT)具有非接触、无需耦合剂、对工件表面粗糙形貌要求较低等优点，被广泛应用于大型超高温碳钢铸锻件在线无损检测与监测，通常EMAT主要由永磁体、线圈和金属试样组成，通过电磁耦合方式在金属试样中接收超声波。在检测过程中，EMAT表面极易吸附碳钢铸锻件的表面氧化皮和铁磁性颗粒物，若不及时清理，将对EMAT造成永久性损伤，且在居里温度点(769℃)以上的超高温环境下，即使采用耐高温的钐钴永磁体，其剩余磁感应强度也将消失，严重影响着EMAT的换能效率，且在超高温环境下热辐射较大，无法进行持续无损检测与监测，极大地限制了EMAT的广泛工程应用。

目前，关于高温铸锻件在线检测与监测方法及装置的报道主要有以下几个：

专利申请号CN202083674U公开了一种大型热态铸锻件热处理裂纹在线检测装置，通过设置上下左右4个声发射传感器，用于同步记录4个传感器的波形信号的传输时间差，以确定热裂纹在铸锻件中的位置。

专利申请号CN203465240U公开了一种高温连铸坯非接触式激光-电磁超声检测装置，通过对有永磁体式EMAT增加循环水冷装置，对EMAT进行冷却，实现了高温连铸坯的在线检测。

专利申请号CN110530978U公布了一种高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法，通过对导线布置、循环水冷、磁座等进行设计，实现了650℃高温铸锻件的检测。

以上专利通过设计耐高温永磁体式EMAT，实现了高温铸锻件的厚度和内部缺陷的无损检测与定位，虽然具备了高温环境下铸锻件的检测能力，但不能实现长时间持续在线检测与监测，而且高温环境下回波信噪比低。特别是超高温(800℃以上)环境下的永磁体消磁问题对EMAT的换能效率有显著影响，即使采用水/油/空气循环实现对永磁体的冷却，也将导致EMAT探头体积过大，且难以实现持续超高温无损检测与监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头、系统及方法，以解决现有的电磁超声检测技术回波信噪比低及不能实现超高温下持续检测的问题。

第一方面，提供了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，包括：

探头壳体；

环形刚玉片，设置于所述探头壳体底部镂空区；

环形线圈，设置于所述环形刚玉片上方；

导光臂，对应所述环形线圈及环形刚玉片中心位置贯穿所述探头壳体，用于激光源通过；

约束水膜进水通道，贯穿所述探头壳体并与所述导光臂连通；

探头基座，位于所述探头壳体底部，其内设置有水膜冷却通道，且其位于所述环形线圈下的位置设置有与所述水膜冷却通道连通的通孔。

使用该探头时，激光源穿过导光臂垂直照射到被测试件表面，用于激励纵波；同时环形线圈内通入激励信号，以产生静态偏置磁场，同时环形线圈作为接收线圈接收回波信号。通过约束水膜进水通道向激光光斑区域喷水，可形成水膜表面约束，通过表面约束机制，使得沿被测试件厚度方向振动的纵波幅值得以极大程度地加强。同时，通过探头基座内的水膜冷却通道向待测试件上的换能区域提供瞬态水冷，改变待测试件的磁致伸缩伸缩系数和BH曲线，将超高温待测试件的换能区域降至合适的瞬态温度，用于提高磁致伸缩效应对纵波接收的贡献比例，从而达到提高环形线圈的接收检测回波信噪比。该探头没有永磁体，不会出现超过居里温度点导致永磁体磁感应强度消失的情况，可以减小提离距离，进一步提高接收效率，进而实现了探头的小型化设计和持续耐高温无损检测与监测。可以有效解决大厚度、高衰减的超高温碳钢铸锻件的持续无损检测与监测难题。

进一步地，所述探头壳体上设置有进水口和出水口，所述探头壳体与所述导光臂、环形线圈、刚玉片之间的空腔构成循环冷却通道。

冷却水从进水口进入循环冷却通道，在高温环境下，探头内部水循环冷却可维持环形线圈的常温状态，实现环形线圈的持续正常工作，进而确保该探头能在超高温下持续检测。

进一步地，所述环形线圈由多股陶瓷层银线捆绑成一簇绕制而成。

环形线圈经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结制成，在高温环境中，陶瓷层绝缘可靠，不易击穿而形成噪音，银线表面不容易形成氧化层，使得线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，后续电磁超声接收电路的功率分配特性不受影响。

进一步地，所述探头壳体上设置有信号接口，所述环形线圈通过导线与所述信号接口连接。

进一步地，所述探头基座位于所述环形线圈下的位置设置的通孔包括横向喷水孔和纵向喷水孔。横向喷水孔可对环形线圈下方待测试件区域冷却，纵向喷水孔可对探头壳体下方的待测试件区域进行冷却，确保提供瞬态水冷的效果。

进一步地，所述环形线圈通过一层耐高温绝缘胶固定在所述环形刚玉片上。通过设置一层耐高温绝缘胶，可对环形线圈绝缘隔热的作用。

进一步地，所述环形刚玉片由氧化铝制成。具备耐磨、耐水煮、耐腐蚀、耐高温的特征，且具备足够硬度，刚玉片边界设置在探头壳体底部镂空区域，在接触区域涂抹耐高温密封胶。

第二方面，提供了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测系统，包括脉冲激光器、光路系统、脉冲重复触发电路、励磁电路、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机以及如上所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头；

所述光路系统设置于所述脉冲激光器出光方向，所述光路系统正对所述导光臂设置；

所述脉冲重复触发电路、励磁电路、环形线圈、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机依次连接。

经脉冲激光器、光路系统产生的激光源通过探头的导光臂垂直照射在待测试件上，加上探头内部约束水膜进水通道给待测试件表面喷水，构成水膜表面约束，使得沿被测试件厚度方向振动的纵波幅值得以极大程度的加强。同时向环形线圈内通入激励信号以产生偏置磁场，采用探头内部环形线圈及外围电路组合成的EMAT对检测回波信号进行接收，环形线圈内产生感生电压信号。通过探头基座内的水膜冷却通道向待测试件上的换能区域提供瞬态水冷，改变待测试件的磁致伸缩伸缩系数和BH曲线，将超高温待测试件的换能区域降至合适的瞬态温度，用于提高磁致伸缩效应对纵波接收的贡献比例。接收到的感生电压信号经过阻抗匹配滤除直流电压信号，同时为了防止电压幅值过大损坏接收设备和方便拾取小幅值的回波电压信号，需将电压信号进行分压、限幅。感生电压信号经过分压限幅电路后，进入前置放大器，将微弱感生电压信号进行滤波和放大，并经过数据采集卡的模数转换，送入PC机上LabVIEW软件检测界面中，调整阻抗匹配网络、前置放大器参数使得接收到的超声波信噪比达到最佳，这样就接收到了信噪比较高的超声回波信号。

进一步地，所述光路系统包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于改变光斑半径。聚焦透镜设置于激光器与探头之间，通过改变聚焦透镜与被测试样之间的距离改变光斑半径，达到超声波声场指向可控的目的。

第三方面，提供了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测方法，包括：

向环形线圈内通入激励信号，环形线圈作为励磁线圈产生静态偏置磁场；

激光束穿过环形线圈中心并垂直照射到被测试件表面，并同时向激光光斑区域喷水，形成水膜表面约束；

同时向环形线圈下方喷水，为换能区域提供瞬态水冷；

环形线圈同时作为接收线圈接收检测回波信号；

检测回波信号进过阻抗匹配、分压限幅、前置放大、模数转换后传输至PC机，PC机对接收的检测回波信号进行分析，对超高温铁磁性金属铸锻件缺陷进行评判。

本发明基于热弹性激发超声波机制，EMAT接收超声纵波的换能机理，实现了超声波的激励和接收。采用脉冲激光器作为超声波激发源，激光束穿过环形线圈中心照射到被测试件表面，并在被测试件表面产生超声波振动后，沿厚度方向传播；当超声波在遇到铸锻件的下端面或者缺陷时将进行反射，并返回至耐高温陶瓷层银线绕制的环形线圈的下方，并在环形线圈中形成开路感生电压，开路感生电压信号作为超声波被接收；同时结合瞬态水膜冷却用于提高激光-电磁超声纵波检测回波的信噪比。热弹性机制产生超声波属无损范围，即对超高温铸锻件表面不产生烧蚀损伤；通过对检测回波的飞行时间、幅值等信息进行分析，可以对被测试件厚度、内部缺陷等信息进行评判，可以解决大厚度、高衰减的超高温碳钢铸锻件的持续无损检测与监测难题。

本发明提出了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头、系统及方法，具有如下优点：

1)本发明设计了基于表面约束机制提升纵波能量原理和瞬态水冷冷却待测试件及环形线圈提升磁致伸缩贡献比例方法相结合的无永磁体式环形线圈EMAT传感器，相比于激光干涉仪接收超声波，采用环形线圈及外围电路组合成的无永磁体式EMAT作为超声波的接收部分，可以避免激光干涉仪在高温、沙尘等恶劣环境下的检测不稳定性，同时节省了仪器制造成本。

2)本发明提出的方案在保持仪器工作稳定性的基础上可以同时实现大厚度、高衰减的超高温铁磁性金属铸锻件的厚度和内部缺陷的持续在线检测与监测。

3)本发明采用脉冲激光器作为激发源，无永磁体式环形线圈EMAT传感器作为接收源，并采用脉冲反射式检测方法及针对激光-电磁超声的超声波接收系统，使得纵波信噪比更高，测量结果更加精确，极大的改善了传统超高温环境下由于超声波幅值过低、非均匀温度场导致的试样声阻抗差异导致的测量误差。

4)无永磁体式接收EMAT，可有效避免在超高温被测试件检测时，永磁体高温消磁和永磁体吸附构件，导致探头难以移动，同时永磁体相对移动将导致偏置磁场分布不均，以及磁性颗粒吸附造成探头损伤和使用寿命缩短等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于表面约束和热弹性机制的激光产生超声波原理图；

图3是本发明实施例提供的有无水膜约束机制碳钢激光-电磁纵波检测波形示意图；

图4是本发明实施例提供的一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测系统结构示意图；

图5是本发明实施例提供的无永磁体式环形线圈EMAT接收机理原理图；

图6是本发明实施例提供的无永磁体式环形线圈EMAT外围电路示意图。

图中：1-进水口；2-出水口；3-信号接口；4-导光臂；5-探头壳体；6-环形线圈；7-刚玉片；8-约束水膜进水通道；9-探头基座；10-循环冷却通道；11-通孔；16-脉冲激光器；17-光路系统；19-脉冲重复触发电路；20-励磁电路；21-阻抗匹配电路；22-分压限幅电路；23-前置放大器；24-数据采集卡；25-PC机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，第一方面，提供了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，包括：

探头壳体5；

环形刚玉片7，设置于所述探头壳体5底部镂空区；

环形线圈6，设置于所述环形刚玉片7上方；

导光臂4，对应所述环形线圈6及环形刚玉片7中心位置贯穿所述探头壳体5，用于激光源通过；

约束水膜进水通道8，贯穿所述探头壳体5并与所述导光臂4连通；

探头基座9，位于所述探头壳体5底部，其内设置有水膜冷却通道，且其位于所述环形线圈6下的位置设置有与所述水膜冷却通道连通的通孔11。

使用该探头时，激光源穿过导光臂4垂直照射到被测试件表面，用于激励纵波；同时环形线圈6内通入激励信号，以产生静态偏置磁场，同时环形线圈6作为接收线圈接收回波信号。

如图2所示，激光束垂直照射在被测试件表面时，被测试件表面迅速吸收激光的能量，从而导致局部温度迅速升高，被测试件金属表面将产生以光斑中心为中心的局部非均匀温度场，非均匀温度场将导致金属产生热膨胀效应，热膨胀导致被测试件内部产生应力、应变，使得金属表面粒子振荡，由于激光束是高频、周期性的产生非均匀温度场，因此，金属表面粒子振荡也是周期性的，并在铸锻件内部以超声波的形式传播。其产生的超声波既有沿厚度方向入射的纵波，又有沿与厚度方向呈30°～60°角传播的横波和沿铸锻件表面传播的表面波。由于激光超声的多模式性质也使得金属粒子的振动方向是多种多样的。若在被测试件表面施加向下的压力，则可以对金属粒子沿纵向的振动起到很好的约束作用，使得金属粒子沿纵向的振动能够更高效的传导到试样内部，从而使得纵波能量得到极大的增强。因此，通过约束水膜进水通道8向激光光斑区域喷水，可形成水膜表面约束，通过表面约束机制，使得沿被测试件厚度方向振动的纵波幅值得以极大程度的加强。图3所示，为有无水膜约束机制碳钢激光-电磁纵波检测波形示意图，从对比图中可以看出，加入水膜表面约束机制后，接收到的纵波幅值都显著提高，而且接收到的超声波信号的信噪比也能明显提高。

同时，通过探头基座9内的水膜冷却通道向待测试件上的换能区域提供瞬态水冷，改变待测试件的磁致伸缩伸缩系数和BH曲线，将超高温待测试件的换能区域降至合适的瞬态温度，用于提高磁致伸缩效应对纵波接收的贡献比例，从而达到提高环形线圈6的接收检测回波信噪比。该探头没有永磁体，不会出现超过居里温度点导致永磁体磁感应强度消失的情况，可以减小提离距离，进一步提高接收效率，进而实现了探头的小型化设计和持续耐高温无损检测与监测。可以有效解决大厚度、高衰减的超高温碳钢铸锻件的持续无损检测与监测难题。

优选地，所述探头壳体5上设置有进水口1和出水口2，所述探头壳体5与所述导光臂4、环形线圈6、刚玉片7之间的空腔构成循环冷却通道10。冷却水从进水口1进入循环冷却通道10，在高温环境下，探头内部水循环冷却可维持环形线圈6的常温状态，实现环形线圈6的持续正常工作，进而确保该探头能在超高温下持续检测。实施时，循环冷却通道10、约束水膜进水通道8和水膜冷却通道分别与各自独立的水冷系统连通。

本实施例中，所述环形线圈6由多股涂抹陶瓷涂层的银线捆绑成一簇绕制而成。环形线圈6经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结制成，在高温环境中，陶瓷层绝缘可靠，不易击穿而形成噪音，银线表面不容易形成氧化层，使得线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，后续电磁超声接收电路的功率分配不受影响。

所述探头壳体5上设置有信号接口3，所述环形线圈6通过耐高温的导线与所述信号接口3连接，信号接口为BNC接口。

本实施例中，所述探头基座9位于所述环形线圈6下的位置设置的通孔11包括横向喷水孔和纵向喷水孔。横向喷水孔可对环形线圈6下方待测试件区域冷却，纵向喷水孔可对探头壳体5下方的待测试件区域进行冷却，确保提供瞬态水冷的效果。实施时，探头基座9可选择为一环形的整体，其内的水膜冷却通道也是一环形通道，进行环形喷水；也可选择相对设置的两个部分，由两个彼此独立的半探头基座9，两个半探头基座9内均设置水膜冷却通道，与两个水膜冷却通道连通的横向喷水孔相对设置。

本实施例中，所述环形线圈6通过一层耐高温绝缘胶固定在所述环形刚玉片7上。通过设置一层耐高温绝缘胶，可对环形线圈6绝缘隔热的作用。所述环形刚玉片7由氧化铝制成。具备耐磨、耐水煮、耐腐蚀、耐高温的特征，且具备足够硬度，刚玉片7边界设置在探头壳体5底部镂空区域，在接触区域涂抹耐高温密封胶。钢玉片不仅可以避免环形线圈6与超高温被测试件直接接触造成线圈损坏，还可以使用耐高温绝缘胶对线圈进行固定，以及与探头壳体5密封防止水流泄漏。探头壳体5、探头基座9、导光臂4均为黄铜制成。

实施例2

如图4所示，本实施例提供了一种超高温铸锻件在线检测系统，包括脉冲激光器16、光路系统17、脉冲重复触发电路19、励磁电路20、阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23、数据采集卡24、PC机25以及如上所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头；

所述光路系统17设置于所述脉冲激光器16出光方向，所述光路系统17正对所述导光臂4设置；

所述脉冲重复触发电路19、励磁电路20、环形线圈6、阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23、数据采集卡24、PC机25依次连接。

经脉冲激光器16、光路系统17产生的激光源通过探头的导光臂4垂直照射在待测试件上，加上探头内部约束水膜进水通道8给待测试件表面喷水，构成水膜表面约束，使得沿被测试件厚度方向振动的纵波幅值得以极大程度的加强。同时向环形线圈6内通入激励信号以产生静态偏置磁场，采用探头内部环形线圈6及外围电路组合成的EMAT对检测回波信号进行接收，环形线圈6内产生感生电压信号。通过探头基座9内的水膜冷却通道向待测试件上的换能区域提供瞬态水冷，改变待测试件的磁致伸缩伸缩系数和BH曲线，将超高温待测试件的换能区域降至合适的瞬态温度，用于提高磁致伸缩效应对纵波接收的贡献比例。接收到的感生电压信号经过阻抗匹配滤除直流电压信号，同时为了防止电压幅值过大损坏接收设备和方便拾取小幅值的回波电压信号，需将电压信号进行分压、限幅。感生电压经过分压限幅电路22后，进入前置放大器23，将微弱感生电压信号进行滤波和放大，并经过数据采集卡24的模数转换，送入PC机25上LabVIEW软件检测界面中，调整阻抗匹配网络、前置放大器23参数使得接收到的超声波信噪比达到最佳，这样就接收到了信噪比较高的超声回波信号。

如图5所示，为本发明所设计的无永磁体式环形线圈EMAT换能机理，当激光束辐射于被测试件表面产生纵波并经底面反射回表面后，采用无永磁体式环形线圈EMAT进行纵波的接收。无永磁体式环形线圈EMAT的外围电路提供励磁电流，用于产生静态偏置磁场，此时环形线圈6产生的偏置磁场主要为r分量，纵波振动为z方向，根据电磁感应定律，粒子振动做切割磁感线的运动，在被测试件表面产生源电流密度，进而在环形线圈6中产生感生电压。

实施时，所述光路系统17包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于改变光斑半径。光路系统17将点光源精确穿过探头中心引导至被测试样表面，避免了光源直接照射位置偏差导致的激光反射对周围环境的危害。同时，由于激光源为点源，其光斑半径对超声波声场指向具有重要影响，可通过调整聚焦透镜与被测试样之间的距离改变光斑半径，使得超声波声场指向稳定可控。

如图6所示，脉冲重复触发电路19、励磁电路20、阻抗匹配电路21、分压限幅电路22、前置放大器23构成外围电路。MOS管及其脉冲触发电路构成脉冲重复触发电路19，直流电压和充电电容构成励磁电路20。接收显示设备为数据采集卡24以及安装有LabVIEW电磁超声信号采集界面的PC机25。脉冲触发电路产生方波信号对MOS管进行周期性导通，MOS管的周期性导通与断开使得电容C2处于放电和充电两种状态，通过调整MOS管断开时间，可以保证电容C2充电饱和，从而保证了其在放电过程中的稳定性，能够给环形线圈6提供幅值足够大和持续时间足够长的励磁电流，保证了静态偏置磁场强度，用于提高无永磁体式环形线圈EMAT的接收效率。由于传输线中存在寄生电容和电感、纵波超声的频谱特性和环形线圈EMAT的阻抗特性等，需要进行阻抗匹配以使环形线圈6接收到的感生电压能够最大程度地输出。阻抗匹配电路21由电容C1和电感L1组成。电容C1由一系列独立的电容组成，电感L1为一系列独立的电感组成，设置开关可以使不同参数的电容和电感参与组成阻抗匹配电路21，使其阻抗与环形线圈6的等效阻抗满足共轭匹配要求，此时电路输出功率最大，即超声波信噪比最高。根据电容C3的隔直通交特性，滤除高频直流电，防止其直接进入前置放大器23造成器件损坏，并保证小幅值的超声波顺利通过。为了保护后续电路不至于被励磁电流损坏，采用R2、R3电阻与两个二极管并联将感生电压进行分压、限幅，随后进入前置放大器23进行放大滤波处理后将信号输出。以上所述便是无永磁体式环形线圈EMAT外围电路的设计，以上电路与环形线圈6组合即为无永磁体式环形线圈EMAT接收装置。选用直流电压和充电电容组成的励磁电路20可以在被测试件内表面产生静态偏置磁场的优点在于避免了传统的永磁体在超高温环境下的磁感应强度消失所造成的静态偏置磁场不稳定等问题，氧化层和磁性颗粒吸附等问题，提升EMAT接收效率和超声波信号信噪比。在超声波接收过程中，环形线圈6接收到感应电压信号通过信号接口3输入至超声波接收电路，经LC阻抗匹配，电容电阻分压限幅和前置放大器23的放大处理以达到增强超声回波信噪比、改善超声探测盲区和保护后续电路元器件的目的。

本发明所采用的脉冲激光器16为输出能量可调的纳秒级脉冲激光器，脉冲激光器16输出能量由激发电压来控制，可根据现场情况进行调整激光光斑能量大小。脉冲激光器16在发射激光束的同时，将给数据采集卡24和无永磁体式环形线圈EMAT的外围电路提供一个同步触发信号，一方面用于保证数据采集卡24的同步数据采集，另一方面用于同步触发无永磁体式环形线圈EMAT外围电路的励磁电流，用于提供静态偏置磁场。本实施例所用脉冲激光器16光斑半径为4mm，最大输出能量可达650mJ，脉冲重复频率为10Hz，脉冲持续时间为8ns，激发出的超声波频率在1MHz左右。

实施例3

本实施例提供了一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测方法，可基于实施例2提供的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测来实现，具体步骤包括：

向环形线圈6内通入激励信号，环形线圈6作为励磁线圈产生静态偏置磁场；

激光束穿过环形线圈6中心并垂直照射到被测试件表面，并同时向激光光斑区域喷水，形成水膜表面约束；

同时向环形线圈6下方喷水，为换能区域提供瞬态水冷；

环形线圈6同时作为接收线圈接收检测回波信号；

检测回波信号进过阻抗匹配、分压限幅、前置放大、模数转换后传输至PC机25，PC机25对接收的检测回波信号进行分析，对超高温铁磁性金属铸锻件缺陷进行评判。

本发明基于热弹性激发超声波机制，EMAT接收超声纵波的换能机理，实现了超声波的激励和接收。采用脉冲激光器16作为超声波激发源，采用耐高温陶瓷层银线绕制的环形线圈6以及外围电路作为超声波接收系统，同时结合瞬态水膜冷却用于提高激光-电磁超声纵波检测回波的信噪比，用以解决大厚度、高衰减的超高温铁磁性金属碳钢铸锻件的持续无损检测与监测难题。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

本发明的方案具有优点：

1)本发明采用基于表面约束机制的脉冲激光激励超声纵波的方法，在激光激励超声时，利用水膜形成的表面约束机制，相当于对金属试样表面施加向下的压力，可以对金属粒子沿纵向的振动起到很好的约束作用，一方面可以提高激光所激励的纵波幅值，另一方面可以缩短主冲击脉冲宽度和减小主冲击脉冲幅值。

2)在1)中表面约束水膜大幅度提升纵波幅值的同时，采用水循环冷却系统，在冷却环形线圈6的同时，为环形线圈6在被测试件上的换能区域提供瞬态水冷，用于改变被测铁磁性金属试件的磁致伸缩伸缩系数和BH曲线，将超高温被测试件的换能区域降至合适的瞬态温度，用于提高磁致伸缩效应对纵波接收的贡献比例，从而使得无永磁体式环形线圈EMAT的接收效率达到最大化，构成一种高信噪比的超高温激光电磁超声传感器及其在线监测系统，采用脉冲反射式的检测方式，可以实现对大厚度、高衰减的超高温铁磁性金属铸锻件的厚度和内部缺陷的持续在线检测与监测。

3)通过1)、2)使得纵波信噪比达到最大化后，采用耐高温陶瓷层银线绕制的环形线圈及其外围电路组合成的无永磁体式EMAT作为接收部分，不仅可以长时间靠近超高温铁磁性金属铸锻件表面，延长了持续检测时间，缩短了提离距离，而且避免永磁体的存在导致EMAT探头过大，实现了高温EMAT探头的小型化，解决了常规EMAT探头在检测过程中吸附铁磁性颗粒造成探头损坏、永磁体高温环境下消磁导致检测能力下降、断磁困难难以实现快速扫查等问题。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，其特征在于，包括：

探头壳体；

环形刚玉片，设置于所述探头壳体底部镂空区；

环形线圈，设置于所述环形刚玉片上方；

导光臂，对应所述环形线圈及环形刚玉片中心位置贯穿所述探头壳体，用于激光源通过；

约束水膜进水通道，贯穿所述探头壳体并与所述导光臂连通；

探头基座，位于所述探头壳体底部，其内设置有水膜冷却通道，且其位于所述环形线圈下的位置设置有与所述水膜冷却通道连通的通孔；

所述探头壳体上设置有进水口和出水口，所述探头壳体与所述导光臂、环形线圈、刚玉片之间的空腔构成循环冷却通道；

所述探头基座位于所述环形线圈下的位置设置的通孔包括横向喷水孔和纵向喷水孔。

2.根据权利要求1所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，其特征在于，所述环形线圈由多股陶瓷层银线捆绑成一簇绕制而成。

3.根据权利要求1所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，其特征在于，所述探头壳体上设置有信号接口，所述环形线圈通过导线与所述信号接口连接。

4.根据权利要求1所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，其特征在于，所述环形线圈通过一层耐高温绝缘胶固定在所述环形刚玉片上。

5.根据权利要求1所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头，其特征在于，所述环形刚玉片由氧化铝制成。

6.一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测系统，其特征在于，包括脉冲激光器、光路系统、脉冲重复触发电路、励磁电路、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机以及如权利要求1至5任一项所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测探头；

所述光路系统设置于所述脉冲激光器出光方向，所述光路系统正对所述导光臂设置；

所述脉冲重复触发电路、励磁电路、环形线圈、阻抗匹配电路、分压限幅电路、前置放大器、数据采集卡、PC机依次连接。

7.根据权利要求6所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测系统，其特征在于，所述光路系统包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于改变光斑半径。

8.一种超高温铁磁性金属铸锻件在线检测方法，其特征在于，采用如权利要求6所述的超高温铁磁性金属铸锻件在线检测系统实现，包括：

向环形线圈内通入激励信号，环形线圈作为励磁线圈产生静态偏置磁场；

激光束穿过环形线圈中心并垂直照射到被测试件表面，同时向激光光斑区域喷水，形成水膜表面约束；

同时向环形线圈下方喷水，为换能区域提供瞬态水冷；

环形线圈同时作为接收线圈接收检测回波信号；

检测回波信号经过阻抗匹配、分压限幅、前置放大、模数转换后传输至PC机，PC机对接收的检测回波信号进行分析，对超高温铁磁性金属铸锻件的缺陷进行评判。

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