CN101706266A - 一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁超声无损检测领域，公布了一种能够改善EMAT性能、减小EMAT探头体积和功耗的用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁。目的在于解决现有电磁超声换能器中由于磁铁的存在引发的诸多问题，减小探头体积。用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁是由脉冲电磁铁和脉冲电磁铁驱动电路组成的，其中脉冲电磁铁由骨架和线圈组成，脉冲电磁铁驱动电路由功率脉冲成型电路、功率驱动电路、控制主机和升压电路组成。它能够在EMAT开始工作前的很短时间内建立起强磁场，满足EMAT工作的需求，在EMAT工作结束后，磁场能够很快消失。脉冲电磁铁工作时间短，功耗低、体积小，能够用于低功耗、便携性、铁磁性试件在线检测等场合中。

Description

一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁

(一)技术领域

本发明涉及电磁超声检测技术，具体说就是一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁。

(二)背景技术

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)是一种新型超声发射接收装置。与传统的压电超声换能器相比，具有无需声耦合剂、无需对试件表面进行预处理等优点，有着广阔的应用前景。

EMAT通常由3部分构成：发射、接收线圈，强磁场及试件组成。强磁场是EMAT正常工作的必要条件。强磁场的产生有多种方式，如永磁铁、直流电磁铁和工频交流电磁铁等。这些磁场产生方式虽可有效提供EMAT工作所需的强磁场，但是它们使得探头体积增大，笨重而不便携带，同时还存在许多不足之处：永磁铁磁场较强且恒定不变，在实际应用中常常致使探头难以移动、磨损严重，同时，恒定磁场容易使探头吸附大量铁屑，难以清理；当温度上升到铁磁材料的居里点后，铁磁材料变为顺磁质，永磁铁和电磁铁铁芯的磁性消失，使换能器工作所需的静磁场明显减弱，换能效率显著降低；直流和工频交流电磁铁虽然可以在不使用时关断电源，但是这类电磁铁在设计时一般不考虑动态参数，磁场建立和结束时间很长，在换能器重复工作频率较高时，电磁铁无法有效通断，一般需要电磁铁在换能器重复工作时一直保持通电状态。另外，这类电磁铁在使用过程中电能利用率较低，能量损耗较大，检测装置工作温度较高，长时间工作时不得不考虑散热问题。

脉冲电磁铁由脉冲电流激励，工作时瞬间建立较强的磁场，而工作结束后磁场迅速消失。采用脉冲电磁铁代替永磁铁、直流电磁铁或工频交流电磁铁可以使EMAT体积、重量和功耗显著降低，且便于移动、工作温度范围较大，适合在线、在役、高温、手持设备等场合的应用。

在上世纪中期，Kapitza等人首先使用脉冲技术产生高强磁场，以满足等离子物理、固态物理和高能物理等方面对磁感应强度的需要。此后，在各个高校及科研院所的实验室当中，脉冲电磁铁作为一种重要的科研工具被设计、研制、使用。这种脉冲电磁铁的磁感应强度一般从几十特斯拉至一百特斯拉不等，采用功率可达几十兆瓦的电源供电。其体积一般都比较大，并且为了降温需要，都配备有专用的冷却设施。

脉冲电磁铁应用在电磁超声领域，尚未见相关报道。脉冲电磁铁在EMAT工作开始前能够在极短的时间内建立磁场，在换能器工作结束后磁场能够很快消失。由于超声在金属试件中传播速度很快，实际EMAT工作时间很短(一般小于1ms)，从而使用脉冲电磁铁与普通直流或者交流电磁铁相比功耗能够大大降低。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够改善EMAT性能、减小EMAT探头体积和功耗的用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁。

本发明的目的是这样实现的：它是由脉冲电磁铁和脉冲电磁铁驱动电路组成的，脉冲电磁铁驱动电路连接脉冲电磁铁。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的脉冲电磁铁包括骨架和线圈，线圈绕制在骨架上。

(2)所述的脉冲电磁铁驱动电路包括功率脉冲成型电路、功率驱动电路、控制主机和升压电路，控制主机连接功率驱动电路、功率驱动电路连接功率脉冲成型电路、控制主机连接升压电路、升压电路连接功率脉冲成型电路。

本发明一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁，代替原始的永磁铁、直流或交流电磁铁，可以达到以下效果：能够在EMAT工作开始前瞬间建立起强磁场，满足检测的要求，在工作结束后磁场能够迅速消失，不会造成能量浪费，功耗小，在便携式设备中能够得到良好应用；脉冲电磁铁仅在EMAT工作时提供磁场，由于EMAT工作时间很短，在检测铁磁性试件的过程中，不会由于磁场太强导致移动不方便；脉冲电磁铁仅由骨架和线圈组成，没有使用铁磁性元件，可以在高温状态下工作，能够适应很高温度的检测；脉冲电磁铁不使用铁磁性元件，可以方便改变体积、磁场，设计灵活性高，体积、重量大大减小。

(四)附图说明

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明的用于脉冲电磁铁的电磁超声换能器的总体结构框图；

图3为本发明的应用脉冲电磁铁的电磁超声测厚装置示意图；

图4为本发明的电磁超声测厚装置脉冲电磁铁产生的磁场示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1，本发明一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁，它是由脉冲电磁铁(1)和脉冲电磁铁驱动电路(4)组成的，脉冲电磁铁驱动电路(4)连接脉冲电磁铁(1)。

本发明还有以下技术特征：

所述的脉冲电磁铁(1)包括骨架(2)和线圈(3)，线圈(3)绕制在骨架(2)上。

所述的脉冲电磁铁驱动电路(4)包括功率脉冲成型电路(5)、功率驱动电路(6)、控制主机(7)和升压电路(8)，控制主机(7)连接功率驱动电路(6)和升压电路(8)，功率驱动电路(6)连接功率脉冲成型电路(5)，功率脉冲成型电路(5)连接升压电路(8)。

实施例2，结合图2，一种使用脉冲电磁铁的电磁超声换能器，它是由脉冲电磁铁(9)、脉冲电磁铁驱动电路(14)、电磁超声线圈(12)、试件(13)组成。电磁超声线圈(12)放置在试件(13)上面，脉冲电磁铁(9)放置在电磁超声线圈(12)上面，脉冲电磁铁驱动电路(14)连接脉冲电磁铁(9)。脉冲电磁铁(9)包括骨架(10)和线圈(11)组成。线圈(11)绕制在骨架(10)上。脉冲电磁铁驱动电路(14)由功率脉冲成型电路(15)、功率驱动电路(16)、控制主机(17)、升压电路(18)组成。其中控制主机(17)连接功率驱动电路(16)、功率驱动电路(16)连接功率脉冲成型电路(15)、控制主机(17)连接升压电路(18)、升压电路(18)连接功率脉冲成型电路(15)。

在电路开始工作时，控制主机(17)控制升压电路(18)产生所需高压，此高压可达数百伏，给功率脉冲成型电路(16)提供电源，以产生很高的电流。在EMAT工作开始前，控制主机(17)控制功率驱动电路(16)驱动功率脉冲成型电路(15)在脉冲电磁铁线圈(11)中产生高强电流。脉冲电磁铁线圈为螺线管结构，在通以大电流的情况下，能够在试件(13)中激发很强的磁场，达到检测的要求。由于脉冲电磁铁(9)没有使用铁磁性材料，通过在多匝的螺线管线圈中通过很大的电流来产生磁场，磁场产生时间以及消失时间能够做得很快，相比直流或交流电磁铁功耗能够大大降低。

实施例3，结合图3、图4，一种使用脉冲电磁铁的电磁超声测厚装置是由脉冲电磁铁(21)、电磁超声线圈(22)、试件(23)组成的电磁超声换能器(20)，脉冲电磁铁驱动电路(24)，控制电路(25)，发射及接收电路(26)，主机(27)组成。图4中，脉冲电磁铁线圈(28)、电磁超声线圈(29)、涡流(30)、磁力线(31)、试件(32)，此图为在非铁磁材料中的脉冲电磁铁产生磁场示意图。

当装置开始工作时，由主机给出控制信号给控制电路，控制电路控制脉冲电磁铁驱动电路在脉冲电磁铁线圈中产生很大的电流，瞬间产生高强磁场。随之，控制电路延时一段时间，待磁场稳定后，控制发射电路驱动电磁超声线圈在试件中产生垂直入射的超声波。超声波在试件中传播，遇到端面会发生反射。接收电路在接收完成后，控制电路会控制脉冲电磁铁驱动电路使得脉冲电磁铁中线圈中的电流迅速降至零，保证磁场迅速消失。

Claims (3)

1.一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁，它是由脉冲电磁铁(1)和脉冲电磁铁驱动电路(4)组成的，其特征在于：脉冲电磁铁驱动电路(4)连接脉冲电磁铁(1)。

2.根据权利要求1所述的一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁，其特征在于：所述的脉冲电磁铁(1)包括骨架(2)和线圈(3)，线圈(3)绕制在骨架(2)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁，其特征在于：所述的脉冲电磁铁驱动电路(4)包括功率脉冲成型电路(5)、功率驱动电路(6)、控制主机(7)和升压电路(8)，控制主机(7)连接功率驱动电路(6)和升压电路(8)，功率驱动电路(6)连接功率脉冲成型电路(5)、功率脉冲成型电路(5)连接升压电路(8)。

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