CN101788262B - 验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置 - Google Patents

Abstract

验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，涉及一种验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的装置。它解决验证电磁超声机构参数和换能效率仿真关系曲线正确性的问题。它通过调整转台确定线圈与被测试件的相对位置，然后通过轴套上紧固螺丝将转台位置固定，使被测试件不发生相对运动，再通过一号丝杠带动整个装置沿导杆上下移动确定线圈安装架与被测试件的初始位移。调整初始位置后，即可进行提离距离与换能效率验证实验。本发明适用于验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的场合。

Description

验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置

技术领域

本发明涉及一种验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的装置。

背景技术

电磁超声检测技术开始于20世纪60年代，它与传统的压电超声检测技术相比，具有无需表面预处理、无需声耦合剂、检测速度快、传播距离远和能够测量高温物体等优点。然而随着对电磁超声技术研究的不断深入，也发现了它换能效率低的缺点，1％的换能效率使其远远落后于压电超声。目前国内外学者对电磁超声的研究主要集中于检测设备的研发和换能机理的说明，对于如何提高换能器效率的研究少有出现，因此研究提高换能效率的方法对于工程应用具有非常重要的意义。由于电磁超声的换能机理复杂，因此无法完全通过解析的方法得到换能效率与各参数之间准确的关系式。目前国内外学者大都倾向于采用有限元分析方法来计算各参数值，并通过数值方法得到结构参数与换能效率之间的关系曲线。因此如何验证关系曲线的正确性显得尤为重要。目前国内外还没有能够完全验证提离距离、线圈导线长度、线圈导线宽度、磁体宽度、磁体长度和磁铁高度这6个结构参数正确性的实验设备。

发明内容

本发明是为了解决验证电磁超声结构参数和换能效率仿真关系曲线正确性的问题，从而提供一种验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置。

验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，它包括转台、底座、一号顶丝、一号顶丝支架、轴杆、紧固螺栓、轴套、丝母、一号丝杠、二号顶丝、二号顶丝支架、一号微位移传感器、一号丝杠支架、导杆、二号丝杠、二号丝杠支架、两个磁铁安装支架、线圈安装支架、固定架、传动杆和二号微位移传感器；转台的基座固定在底座上；一号丝杠支架上按从左到右的方向依次开有四个孔，所述四个孔沿一号丝杠支架厚度方向开孔，所述轴套、一号丝杠、二号微位移传感器和导杆按从左到右的方向依此穿过这四个孔，所述轴套与一号丝杠支架上的孔过盈配合；丝母固定在一号丝杠所穿过的一号丝杠支架的孔上，一号丝杠与丝母螺纹连接，并穿过一号丝杠支架上的孔与转台的台基外沿接触；二号微位移传感器的主体与一号丝杠支架固定连接；导杆穿过固定架和一号丝杠支架上的孔后与线圈安装支架上端面的中心连接，所述线圈安装支架与一号丝杠支架平行；一号微位移传感器位于轴套的左侧，且所述一号微位移传感器的主体固定在一号丝杠支架上；轴杆的末端穿过轴套，并固定在转台的台面的中心处，且所述轴杆与转台的台面垂直；所述轴杆通过紧固螺栓固定在轴套上；所述轴杆的顶端穿过一号顶丝支架，且与所述一号顶丝支架螺纹连接；一号顶丝穿过一号顶丝支架后与一号微位移传感器的探测端接触，所述一号顶丝与一号顶丝支架螺纹连接；所述一号顶丝支架与一号丝杠支架平行；二号顶丝穿过二号顶丝支架，并与二号微位移传感器的探测端接触，所述二号顶丝与二号顶丝支架螺纹连接；所述二号顶丝支架通过传动杆与二号丝杠支架连接为一体，所述二号丝杠支架与二号顶丝支架相互平行；二号丝杠支架固定在固定架的上端，所述固定架的下端固定在一号丝杠支架上；二号丝杠与二号丝杠支架螺纹连接，所述二号丝杠的底端与导杆的顶端固定连接；两个磁铁安装支架分布在导杆的两侧，且均固定在一号丝杠支架的下表面，所述两个磁铁安装支架均与线圈安装支架相对应；所述两个磁铁安装支架中分别固定有磁体，线圈安装支架中固定有线圈。

本发明用于验证电磁超声探头结构参数与换能效率关系曲线，能够完全验证6个结构参数，验证全面。提离距离的测量精度高，本发明的位移测量精度可达5um。本发明不仅能够验证线圈与试件之间距离变化对换能效率的影响，还能验证磁铁与线圈之间距离变化对换能效率的影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是具体实施方式四的固定架的俯视结构示意图，图3是具体实施方式八的控制部分的原理示意图，图4是具体实施方式十中所述传感器测量电路原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，它包括转台7、底座8、一号顶丝10、一号顶丝支架11、轴杆12、紧固螺栓14、轴套15、丝母16、一号丝杠17、二号顶丝18、二号顶丝支架19、一号微位移传感器20、一号丝杠支架21、导杆22、二号丝杠23、二号丝杠支架24、两个磁铁安装支架25、线圈安装支架26、固定架28、传动杆29和二号微位移传感器30；转台7的基座固定在底座8上；一号丝杠支架21上按从左到右的方向依次开有四个孔，所述四个孔沿一号丝杠支架21厚度方向开孔，所述轴套15、一号丝杠17、二号微位移传感器30和导杆22按从左到右的方向依此穿过这四个孔，所述轴套15与一号丝杠支架21上的孔过盈配合；丝母16固定在一号丝杠17所穿过的一号丝杠支架21的孔上，一号丝杠17与丝母16螺纹连接，并穿过一号丝杠支架21上的孔与转台7的台基外沿接触；二号微位移传感器30的主体与一号丝杠支架21固定连接；导杆22穿过固定架28和一号丝杠支架21上的孔后与线圈安装支架26上端面的中心连接，所述线圈安装支架26与一号丝杠支架21平行；一号微位移传感器20位于轴套15的左侧，且所述一号微位移传感器20的主体固定在一号丝杠支架21上；轴杆12的末端穿过轴套15，并固定在转台7的台面的中心处，且所述轴杆12与转台7的台面垂直；所述轴杆12通过紧固螺栓14固定在轴套15上；所述轴杆12的顶端穿过一号顶丝支架11，且与所述一号顶丝支架11螺纹连接；一号顶丝10穿过一号顶丝支架11后与一号微位移传感器20的探测端接触，所述一号顶丝10与一号顶丝支架11螺纹连接；所述一号顶丝支架11与一号丝杠支架21平行；二号顶丝18穿过二号顶丝支架19，并与二号微位移传感器30的探测端接触，所述二号顶丝18与二号顶丝支架19螺纹连接；所述二号顶丝支架19通过传动杆29与二号丝杠支架24连接为一体，所述二号丝杠支架24与二号顶丝支架19相互平行；二号丝杠支架24固定在固定架28的上端，所述固定架28的下端固定在一号丝杠支架21上；二号丝杠23与二号丝杠支架24螺纹连接，所述二号丝杠23的底端与导杆22的顶端固定连接；两个磁铁安装支架25分布在导杆22的两侧，且均固定在一号丝杠支架21的下表面，所述两个磁铁安装支架25均与线圈安装支架26相对应；所述两个磁铁安装支架25中分别固定有磁体，线圈安装支架26中固定有线圈。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，它还包括限位螺栓13，所述限位螺栓13固定在一号顶丝支架11的右侧面上。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，一号丝杠17的末端为锥状，且其顶点与转台7的台基外沿接触。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，固定架28由固定块281、支撑杆282组成，所述支撑杆282的数量为至少一根，所述支撑杆282均布在固定块281上，且所述支撑杆282的一端固定在固定块281的上表面；固定块281的中心处开有通孔，所述通孔的内径与导杆22相适应。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，一号微位移传感器20与二号微位移传感器30的顶端均为圆锥状，所述一号微位移传感器20的顶点与一号顶丝10的末端接触；二号微位移传感器30的顶点与二号顶丝18的末端接触。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，它还包括电磁超声测量系统，所述电磁超声测量系统包括控制模块41、晶振电路42、一号串行数据接口43和二号串行数据接口44，所述晶振电路42的信号输出端与控制模块41的信号输入端连接；一号微位移传感器20的位移信号输出端通过一号串行数据接口43与控制模块41连接，二号微位移传感器30的位移信号输出端通过二号串行数据接口44与控制模块41连接。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，它还包括显示单元45和键盘46，所述控制模块41的控制信号输出端与显示单元45的控制信号输入端连接；所述控制模块41的控制信号输入端与键盘46的控制信号输出端连接。

具体实施方式八、结合图3说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式七所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，它还包括复位电路47，所述复位电路47的复位信号输出端与控制模块41的复位信号输入端连接。

具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，控制模块41为具有Cortex-M3内核的型号为STM32F103芯片。

具体实施方式十、本具体实施方式与具体实施方式九所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置的区别在于，显示单元45为型号为JM12864F的液晶显示器。

本发明在具体应用时的技术指标为：(1)磁铁和线圈之间以及线圈与被测试件之间的距离分辨率为0.1mm，位移的变化范围5mm；(2)磁铁体积范围可达30mm×30mm×10mm～60mm×60mm×60mm；(3)被测试件包括：1500mm×1000mm×20mm铁板，500mm×150mm×30mm铝板，400mm×100mm×30mm铁板。

技术特点：根据技术指标(1)，本实施方式采用长春光机数显有限公司制作的微位移传感器SGC-W10，这种传感器的分辨率为5μm，测量量程为10mm，可以满足本实施方式的要求，传动方式采用丝杠导杆结构，位移量通过传感器测得。

技术指标(2)中磁铁最大表面积为3600mm²，通过湖南联众公司制造的特斯拉计测得磁铁表面最大静磁场为0.4T，根据电器学公式，可得磁铁与铁板表面的吸引力可达300N。因此为保证不影响铁磁材料测量结果及强度可靠，本具体实施方式采用不锈钢材料制作。

为了满足技术指标(3)中对多个被测试件测量的要求，本实施方式设计成360°可旋转式的，方便实验设备和大型被测试件的摆放。

本具体实施的验证提离距离与换能效率关系曲线方法：将被测试件27放在底座8与线圈安装支架26之间，通过调整转台7确定线圈与被测试件27的相对位置，然后使用轴套15上紧固螺丝14将转台位置固定，使被测试件27不发生相对运动，通过一号丝杠17带动整个装置沿导杆12上下移动，确定线圈安装架26与被测试件27的初始位移。调整初始位置后，可以进行提离距离与换能效率验证实验。缓慢旋转丝杠17力求整个装置平稳上升，通过测量电路液晶显示结果读出被测试件27和线圈26之间的距离变化，另外通过接收电路测量接收到的电压信号幅值即可得到换能效率与提离距离关系曲线，接收电路是指给EMAT探头(线圈)供电的电路。

图4所示为微位移传感器的测量电路：微位移传感器的测量值可以通过这个电路获得，微位移传感器20是用于测量线圈安装支架26中的线圈和被测试件27之间的距离，微位移传感器30是用于测量磁铁安装支架25中的磁体(永磁体)和线圈安装支架26中的线圈之间的距离。它包括驱动电路411、功率放大电路412、匹配电路413、前置放大电路416、滤波电路415和示波器414；控制模块41的信号输出端与驱动电路411的信号输入端连接，所述驱动电路411的信号输出端与功率放大电路412的信号输入端连接；功率放大电路412的信号输出端与匹配电路413的信号输入端连接；匹配电路413的信号输出端与发射线圈连接；接收线圈接收发射线圈的电压信号，所述匹配电路413的信号输入端与接收线圈连接；所述匹配电路413的信号输出端与前置放大电路416的信号输入端连接；前置放大电路416的信号输出端与滤波电路415的信号输入端连接；滤波电路415的信号输出端与示波器414的信号输入端连接。

它的接收线圈和发射线圈为同一线圈，图4中为了示意清楚将其区分为两个部分，接收线圈接收到的信号是线圈上的电压信号，电压信号的平方除以电阻就是接收到的功率，接收功率除以发射功率就是换能效率。设提离距离G，线圈导线长度C_L，线圈导线宽度C_W，磁铁长度M_L，磁铁宽度M_W和磁铁高度M_T，通过改变一号丝杠17，进而通过安装在线圈安装支架26上的EMAT探头(线圈)接收电压的幅值，计算得到换能效率进而验证仿真结果。磁铁安装支架25可以安装不同尺寸的磁铁，同样通过线圈安装支架26上的EMAT探头(线圈)接收电压计算换能效率。线圈安装支架26上安装的EMAT探头(线圈)可以更换不同长度宽度线圈，同样使用相同的方法验证换能效率。

Claims (10)

1.验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征是：它包括转台(7)、底座(8)、一号顶丝(10)、一号顶丝支架(11)、轴杆(12)、紧固螺栓(14)、轴套(15)、丝母(16)、一号丝杠(17)、二号顶丝(18)、二号顶丝支架(19)、一号微位移传感器(20)、一号丝杠支架(21)、导杆(22)、二号丝杠(23)、二号丝杠支架(24)、两个磁铁安装支架(25)、线圈安装支架(26)、固定架(28)、传动杆(29)和二号微位移传感器(30)；转台(7)的基座固定在底座(8)上；一号丝杠支架(21)上按从左到右的方向依次开有四个孔，所述四个孔沿一号丝杠支架(21)厚度方向开孔，所述轴套(15)、一号丝杠(17)、二号微位移传感器(30)和导杆(22)按从左到右的方向依此穿过这四个孔，所述轴套(15)与一号丝杠支架(21)上的孔过盈配合；丝母(16)固定在一号丝杠(17)所穿过的一号丝杠支架(21)的孔上，一号丝杠(17)与丝母(16)螺纹连接，并穿过一号丝杠支架(21)上的孔与转台(7)的台基外沿接触；二号微位移传感器(30)的主体与一号丝杠支架(21)固定连接；导杆(22)穿过固定架(28)和一号丝杠支架(21)上的孔后与线圈安装支架(26)上端面的中心连接，所述线圈安装支架(26)与一号丝杠支架(21)平行；一号微位移传感器(20)位于轴套(15)的左侧，且所述一号微位移传感器(20)的主体固定在一号丝杠支架(21)上；轴杆(12)的末端穿过轴套(15)，并固定在转台(7)的台面的中心处，且所述轴杆(12)与转台(7)的台面垂直；所述轴杆(12)通过紧固螺栓(14)固定在轴套(15)上；所述轴杆(12)的顶端穿过一号顶丝支架(11)，且与所述一号顶丝支架(11)螺纹连接；一号顶丝(10)穿过一号顶丝支架(11)后与一号微位移传感器(20)的探测端接触，所述一号顶丝(10)与一号顶丝支架(11)螺纹连接；所述一号顶丝支架(11)与一号丝杠支架(21)平行；二号顶丝(18)穿过二号顶丝支架(19)，并与二号微位移传感器(30)的探测端接触，所述二号顶丝(18)与二号顶丝支架(19)螺纹连接；所述二号顶丝支架(19)通过传动杆(29)与二号丝杠支架(24)连接为一体，所述二号丝杠支架(24)与二号顶丝支架(19)相互平行；二号丝杠支架(24)固定在固定架(28)的上端，所述固定架(28)的下端固定在一号丝杠支架(21)上；二号丝杠(23)与二号丝杠支架(24)螺纹连接，所述二号丝杠(23)的底端与导杆(22)的顶端固定连接；两个磁铁安装支架(25)分布在导杆(22)的两侧，且均固定在一号丝杠支架(21)的下表面，所述两个磁铁安装支架(25)均与线圈安装支架(26)相对应；所述两个磁铁安装支架(25)中分别固定有磁体，线圈安装支架(26)中固定有线圈。

2.根据权利要求1所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，它还包括限位螺栓(13)，所述限位螺栓(13)固定在一号顶丝支架(11)的右侧面上。

3.根据权利要求1或2所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于一号丝杠(17)的末端为锥状，且其顶点与转台(7)的台基外沿接触。

4.根据权利要求3所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于固定架(28)由固定块(281)、支撑杆(282)组成，所述支撑杆(282)的数量为至少一根，所述支撑杆(282)均布在固定块(281)上，且所述支撑杆(282)的一端固定在固定块(281)的上表面；固定块(281)的中心处开有通孔，所述通孔的内径与导杆(22)相适应。

5.根据权利要求1、2或4所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于一号微位移传感器(20)与二号微位移传感器(30)的顶端均为圆锥状，所述一号微位移传感器(20)的顶点与一号顶丝(10)的末端接触；二号微位移传感器(30)的顶点与二号顶丝(18)的末端接触。

6.根据权利要求5所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于它还包括电磁超声测量系统，所述电磁超声测量系统包括控制模块(41)、晶振电路(42)、一号串行数据接口(43)和二号串行数据接口(44)，所述晶振电路(42)的信号输出端与控制模块(41)的信号输入端连接；一号微位移传感器(20)的位移信号输出端通过一号串行数据接口(43)与控制模块(41)连接，二号微位移传感器(30)的位移信号输出端通过二号串行数据接口(44)与控制模块(41)连接。

7.根据权利要求6所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于它还包括显示单元(45)和键盘(46)，所述控制模块(41)的控制信号输出端与显示单元(45)的控制信号输入端连接；所述控制模块(41)的控制信号输入端与键盘(46)的控制信号输出端连接。

8.根据权利要求7所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于它还包括复位电路(47)，所述复位电路(47)的复位信号输出端与控制模块(41)的复位信号输入端连接。

9.根据权利要求8所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于控制模块(41)为具有Cortex-M3内核的型号为STM32F103芯片。

10.根据权利要求9所述的验证电磁超声结构参数与换能效率仿真结果的实验装置，其特征在于显示单元(45)为型号为JM12864F的液晶显示器。

Images