CN103257184A - 一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法，本发明涉及电磁超声无损检测领域，本发明解决了现有线聚焦电磁超声斜入射体波换能器无法实现超声波单向发射，以及金属内部缺陷的检测准确性低问题，本发明所述一号线圈与二号线圈水平叠加设置，且一号线圈与二号线圈均置于永磁体正下方，一号线圈的首端到聚焦线的距离与二号线圈的首端到聚焦线上同一点距离的差为通入该两个线圈的正弦信号波长的1/4，一号线圈与二号线圈长度相同，每个线圈中相邻导线部分到聚焦线上同一点的距离的差为发射电路所发射的正弦信号的波长的1/2；本发明适用于电磁超声无损检测。

Description

一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法

技术领域

本发明涉及电磁超声无损检测领域，具体说就是一种电磁超声斜入射体波换能器。

背景技术

电磁超声换能器由于具有非接触的特性而广泛应用于高速高温等无损检测领域。电磁超声换能器可以激发多种类型的超声波，包括表面波，体波，水平切边导波，兰姆波等。与压电超声换能器不同，电磁超声换能器激发产生的超声波信号只有微伏级，远低于压电超声的信号强度，而且激发的声波沿双向发射，不利于缺陷位置的检测。其中，电磁超声斜入射体波换能器一般采用曲折线圈结构，通过控制线圈的间距和激发频率来实现不同角度的声波发射与接收。

授权号为ZL200810137485.3，发明名称为《斜入射体波技术钢板自动检测方法及其装置》中提到了一种电磁超声斜入射体波换能器，能够对75mm以下厚度钢板进行检测。也有学者提出了线聚焦的斜入射体波换能器，但是实验发现聚焦侧的效果比较好，但是非聚焦侧也有很强的声波分量，会对缺陷的准确检测造成影响。

申请号为200510091091.5，发明名称为《改进的主脉冲信号过载矫正电磁声换能器》中提出了一种新的电磁超声换能器，使用不同的电磁超声换能器线圈发射和接收超声波，缩短了主脉冲信号的持续时间，减小了两个线圈之间的耦合但是金属内部缺陷的检测准确性低。

但是上述专利没有解决超声波双向发射的问题。

发明内容

本发明为了解决现有线聚焦电磁超声斜入射体波换能器无法实现超声波单向发射，以及金属内部缺陷的检测准确性低问题，提出一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法。

本发明所述一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器，它包括永磁体、一号线圈和二号线圈；

一号线圈与二号线圈水平叠加设置，且一号线圈与二号线圈均置于永磁体正下方；

其特征是：永磁体的充磁方向为垂直充磁；

一号线圈的首端到聚焦点的距离与二号线圈的首端到聚焦线上同一点距离的差为通入该两个线圈的正弦信号波长的1/4，所述聚焦线为换能器在金属内部产生的超声波同相叠加的能量汇聚形成的线

一号线圈与二号线圈长度相同，每个线圈中相邻导线部分到聚焦线上同一点的距离的差为发射电路所发射的正弦信号的波长的1/2；

单向发射电磁超声表面波换能器还包括检测电路和上位机；

检测电路包括发射电路、控制电路、数据采集电路和接收电路；

检测电路的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈的一端，一号线圈的另一端接地，检测电路的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈的一端，二号线圈的另一端接地，检测电路的检测信号输出端连接上位机的检测信号输入端；

发射电路的控制信号输入端连接控制电路的发射控制信号输出端，控制电路的采集控制信号输出端连接数据采集电路的采集控制信号输入端，接收电路的接收信号输出端连接数据采集电路的接收信号输入端，数据采集电路的采集信号输出端连接上位机的采集信号输入端；

所述发射电路的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈的一端，发射电路的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈一端；

采用上述一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器检测金属内部缺陷的方法，该方法的步骤为：

步骤一、将待测金属件置于一号线圈和二号线圈的正下方；

步骤二、控制电路控制发射电路向一号线圈和二号线圈分别通入正弦脉冲信号，使永磁体产生垂直方向的磁场；所述向一号线圈和二号线圈通入的正弦脉冲信号的幅度相同，相位相差90度；

步骤三、在永磁体产生垂直方向的磁场的作用下，待测金属件内感生出涡流波，涡流波在外部静磁场的作用下产生力的作用，引起金属内部质点产生振动并形成超声波，所有质点产生的超声波叠加形成单向线聚焦的超声波；

步骤四、当步骤三中产生的聚焦超声波在金属内部遇到缺陷时被反射回来，采用一号线圈和二号线圈(接收该聚焦的超声波，并输入至接收电路；

步骤五、采用数据采集电路对接收电路接收到的聚焦超声波采集，并发送给上位机；

步骤六、上位机根据设定的聚焦点的位置获得金属件内部缺陷位置，完成金属件内部缺陷的检测。

本发明应用波的叠加原理，最终使得聚焦侧的信号更强且超声波的声束更加集中，使斜入射体波的性能明显提高，使本发明所述的一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器实现超声波单向发射。同时，由于本发明为超声波单向发射的方式，相比于现有技术，本发明的检测波被干扰的可能性降低为双向发射超声波的一半，金属内部缺陷的检测准确率提高了近一倍。

附图说明

图1是本发明所述一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器结构示意图；

图2为检测电路的具体电气示意图；

图3是斜入射体波单向线聚焦的原理示意图；

图4是线圈激励加载示意图；

图5是电磁超声斜入射体波换能器声波覆盖范围示意图；

图6是线聚焦电磁超声斜入射体波换能器声波覆盖范围示意图；

图7是单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器声波覆盖范围示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器，它包括永磁体1、一号线圈2和二号线圈3；

一号线圈2与二号线圈3水平叠加设置，且一号线圈2与二号线圈3均置于永磁体1正下方；

其特征是：永磁体1的充磁方向为垂直充磁；

一号线圈2的首端到聚焦点的距离与二号线圈3的首端到聚焦线上同一点距离的差为通入该两个线圈的正弦信号波长的1/4，所述聚焦线为换能器在金属内部产生的超声波同相叠加的能量汇聚形成的线

一号线圈2与二号线圈3长度相同，每个线圈中相邻导线部分到聚焦线上同一点的距离的差为发射电路所发射的正弦信号的波长的1/2；

单向发射电磁超声表面波换能器还包括检测电路4和上位机5；

检测电路4包括发射电路4-1、控制电路4-2、数据采集电路4-3和接收电路4-4；

检测电路4的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈2的一端，一号线圈2的另一端接地，检测电路4的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈3的一端，二号线圈的另一端接地，检测电路4的检测信号输出端连接上位机5的检测信号输入端；

发射电路4-1的控制信号输入端连接控制电路4-2的发射控制信号输出端，控制电路4-2的采集控制信号输出端连接数据采集电路4-3的采集控制信号输入端，接收电路4-4的接收信号输出端连接数据采集电路4-3的接收信号输入端，数据采集电路4-3的采集信号输出端连接上位机5的采集信号输入端；

所述发射电路4-1的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈2的一端，发射电路的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈3的一端；

本实施方式所述单向发射线聚焦电磁超声斜入射体波换能器依据超声波的叠加原理。以正弦波的叠加和抵消为例，当两路幅值相等的正弦波的相位相差180°时，两列正弦波将出现相互抵消的现象；反之当两列幅值相等的正弦波同相位的时候，二者将出现彼此叠加的现象，即二者将叠加为一个幅值相当于原幅值二倍的正弦波。基于正弦波的叠加和抵消原理，为了使得斜入射体波在一个方向聚焦，在以往线聚焦探头的基础上，采用两个电磁超声换能器线圈，通过控制两个线圈之间的激励信号相位和线圈的间距来实现超声波的单向线聚焦特性，斜入射体波单向线聚焦的原理如图3所示，能够检测出金属内部微小的裂纹缺陷。

根据波的叠加原理，声波的发射角由线圈间距和声波波长决定，通过连续改变每个线圈相邻两部分的间距来使超声波在一定方向聚焦，为了达到更好的聚焦效果可以采用两个发射线圈，两个线圈上下叠放，线圈内导体之间的间距满足以下的条件：聚焦点的位置为(x_F，y_F)。第一部分线圈导线一端的坐标为(x₀，y₀)＝(0，0)。在XOY平面内第i部分线圈导线一端的坐标为(x_i，0)，其与聚焦点的距离为r_i，第i+1根导线的坐标为(x_i+1，0)，其与聚焦点的距离为r_i+1，相邻两根导线与聚焦点之间的距离相差四分之一个波长，这样产生的超声波聚焦在一点，同时由于两个线圈作用产生的超声波会在聚焦侧叠加而在非聚焦侧抵消，最终使得聚焦侧的信号更强且超声波的声束更加集中，使斜入射体波的性能明显提高，使之能够更好地检测微小的裂纹缺陷，线圈的驱动信号具有相同的幅值，通过控制驱动信号的相位差，来得到所期望的单向发射电路。

具体实施方式二：本实施方式为利用具体实施方式一所述的一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器检测金属内部缺陷方法，该方法的具体步骤：

步骤一、将待测金属件置于一号线圈2和二号线圈3的正下方；

步骤二、控制电路4-2控制发射电路4-1向一号线圈2和二号线圈3分别通入正弦脉冲信号，使永磁体1产生垂直方向的磁场；所述向一号线圈2和二号线圈3通入的正弦脉冲信号的幅度相同，相位相差90度；其示意图如图4所示；

步骤三、在永磁体1产生垂直方向的磁场的作用下，待测金属件内感生出涡流，涡流在外部静磁场的作用下产生力的作用，最终引起金属内部质点产生振动并形成超声波，不同质点产生的声波进行叠加形成单向线聚焦的超声波；

步骤四、当步骤三中产生的聚焦超声波在金属内部遇到缺陷时被反射回来时，采用一号线圈2和二号线圈3分别接收该聚焦的超声波，并输入至接收电路4-4；

步骤五、采用数据采集电路4-3对接收电路4-4接收到的聚焦的超声波采集，并发送给上位机；

步骤六、上位机5根据设定的聚焦点的位置获得金属件内部缺陷位置，完成金属件内部缺陷的测量。

本实施方式采用本发明所述方法对金属件的内部缺陷进行测量，其声波覆盖范围如图7所示，从图中可以看出，声波主要集中在聚焦一侧很好的实现了超声波的单向线聚焦效果，对于检测指定深度的缺陷具有良好的效果；同时分别采用普通电磁超声斜入射体波换能器与线聚焦电磁超声斜入射体波换能器对金属件内部缺陷进行测量，其声波覆盖范围分别如图5和图6所示，图5为普通电磁超声斜入射体波换能器声波覆盖范围，超声波沿着设计的角度在金属试件内部沿两侧传播，声束较宽，能够检测两侧的缺陷；图6为线聚焦电磁超声斜入射体波换能器声波覆盖范围，在聚焦侧的声波能量较为集中但是在非聚焦侧仍然有较强的声波分量。且普通电磁超声斜入射体波换能器与线聚焦电磁超声斜入射体波换能器均不能实现超声波单向发射。

Claims (2)

1.一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器，它包括永磁体(1)、一号线圈(2)和二号线圈(3)；

一号线圈(2)与二号线圈(3)水平叠加设置，且一号线圈(2)与二号线圈(3)均置于永磁体(1)正下方；

其特征是：永磁体(1)的充磁方向为垂直充磁；

一号线圈(2)的首端到聚焦点的距离与二号线圈(3)的首端到聚焦线上同一点距离的差为通入该两个线圈的正弦信号波长的1/4，所述聚焦线为换能器在金属内部产生的超声波同相叠加的能量汇聚形成的线

一号线圈(2)与二号线圈(3)长度相同，每个线圈中相邻导线部分到聚焦线上同一点的距离的差为发射电路所发射的正弦信号的波长的1/2；

单向发射电磁超声表面波换能器还包括检测电路(4)和上位机(5)；

检测电路(4)包括发射电路(4-1)、控制电路(4-2)、数据采集电路(4-3)和接收电路(4-4)；

检测电路(4)的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈(2)的一端，一号线圈(2)的另一端接地，检测电路(4)的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈(3)的一端，二号线圈的另一端接地，检测电路(4)的检测信号输出端连接上位机(5)的检测信号输入端；

发射电路(4-1)的控制信号输入端连接控制电路(4-2)的发射控制信号输出端，控制电路(4-2)的采集控制信号输出端连接数据采集电路(4-3)的采集控制信号输入端，接收电路(4-4)的接收信号输出端连接数据采集电路(4-3)的接收信号输入端，数据采集电路(4-3)的采集信号输出端连接上位机(5)的采集信号输入端；

所述发射电路(4-1)的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈(2)的一端，发射电路的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈(3)一端。

2.采用权利要求1所述的一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器检测金属内部缺陷的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、将待测金属件置于一号线圈(2)和二号线圈3的正下方；

步骤二、控制电路(4-2)控制发射电路(4-1)向一号线圈(2)和二号线圈(3)分别通入正弦脉冲信号，使永磁体(1)产生垂直方向的磁场；所述向一号线圈(2)和二号线圈(3)通入的正弦脉冲信号的幅度相同，相位相差90度；

步骤三、在永磁体(1)产生垂直方向的磁场的作用下，待测金属件内感生出涡流波，涡流波在外部静磁场的作用下产生力的作用，引起金属内部质点产生振动并形成超声波，所有质点产生的超声波叠加形成单向线聚焦的超声波；

步骤四、当步骤三中产生的聚焦超声波在金属内部遇到缺陷时被反射回来，采用一号线圈(2)和二号线圈(3)接收该聚焦的超声波，并输入至接收电路(4-4)；

步骤五、采用数据采集电路(4-3)对接收电路(4-4)接收到的聚焦超声波采集，并发送给上位机(5)；

步骤六、上位机(5)根据设定的聚焦点的位置获得金属件内部缺陷位置，完成金属件内部缺陷的测量。

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