CN103831227B - 一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，可用于导体材料的超声波探伤检测，属于无损检测技术领域。阵列磁铁等距变化驱动系统的主要功能为换能器的电气系统提供可变磁铁间距（即可变波长）的偏置磁场；本发明通过改变波长同时改变激励频率的SH模态磁铁阵列式EMAT换能器能够更好地适应的检测要求，可以根据实际的检测要求对换能器进行调整。因而，具有更强的适应性和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，可用于导体材料的超声波探伤检测，属于无损检测技术领域。
背景技术
超声换能器是一种能够把高频电能转化为机械能从而发射超声波，再利用其逆效应将机械能转化为电能从而实现接收超声波的检测装置。目前，用于无损检测技术领域的超声波换能器主要有压电换能器（PZT或PVDF）和电磁超声换能器(ElectromagneticAcousticTransducer，简称EMAT)等。
EMAT换能器是一种在导体中激励和接收超声波的换能装置。非铁磁性材料中超声波的产生和接收可以用洛伦兹力(Lorentz)原理来解释；而铁磁性导体中除Lorentz力外，还存在磁致伸缩效应。
EMAT换能器与其它常规超声换能器相比，其不需要耦合剂，既可以实现常规超声的各种检测功能，还可以应用于一些常规超声无法检测的场合，如高温环境，带保温层、屏蔽层的试件检测等。由于其在检测过程中可以不与被检材料表面直接接触、且无需加入声耦合剂、检测速度快、重复性好、耐高温、适宜对特殊形状材料的检测等优点而受到越来越多的关注。
EMAT换能器根据磁铁和线圈空间布置方式的不同，可用于产生体波和导波，其中，导波主要包括瑞利（Rayleigh）波、兰姆（Lamb）波和水平剪切（Shearhorizontal简称SH）波。
SH模态EMAT换能器可以在试件中发射和接收SH波，该导波沿发射方向在整个试件板厚中传播，可以实现对试件大面积快速扫查，且具有非常好的指向性。另外，SH波中的SH0模态具有非常好的性质，就是对同一厚度的同种材料的试件而言，其相速度随激励频率的改变变化很小，基本保持恒定。
SH模态EMAT换能器通常由线圈、偏置磁场、外壳、接口以及适当的阻抗匹配系统组成。其中，偏置磁场的配置主要有永磁体阵列式、直流电磁场、脉冲电磁场等方式。因为，永磁体阵列式具有结构紧凑，制造容易，成本较低，在工程中应用较为广泛；其余两种主要用于大型的检测装置中。
但是，由于原有永磁体阵列式SH模态EMAT换能器不能改变波长，缺少调节上的灵活性，在实际检测时不能适应多种被测对象。
发明内容
本发明提出变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其原因在于：1、SH波沿发射方向在整个试件板厚中传播，随着板厚的增加，SH波在传播过程中的衰减幅度也会增加，传播的距离将缩短，甚至不能达到检测要求。2、由于原有的磁铁阵列式换能器，磁铁宽度一经选定，SH波的波长就随之确定，波长λ就是两块磁铁的宽度之和；又由于对同一厚度的同种材料的试件而言，其相速度vp也是确定的。因此，根据频率f=vp/λ，激励脉冲的中心频率也就随之确定了。即对同一厚度的同种材料的试件而言，激励脉冲的中心频率和波长都是确定的，缺少调节的灵活性。3、由于低频超声波具有更好的传播能力，在试件中会产生更小幅度的衰减，能够在试件中传播更远的距离。当试件确定之后，相速度就确定了，要想降低激励脉冲的中心频率，就需要增加波长。
本发明的目的在于提供一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，使其在实际检测中具有更强的适应性和灵活性。
本发明提出的变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器包括机械系统和电气系统；换能器的机械系统包括外壳、内六角圆柱头螺钉、PVC保护膜、端盖、耐磨套、过线槽和阵列磁铁等距变化驱动系统；电气系统包括BNC接头、PCB、电容、导线。
阵列磁铁等距变化驱动系统包括短连杆、螺纹销、光销、长连杆、长连杆、短连杆、前拉块、六角螺母、六角头螺栓、沉头螺纹销、铷铁硼磁铁、滑块、后拉块。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
本发明通过改变波长同时改变激励频率的SH模态磁铁阵列式EMAT换能器能够更好地适应的检测要求，可以根据实际的检测要求对换能器进行调整。因而，具有更强的适应性和灵活性。
附图说明
图1为超声换能器的装配图。
图2为超声换能器装配图的等轴侧视图。
图3为阵列磁铁等距变化驱动系统等轴侧视图。
图4为阵列磁铁等距变化驱动系统侧面视图。
图5为阵列磁铁等距变化驱动系统后视图。
图6为内部连线系统示意图。
图7为超声换能器的电气原理图。
图8为PCB正反面图。
图9为超声波换能器与其它仪器连接方法一（自发自收）。
图10为超声波换能器与其它仪器连接方法二（一发一收）。
图11为超声波换能器与其它仪器连接方法三（自发自收）。
图12为超声波换能器与其它仪器连接方法四（一发一收）。
图13为超声波换能器与其它仪器连接方法五（自发自收）。
图14为超声波换能器与其它仪器连接方法六（一发一收）。
图15为阵列磁铁间距伸缩状态变化比较。
图16为波长为12.6时对厚度为1mm，长为2.4m铝板采用自激励/自接收方式的检测结果。
图17为波长为15.6时对厚度为1mm，长为2.4m铝板采用自激励/自接收方式的检测结果。
图中：1、外壳，2、BNC接头，3、内六角圆柱头螺钉，4、PVC保护膜，5、短连杆A，6、端盖，7、螺纹销，8、光销，9、长连杆A，10、长连杆B，11、短连杆B，12、前拉块，13、电容，14、导线，15、耐磨套，16、六角螺母，17、六角头螺栓，18、沉头螺纹销，19、铷铁硼磁铁，20、滑块，21、PCB，22、过线槽，23、后拉块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提出的变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器包括机械系统和电气系统(如图1、图2)；换能器的机械系统包括外壳1、内六角圆柱头螺钉3、PVC保护膜4、端盖6、耐磨套15、过线槽22和阵列磁铁等距变化驱动系统；电气系统包括BNC接头2、PCB21、电容13、导线14。
阵列磁铁等距变化驱动系统（如图3、图4）包括短连杆A5、螺纹销7、光销8、长连杆A9、长连杆B10、短连杆B11、前拉块12、六角螺母16、六角头螺栓17、沉头螺纹销18、铷铁硼磁铁19、滑块20、后拉块23。
具体而言，两块铷铁硼磁铁19极性相反地固定在滑块20底部构成一组偏置磁场，设滑块20的数量为n，即偏置磁场的组数为n，且n为偶数，n/2为偏置磁场对数，磁铁极性交错排布（如图5），交错磁铁排列方式可采用单列或其它多列排布形式，由PCB21的线圈绕制方式决定。
长连杆A9和长连杆B10开有直线排列的三个孔，位于两端的孔与位于中部孔的距离相等，长连杆A9和长连杆B10交叉，二者中间的孔由螺纹销7连接，组成斜十字形“X”状，即构成了长连杆组件；两组“X”状长连杆组件的两端孔再用光销8铰接在一起，光销8铰接后的外露端可插入滑块20的侧面腰形槽内，从而拨动滑块20平动，滑块20的两侧面各具有两个腰形滑槽；将各组斜十字形长连杆组件相互交联，形成斜十字形组即“XXX”状结构，使各光销8的外露端位于同一侧；两组斜十字形组即“XXX”状结构与前拉块12、后拉块23两侧孔分别通过短连杆A5、短连杆B11连接，且保证光销8的外露端对应插入滑块20的侧面腰形槽内；所述短连杆A5、短连杆B11上开有两个孔，该两孔距与长连杆A9或长连杆B10上的中间孔距两端孔距离相等；短连杆A5与长连杆B10一端通过光销8铰接，短连杆B11与长连杆A9一端也通过光销8铰接，铰接后的外露端用于插入滑块20的侧面腰形槽内，从而拨动滑块20平动；短连杆A5、短连杆B11的另一端通过沉头螺纹销18铰接在前拉块12上；后拉块23的铰接方式与前拉块12相同；所述各斜十字形组即“XXX”状结构中，垂直对应铰接点处的光销8外露端需插入同一个滑块20的侧面腰形槽内，使铷铁硼磁铁19位于同一方向，并且需保证铷铁硼磁铁19为交错排列方式；以上组成阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构和驱动机构。
连杆机构中的后拉块23用内六角圆柱头螺钉3固定在外壳1内，铷铁硼磁铁19应位于外壳1的底部，前拉块12与穿过耐磨套15的六角头螺栓17相连，并用六角螺母16锁紧，六角头螺栓17上的另外一个六角螺母16与耐磨套15端面相邻，依靠磁铁相互引力可使六角螺母16与耐磨套15端面始终保持接触；此时，通过旋转与耐磨套15端面相邻的六角螺母16，即可拉动内部的阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构，从而改变磁铁间距。
电气系统（如图6）包括BNC接头2、PCB21、电容13、导线14；其中，BNC接头2固定在外壳1上，电容13的两个引脚分别与PCB21上的两个焊盘通过导线14连接，再从PCB21上的两个焊盘用导线14分别与BNC接头2的外壳和芯部端子相连；PCB21上的线圈（如图8），为双面印刷电路，成螺旋状；PCB21固定在外壳1底部，与铷铁硼磁铁19相邻；在外壳1底部PCB21外侧装上PVC保护膜4，用于保护内部的PCB21，防止其在使用中划伤；在滑块20上方凹槽内加入过线槽22，可将导线放在槽内，防止阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构运动时刮断或刮伤导线；在外壳1顶部装上端盖6，用内六角圆柱头螺钉3连接。
该换能器与信号源的接线原理图如图7所示，信号源可在PCB21中形成具有设定的中心频率的脉冲电流。当该换能器PCB21与导电的被测材料接近时，就会在导电的被测材料内形成与PCB21内电流方向相反的感生电流，感生电流在偏置磁场的作用下，会产生洛伦兹力，根据左手定则可判断其方向。
由于铷铁硼磁铁19在换能器内部N、S极交替变化排布，被测材料中的洛仑兹力的方向在任意相邻的两磁铁底部的被测材料中方向相反，且都平行于被测材料表面，垂直于电流方向；当PCB21内电流方向改变时，所有被测材料中的洛伦兹力方向均变为与原来受力方向相反，如此往复，在设定好中心频率的激励脉冲作用下，通过被测材料内洛伦兹力方向改变，就会在被测材料内形成与激励脉冲中心频率一致的周期性振动，以SH波的形式在被测材料中传播，波长为相邻两排磁铁中心距离的两倍；SH波当遇到端面或缺陷就会发生反射，回波可由换能器PCB21接收，转化为电信号，经放大滤波处理后输出到示波器或其它显示设备上，形成接收到的回波信号；当波长改变后，改变激励脉冲的中心频率，并调整可变电容器，以达到新的匹配平衡，从而实现最佳的检测效果。
在使用时，可在超声波换能器BNC接头端口外侧接BNC三通接头，BNC三通接头的另两个端口一端接信号源或其他设备，另一端接可变电容器。根据其具体的连线方式及所用到的仪器设备不同，主要分为六种使用方式（如图9—14）。这六种使用方式又可分为两类：自发自收（如图9、图11、图13）、一发一收（如图10、图12、图14）。
换能器的电气系统包括BNC接头2、PCB21、电容13、导线14，其功能(以图9为例连接方式进行说明)：1、形成了由电脑和USB-UT350发出的放大后激励脉冲信号所需的回路。2、将被测材料上的超声波振动转换为电信号，反馈给电脑和USB-UT350，形成了回波信号的回路。其中，电容的功能主要是使电磁超声波换能器工作在特定频率谐振点。
阵列磁铁等距变化驱动系统包括短连杆A5、螺纹销7、光销8、长连杆A9、长连杆B10、短连杆B11、前拉块12、六角螺母16、六角头螺栓17、沉头螺纹销18、铷铁硼磁铁19、滑块20、后拉块23。其主要功能：为换能器的电气系统提供可变磁铁间距（即可变波长）的偏置磁场。
PVC保护膜4主要功能：保护PCB21，使其免于在使用中划伤。
过线槽22主要功能：保护导线14，使其免于在使用中损伤以及影响阵列磁铁等距变化驱动系统工作。
外壳1、端盖6、耐磨套15用于连接和保护其他各构件，使其形成一个整体。
实施例
下面结合一个具体的实例对发明内容作进一步说明。
在PCB21焊盘位置焊接两根长15cm导线，并在导线焊接端距焊盘4cm处剥去0.5cm长导线外皮(如图6)，当然也可以在此处分别再引出导线；按图1、图2装配好其它零部件；将磁铁间距缩至最短；用阻抗分析仪进行阻抗匹配，将配好电容两引脚分别与两导线剥去0.5cm长外皮处或后引出导线的自由端头焊接牢固，并分别用绝缘胶布封好导线外露处和电容金属引脚；将两根15cm长导线的自由端头分别与BNC接头外壳和芯部的轴处焊接牢固；装上端盖，即完成整个电磁超声波换能器装配。
根据所检测材料厚度和材料特性用DISPERSE软件绘制SH波相速度vp频散曲线，确定SH0模态的相速度vp在不同频率下的变化情况。
本实施例中着重以图9的仪器配置连线方式为例来进行说明。端口连接按图9方式进行，连接线均采用单芯屏蔽线。
如图15所示，将磁铁间距缩至最短，假设本实施例中最短波长为λ0。可用直尺或游标卡尺确定此时的六角头螺栓外露段长度L0。旋转装置中的与耐磨套端面相邻的六角螺母，六角头螺栓会拉伸拉动如图4所示的阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构伸长，可用直尺或游标卡尺确定此时如图15所示的六角头螺栓外露段长度L1。
假设实施例为n排磁铁，为n/2个波长，所以，新的波长即为λ=λ0+2*(L1-L0)/n，再根据频率f=vp/λ，激励脉冲的中心频率f也就随之确定。
电脑内需安装USB-UT350驱动程序，根据确定的激励脉冲的中心频率f调整激励脉冲信号，并调节好相应的幅值和脉冲周期数以及脉冲调制方式，该脉冲经USB-UT350放大后输出到PCB21中，则以此激励脉冲的中心频率f来改变线圈内电流方向。
观测回波信号，直接调整可变电容器使信号达到最佳。当然也可以再用阻抗分析仪，重新进行阻抗匹配，新增的匹配电容放在接可变电容器的端口，以使检测效果达到最佳。
图16回波幅值约为50V左右，图17回波幅值约为100V左右，可以看出，信号回波幅值得到明显增强。
以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。
Claims (6)
1.一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其特征在于：该换能器包括机械系统和电气系统；换能器的机械系统包括外壳(1)、内六角圆柱头螺钉(3)、PVC保护膜(4)、端盖(6)、耐磨套(15)、过线槽(22)和阵列磁铁等距变化驱动系统；电气系统包括BNC接头(2)、PCB(21)、电容(13)、导线(14)；
阵列磁铁等距变化驱动系统包括短连杆A(5)、螺纹销(7)、光销(8)、长连杆A(9)、长连杆B(10)、短连杆B(11)、前拉块(12)、六角螺母(16)、六角头螺栓(17)、沉头螺纹销(18)、铷铁硼磁铁(19)、滑块(20)、后拉块(23)；
具体而言，两块铷铁硼磁铁(19)极性相反地固定在滑块(20)底部构成一组偏置磁场，设滑块(20)的数量为n，即偏置磁场的组数为n，且n为偶数，n/2为偏置磁场对数，磁铁极性交错排布，交错磁铁排列方式可采用单列或其它多列排布形式，由PCB(21)的线圈绕制方式决定；
长连杆A(9)和长连杆B(10)开有直线排列的三个孔，位于两端的孔与位于中部孔的距离相等，长连杆A(9)和长连杆B(10)交叉，二者中间的孔由螺纹销(7)连接，组成斜十字形“X”状，即构成了长连杆组件；两组“X”状长连杆组件的两端孔再用光销(8)铰接在一起，光销(8)铰接后的外露端可插入滑块(20)的侧面腰形槽内，从而拨动滑块(20)平动，滑块(20)的两侧面各具有两个腰形滑槽；将各组斜十字形长连杆组件相互交联，形成斜十字形组即“XXX”状结构，使各光销(8)的外露端位于同一侧；两组斜十字形组即“XXX”状结构与前拉块(12)、后拉块(23)两侧孔分别通过短连杆A(5)、短连杆B(11)连接，且保证光销(8)的外露端对应插入滑块(20)的侧面腰形槽内；所述短连杆A(5)、短连杆B(11)上开有两个孔，该两孔距与长连杆A(9)或长连杆B(10)上的中间孔距两端孔距离相等；短连杆A(5)与长连杆B(10)一端通过光销(8)铰接，短连杆B(11)与长连杆A(9)一端也通过光销(8)铰接，铰接后的外露端用于插入滑块(20)的侧面腰形槽内，从而拨动滑块(20)平动；短连杆A(5)、短连杆B(11)的另一端通过沉头螺纹销(18)铰接在前拉块(12)上；后拉块(23)的铰接方式与前拉块(12)相同；所述各斜十字形组即“XXX”状结构中，垂直对应铰接点处的光销(8)外露端需插入同一个滑块(20)的侧面腰形槽内，使铷铁硼磁铁(19)位于同一方向，并且需保证铷铁硼磁铁(19)为交错排列方式；以上组成阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构和驱动机构；
连杆机构中的后拉块(23)用内六角圆柱头螺钉(3)固定在外壳(1)内，铷铁硼磁铁(19)应位于外壳(1)的底部，前拉块(12)与穿过耐磨套(15)的六角头螺栓(17)相连，并用六角螺母(16)锁紧，六角头螺栓(17)上的另外一个六角螺母(16)与耐磨套(15)端面相邻，依靠磁铁相互引力可使六角螺母(16)与耐磨套(15)端面始终保持接触；此时，通过旋转与耐磨套(15)端面相邻的六角螺母(16)，即可拉动内部的阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构，从而改变磁铁间距；
电气系统包括BNC接头(2)、PCB(21)、电容(13)、导线(14)；其中，BNC接头(2)固定在外壳(1)上，电容(13)的两个引脚分别与PCB(21)上的两个焊盘通过导线(14)连接，再从PCB(21)上的两个焊盘用导线(14)分别与BNC接头(2)的外壳和芯部端子相连；PCB(21)上的线圈，为双面印刷电路，成螺旋状；PCB(21)固定在外壳(1)底部，与铷铁硼磁铁(19)相邻；在外壳(1)底部PCB(21)外侧装上PVC保护膜(4)，用于保护内部的PCB(21)，防止其在使用中划伤；在滑块(20)上方凹槽内加入过线槽(22)，可将导线放在槽内，防止阵列磁铁等距变化驱动系统的连杆机构运动时刮断或刮伤导线；在外壳(1)顶部装上端盖(6)，用内六角圆柱头螺钉(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其特征在于：该换能器与信号源的接线原理为，信号源可在PCB(21)中形成具有设定的中心频率的脉冲电流；当该换能器PCB(21)与导电的被测材料接近时，就会在导电的被测材料内形成与PCB(21)内电流方向相反的感生电流，感生电流在偏置磁场的作用下，会产生洛伦兹力，根据左手定则可判断其方向。
3.根据权利要求1所述的一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其特征在于：由于铷铁硼磁铁(19)在换能器内部N、S极交替变化排布，被测材料中的洛仑兹力的方向在任意相邻的两磁铁底部的被测材料中方向相反，且都平行于被测材料表面，垂直于电流方向；当PCB(21)内电流方向改变时，所有被测材料中的洛伦兹力方向均变为与原来受力方向相反，如此往复，在设定好中心频率的激励脉冲作用下，通过被测材料内洛伦兹力方向改变，就会在被测材料内形成与激励脉冲中心频率一致的周期性振动，以SH波的形式在被测材料中传播，波长为相邻两排磁铁中心距离的两倍；SH波当遇到端面或缺陷就会发生反射，回波可由换能器PCB(21)接收，转化为电信号，经放大滤波处理后输出到示波器或其它显示设备上，形成接收到的回波信号；当波长改变后，改变激励脉冲的中心频率，并调整可变电容器，以达到新的匹配平衡，从而实现最佳的检测效果。
4.根据权利要求1所述的一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其特征在于：在使用时，可在超声波换能器BNC接头端口外侧接BNC三通接头，BNC三通接头的另两个端口一端接信号源或其他设备，另一端接可变电容器；根据其具体的连线方式及所用到的仪器设备不同，主要分为六种使用方式，这六种使用方式又可分为两类：自发自收、一发一收。
5.根据权利要求1所述的一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其特征在于：阵列磁铁等距变化驱动系统为换能器的电气系统提供可变磁铁间距的偏置磁场，即可变波长。
6.根据权利要求1所述的一种变波长低阶水平剪切波电磁超声换能器，其特征在于：外壳(1)、端盖(6)、耐磨套(15)用于连接和保护内部构件，使其形成一个整体。
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