CN104076094A - 一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头 - Google Patents

Abstract

一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，包括铁钴合金磁介质片、多组线圈带、两块永磁体以及换能器壳体，其中的铁钴合金磁介质片被安装在换能器器底部用来和被检测结构直接接触。当装置中的线圈产生的交变磁场和永磁体产生的静磁场正交时，水平剪切位移就会发生，本发明可广泛应用于磁性、非磁性板状、类板状及曲面结构中的水平剪切导波检测，故装置本身结构小巧，无论是否有耦合剂、无论是磁性或非磁性材料结构、无论平面是否平坦或者弯曲的情况下都能使用，本发明探头所激发和接收的水平剪切超声导波具有频率固定和单一的优点。

Description

一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头

技术领域

本发明公开一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，按国际专利分类表(IPC)划分属于无损检测领域，涉及一种磁性、非磁性板状、类板状及曲面结构的无损检测装置。 

背景技术

水平剪切导波是一种在平行于导体表面、在板内振动传播的超声导波。由于其对导体表面缺陷敏感，且不受导体表面质量影响的特点，非常适用于不可达或隐蔽区域的表面开裂、厚度变薄等缺陷的检测。采用磁致伸缩换能器产生和接收水平剪切导波是一种有效的方法。这种方法的原理是利用铁磁物质在交变的外磁场中，由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化产生振动。 

目前的磁致伸缩换能器通过具有强烈的磁致伸缩性的薄铁磁片吸附在被检测结构表面上完成，在使用前需要将待测结构表面打磨平，只能用于检测铁磁性材料，应用范围窄。在使用时，需要安装电磁铁或永磁体等外置磁场，安装费时，不方便使用，因此需要改进。 

中国文献CN101813670A公开一种管道轴向超声导波换能探头，它包括一预磁化的镍铁合金片和多组线圈带；所述镍铁合金片沿待测管道的周向紧密固定在待测管道外壁上，所述镍铁合金片上的剩余磁通密度沿待测管道周向分布，该控头只适用于管道检测，且镍铁合金片需要预磁化处理。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，可应用于铁磁性或非铁磁性材料结构的检测，在使用中，有无耦合剂都可以激励和接收相关的水平剪切导波，无论接触平面平坦或弯曲的情况下都能使用。 

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，包括铁钴合金磁介质片、多组线圈带、两块永磁体以及换能器壳体，其中：

铁钴合金磁介质片，其设置在换能器壳体底部开口处用来和被检测结构表面直接接触；

多组线圈带，其为一根导线缠绕固定在螺线管上的多组线圈，相邻两组线圈中心距离相等，该线圈带和两块永磁体固定在换能器壳体内且位于铁钴合金磁介质片一侧；

永磁体，有两块，其分别置于多组线圈带的两侧以提供静态磁场并与多组线圈带通电产生正交磁场进行超声导波的激发和接收。

进一步，所述多组线圈带的导线的起始端连接检测装置的前置放大器，多组线圈带的导线末端依次连接阻抗器和示波器。 

进一步，所述铁钴合金磁介质片的厚度为0.2~1mm。 

进一步，所述铁钴合金磁介质片内的水平剪切超声导波的波长为相邻两组线圈带的中心距离的2倍。 

进一步，所述多组线圈带的总组数为3~10组，每组线圈的导线匝数为2~20匝。 

进一步，所述多组线圈带的每组线圈的绕设斜度与螺线管轴线垂直。 

本发明可广泛应用于磁性、非磁性板状、类板状及曲面结构中的水平剪切导波检测，本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点： 

1. 由于本发明采取永磁体和绕组线带通电产生正交磁场进行超声导波的激发和接收，故装置本身结构小巧，且对待测构件的材料形状没有特殊要求，无论是否有耦合剂、无论是磁性或非磁性材料结构、无论平面是否平坦或者弯曲的情况下都能使用；

2. 本发明由于采用等间隔线圈缠绕方式，所激发和接收的水平剪切超声导波的波长是各组线圈间中心距离的二倍，故具有选频功能，所激发和接收的水平剪切超声导波具有频率固定和单一的优点。 

附图说明

图1是本发明的原理示意图。 

图2是本发明的结构示意图。 

图3是本发明多组线圈绕管的示意图。 

图4是运用于本发明激励/接收的水平剪切导波信号时域图。 

图5是运用于本发明激励/接收的水平剪切导波信号频域图。 

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：请参阅图1至图5，一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，包括铁钴合金磁介质片1、多组线圈带2、两块永磁体3以及换能器壳体4，其中：铁钴合金磁介质片1设置在换能器壳体4底部开口处用来和被检测结构表面直接接触；多组线圈带2为一根导线缠绕固定在螺线管上的多组线圈，相邻两组线圈中心距离相等，该线圈带和两块永磁体固定在换能器壳体内且位于铁钴合金磁介质片一侧；永磁体4有两块，其分别置于多组线圈带的两侧以提供静态磁场并与多组线圈带通电产生正交磁场进行超声导波的激发和接收。本发明多组线圈带3的导线的起始端连接检测装置的前置放大器，多组线圈带的导线末端依次连接阻抗器和示波器。本发明采用的铁钴合金磁介质片1的厚度为0.2~1mm。铁钴合金磁介质片1内的水平剪切超声导波的波长为相邻两组线圈带的中心距离的2倍。本发明的多组线圈带的总组数为3~10组，每组线圈的导线匝数为2~20匝。多组线圈带2的每组线圈的绕设斜度与螺线管轴线垂直。

本发明的换能器壳体4包括外部的盒子41及固定多组线圈带、永磁体的支架42和固定块43，盒子、支架及固定块构成铁钴合金磁介质片、多组线圈带、两块永磁体的密封及连接构件。 

本发明涉及一种在板状结构中激励和接收水平剪切导波的超声换能探头，它包括铁钴合金磁介质片1、多组线圈绕管2、两块永磁体3以及密封和连接构件；铁钴合金磁介质片被安装在换能器器底部用来和被检测结构直接接触。当装置中的线圈产生的交变磁场和永磁体产生的静磁场正交时，水平剪切位移就会发生。所用铁钴磁介质片紧密吸附在待测平板状结构表面；多组线圈绕管为一根导线缠绕固定在螺线管上，相邻两组线圈中心距离相等；两块永磁体分别固定在多组线圈绕管两侧。多组线导线的末端连接匹配接阻抗器。本发明可广泛应用于磁性、非磁性板状、类板状及曲面结构中的水平剪切导波检测。 

本发明包括铁钴合金片1、多组线圈带2和两个永磁体3，其中： 

铁钴合金片1为矩形，置于整个装置的最底部，保证其与待测件紧密接触以保证产生的水平剪切超声导波有效的传入待测件内部；

多组线圈带2是用一根导线绕制在螺线管上，相邻两组线圈间的中心距离相等，以保证水平剪切超声导波波长等于两倍的相邻距离，即，工作频率的表达式是：

  其中f 是水平剪切导波的频率，c是水平剪切导波的相速度，d 是指可以设计改变的两组线圈带的中心距离；

永磁体3有两块，分别置于多组线圈带2的两侧，以提供静态磁场。

检测装置的前置放大器连接多组线圈带2的导线的起始端，多组线圈带2的导线末端依次连接了阻抗器和示波器。 

本发明的工作原理为： 

1. 水平剪切导波的激发：功率放大器将产生信号传送给多组线圈带2，并在螺线管中产生交变磁场，与永磁体3的静磁场正交，使铁钴合金片1上磁畴在静态位置附近运动，铁钴合金片1随之沿交变磁场方向变化，即产生磁致伸缩效应。铁钴合金片1来回周期性振动即产生水平剪切超声导波，其波长为相邻线圈中心距离的二倍。由于铁钴合金片1和待测件紧密接触，水平剪切超声导波可传入待测件内部，并实现超声信号激发。

2. 当水平剪切超声导波遇到待测件表面有振动时，水平剪切超声导波透射回铁钴合金片1，使铁钴合金片1上磁畴往复运动，产生动态交变磁场，即逆磁致伸缩效应。动态交变磁场在绕组线圈2上产生感应电动势，电势经阻抗器过滤后通过示波器显示，实现超声导波信号的接收。 

本发明实施例中，铁钴合金片1的厚度为0.2~1mm 

本发明实施例中，绕组线圈的总组数为3~10组，每组线圈的导线匝数为2~20匝。

本发明采用上述结构，一方面装置小巧、轻便且适用范围广泛，对待测构件的材料形状没有特殊要求，无论是否有耦合剂、无论是磁性或非磁性材料结构、无论平面是否平坦或者弯曲的情况下都能使用。 

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。 

Claims (7)

1.一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于包括铁钴合金磁介质片、多组线圈带、两块永磁体以及换能器壳体，其中：

铁钴合金磁介质片，其设置在换能器壳体底部开口处用来和被检测结构表面直接接触；

多组线圈带，其为一根导线缠绕固定在螺线管上的多组线圈，相邻两组线圈中心距离相等，该线圈带和两块永磁体固定在换能器壳体内且位于铁钴合金磁介质片一侧；

永磁体，有两块，其分别置于多组线圈带的两侧以提供静态磁场并与多组线圈带通电产生正交磁场进行超声导波的激发和接收。

2.根据权利要求 1所述的一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于：所述多组线圈带的导线的起始端连接检测装置的前置放大器，多组线圈带的导线末端依次连接阻抗器和示波器。

3.根据权利要求 1所述的一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于：所述铁钴合金磁介质片的厚度为0.2~1mm。

4.根据权利要求 1或3所述的一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于：所述铁钴合金磁介质片内的水平剪切超声导波的波长为相邻两组线圈带的中心距离的2倍。

5.根据权利要求1至3之一所述的一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于：所述多组线圈带的总组数为3~10组，每组线圈的导线匝数为2~20匝。

6.根据权利要求 4所述的一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于：所述多组线圈带的每组线圈的绕设斜度与螺线管轴线垂直。

7.根据权利要求 5所述的一种激励和接收超声水平剪切导波的超声换能探头，其特征在于：所述多组线圈带的每组线圈的绕设斜度与螺线管轴线垂直。