CN105043310A - 横波直入射电磁超声传感器 - Google Patents

Abstract

一种横波直入射电磁超声传感器，包括：外壳；圆柱形磁铁，设置于外壳内，自上而下产生凸台状的偏置磁场；电磁屏蔽层，套设在圆柱形磁铁的外侧；一体式环形线圈，包括环形线圈及引线，设置在所述外壳下部的凹台中；阻热层，设置于所述外壳底部的外侧，以封住所述一体式环形线圈；上端封头，与所述外壳配合封住所述外壳的开口；信号接头，设置在所述上端封头，连接一导线与所述引线；垫圈，设置在所述外壳底部，位于所述电磁屏蔽层与环形线圈之间，其底部通过所述外壳内侧壁的凸起支撑；其中，所述圆柱形磁铁产生的所述凸台状的偏置磁场的顶部位于所述一体式环形线圈处。本发明可以提供直入射横波，对温度高达650度的导体进行超声波测厚和探伤。

Description

横波直入射电磁超声传感器

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术领域，特别涉及一种对处于高温状态的导体材料进行超声波测厚或探伤的横波直入射电磁超声传感器。

背景技术

超声波无损检测技术是一种便携、高效、绿色的无损检测方法，在工业上有广泛的应用。一般情况下，超声波激励接收主要采用压电传感器，利用压电晶片的压电效应产生振动，然后通过耦合剂将超声波耦合进入被检材料，并从被检材料中接收超声波信号。此过程要求压电传感器与被检材料间有良好的耦合，因而检测过程一般需打磨材料表面并涂抹耦合剂。受压电晶片振动形式及耦合剂的限制，压电传感器较难产生直入射横波，尽管也有横波直入射传感器，但在应用的过程中，需要粘度很强的耦合剂，且非常难于应用与高温检测场合。而直入射横波在实际应用中，有其特定的需求场合，例如采用它可以发现沿材料厚度方向的裂纹，孔径很小但已有一定深度的小孔，而这些缺陷是采用纵波传感器很难发现的。

发明内容

本发明提供一种横波直入射电磁超声传感器，提供直入射横波，对温度高达650度的导体进行超声波测厚和探伤。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种横波直入射电磁超声传感器，所述的横波直入射电磁超声传感器包括：

外壳；

圆柱形磁铁，设置于所述外壳内，自上而下产生凸台状分布的偏置磁场；

电磁屏蔽层，套设在所述圆柱形磁铁的外侧；

一体式环形线圈，包括环形线圈及引线，所述环形线圈设置在所述外壳下部的凹台中；

阻热层，设置于所述外壳底部的外侧，以封住所述一体式环形线圈；

上端封头，与所述外壳配合封住所述外壳的开口；

信号接头，设置在所述上端封头，连接一导线与所述引线；

垫圈，设置在所述外壳底部，位于所述电磁屏蔽层与环形线圈之间，其底部通过所述外壳内侧壁的凸起支撑；

其中，所述圆柱形磁铁产生的所述凸台状的偏置磁场的顶部位于所述一体式环形线圈处。

在一实施例中，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：绝热胶，填充于所述电磁屏蔽层与所述外壳的内侧面之间。

在一实施例中，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：走线槽，通过所述绝热胶固定，用于穿过所述引线。

在一实施例中，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：

耐磨镀层，镀于所述阻热层上，位于所述横波直入射电磁超声传感器的最前端，用于防止所述阻热层的磨损。

在一实施例中，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：

耐高温手柄，固定于所述上端封头上，用于所述横波直入射电磁超声传感器的高温环境检测。

在一实施例中，所述耐高温手柄为中空结构，使得所述信号接头位于其中，并且所述耐高温手柄的端头设置绝缘层及手垫。

在一实施例中，所述环形线圈为按同心圆跳变形式绕制而成的至少两层线圈，并且各层线圈中电流的流向一致。

在一实施例中，所述环形线圈的层数为偶数层。

在一实施例中，上一层线圈的最内侧线圈由过孔走线到该上一层线圈的背面，连接至相邻的下一层线圈的最内侧线圈，上一层线圈的跳变斜线与相邻的下一层线圈的跳变斜线形成交叉线。

在一实施例中，所述环形线圈为按螺旋线绕制而成的至少两层线圈。

在一实施例中，所述环形线圈的层数为偶数层。

在一实施例中，所述环形线圈印制于印刷电路板上，所述引线与所述环形线圈一体印刷。

在一实施例中，所述环形线圈由漆包线绕制而成，所述引线需为预留的一体导线。

在一实施例中，所述阻热层的厚度小于3mm。

在一实施例中，所述耐磨镀层的材料为聚酰亚胺，厚度为0.2mm。

在一实施例中，所述外壳的外径为30mm，壁厚为2mm；所述凹台高为1mm，宽为2mm。

在一实施例中，所述环形线圈内径为6mm，外径为18mm。

本发明通过洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力在材料中耦合产生出直入射横波，可以对温度高达650度的导体进行超声波测厚和探伤。具有非接触、无需打磨材料表面、无需耦合剂、容易产生超声横波及可用于高温检测的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的圆柱型衫钴磁铁距表面6mm处磁场强度分布图；

图3为本发明实施例的圆柱型衫钴磁铁距表面6mm处沿直径磁场强度分布图；

图4为本发明实施例的同心圆跳变形式绕制线圈的结构示意图；

图5为本发明实施例的螺旋线绕制线圈的结构示意图；

图6为本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器在厚度为20mm的Q235材料上26℃时的检测信号示意图；

图7为本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器在厚度为20mm的Q235材料上500℃时的检测信号示意图；

图8为本发明实施例的凹台13的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种横波直入射电磁超声传感器，为如图1所示，所述的横波直入射电磁超声传感器包括：外壳11，圆柱形磁铁9，电磁屏蔽层8，一体式环形线圈4，阻热层5，上端封头3，信号接头2及垫圈7。

外壳11用于为上述各部件的安装提供支架，并提供保护功能。外壳11的尺寸由一体式环形线圈4和圆柱形磁铁9的尺寸决定。外壳底部为镂空结构，并且底部存在一凹台13，用于放置该一体式环形线圈4，图8为本发明实施例的凹台13的剖面示意图。

一实施例中，外壳11的外径为30mm，壁厚为2mm；所述凹台高为1mm，宽为2mm。

圆柱形磁铁9设置于外壳11内，圆柱形磁铁9能自上而下产生凸台状的偏置磁场。一实施例中，该圆柱形磁铁9材质为单块衫钴磁铁，外径24mm，高度20mm。磁场分布在一体式环形线圈4所在处为近似平台状，平台面积可覆盖环形线圈大小，即在一体式环形线圈4平面处，覆盖线圈大小的范围内，磁场大小近似为常值。在距离6mm的平面内60mm×60mm范围内扫描测量的磁场分布，如图2中所示。沿某一直径扫描测量的磁场分布如图3所示。

电磁屏蔽层8套设在圆柱形磁铁9的外侧，电磁屏蔽层8采用良好导体材质，如铜箔。电磁屏蔽层8完整外包于磁铁上，厚度约为1mm。

一体式环形线圈4包括环形线圈14及引线15，环形线圈14设置在外壳11下部的凹台13中，环形线圈14一般绕制为多层，为防止导线与线圈交叉，环形线圈14一般绕制偶数层，环形线圈14的内径可为零。需要注意的是，当采用多层绕制时，一般需要使各层线圈中电流方向流向一致。引线15与环形线圈14的两个端连接，然后穿过电磁屏蔽层8与外壳11之间的空间连接至信号接头2。

在一实施例中，环形线圈14为按同心圆跳变形式绕制而成，如图4所示。图4中示出了按同心圆跳变形式绕制而成的2层环形线圈，本发明的环形线圈14的层数并非限定为2层。同心圆跳变形式绕制的具体绕制可以形式如下：上一层线圈从最外圈开始绕制，当完成上一层线圈的绕制之后，上一层线圈的最内侧线圈41由过孔走线到该上一层线圈的背面，然后下一层线圈从最内侧线圈42开始绕制，直到绕制到最外侧线圈。可见，上一层线圈的最内侧线圈41连接至相邻的下一层线圈的最内侧线圈42，上一层线圈的绕制方向(从最外侧线圈开始绕制)与相邻的下一层线圈的绕制方向(从最内侧线圈开始绕制)相反。

上一层线圈或相邻的下一层线圈在绕制过程中，上层线圈的同心圆与下层线圈的同心圆严格对齐，由于每一圈的直径逐渐变大或变小，所以每一层线圈的相邻两圈线圈之间将形成跳变斜线，又由于上一层线圈与下一层线圈的绕制方向相反，故上一层线圈的跳变斜线与相邻的下一层线圈的跳变斜线形成交叉线43。

图4中，上一层线圈的最外侧线圈41连接引线15，下一层线圈的最外侧线圈42连接引线15。

图4中，环形线圈内径为6mm，外径为18mm，每层线圈的绕线圈数9，本发明不以此为限。

在另一实施例中，如图5所示，环形线圈14为按螺旋线绕制而成，线圈层数为2层，本发明不以此为限。螺旋线绕制的具体方式可以为：上层线圈从最外侧线圈51开始向内侧绕制，绕制完成最内侧线圈52时，以最内侧线圈52的末端作为下一层线圈的起始端开始绕制，下一层线圈从最内侧线圈53开始向外侧绕制，直到绕制完成最外侧线圈54。

图5中，上一层线圈的最外侧线圈51连接引线15，下一层线圈的最外侧线圈54连接引线15。

图4及图5所示的环形线圈14为一根线圈，上下层线圈的绕制顺序可以互换，例如采用从外侧线圈向内侧线圈绕制的方式先绕制图4中的环形线圈14的下层线圈，然后再以从内侧线圈向外侧线圈绕制的方式绕制上层线圈。

对于多层线圈，环形线圈14的绕制方式同图4及图5所示的绕制方式，此处不再赘述。

一实施例中，图4及图5所示的环形线圈1可以印制于印刷电路板上，引线15与环形线圈14一体印刷，印刷电路可以根据选用的信号接头尺寸确定，例如，线圈中线宽16mil，印制线路板全长为121mm。

一实施例中，图4及图5所示的环形线圈14由漆包线绕制而成，引线15一般需为预留的一体导线。

阻热层5设置于外壳11底部的外侧，以封住一体式环形线圈4。本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器具体应用时，阻热层5位于外壳11前端，可以采用粘接或套接的方式固置于横波直入射电磁超声传感器外壳上，用于在一定时间内延缓热传导，使得一体式环形线圈4处的温度在测量时间内低于其可承受的最高温度。环形线圈14到材料表面的距离过大，会严重影响横波直入射电磁超声传感器的转换效率，因此阻热层的厚度在满足阻热要求的条件下尽量薄，一般不应超过3mm厚。阻热层不能为导体材料或具有磁性。阻热层为混合物时，其组分中亦不可有导体材料或磁性材料。

一实施例中，阻热层5选用SiC材料，厚度约1mm。

上端封头3可以与外壳11相配合，封装横波直入射电磁超声传感器，上端封头3与外壳11的固定方式可以有多种，例如在与外壳11配合处加工内螺纹，外壳上设置外螺纹。也可以将上端封头3套在外壳11上，并在外壳11上设置紧固装置进行固定。

一实施例中，上端封头3可以采用不锈钢材料加工制造。

信号接头2一般设置在上端封头3上，并穿过该上端封头3，信号接头2的下端连接引线15的两个接头，信号接头2的上端连接一导线1，该导线1一般为高温导线。

垫圈7设置在外壳11的底部，位于电磁屏蔽层8与环形线圈14之间，其底部通过外壳内侧壁的环状凸起16所支撑。

本发明的核心之一在于使圆柱形磁铁9产生的凸台状的偏置磁场，平台部位表示的均匀磁场覆盖所述一体式环形线圈。为了实现该要求，垫圈7的作用尤为中，其位于圆柱形磁铁9与环形线圈14中间，使得圆柱形磁铁9到环形线圈14有一定的距离，此距离按磁铁磁场分布确定，使得环形线圈14处的磁场方向垂直向下，同时此距离足以使得环形线圈在圆柱形磁铁9表面无法产生较大的涡流。

一实施例中，垫圈7可以采用碳纤维增强聚有机硅，外径26mm，厚度4mm。

一实施例中，本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器还包括：绝热胶10，填充于电磁屏蔽层8与外壳11的内侧面之间。

绝热胶10一般高温绝热胶，用于阻热及固定内部的圆柱形磁铁9和阴线15。高温绝热胶需有很低的热导率，较高的使用温度，一般使用温度需大于250℃。内部固定时，引线15距离外壳有一定间距，中间填充绝热胶10。

一实施例中，绝热胶10采用以无机氧化铜材料和改性固化剂组成的双组分耐高温胶粘剂。

一实施例中，本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器还包括：走线槽(图中未示出)，自上而下设置在外壳11的内壁，通过绝热胶固定，用于穿过引线15。

一实施例中，如图1所示，横波直入射电磁超声传感器还包括：耐磨镀层6，镀于阻热层上，位于横波直入射电磁超声传感器的最前端，用于防止阻热层5的磨损。

需要注意的是，耐磨镀层6的材质不能为导电材料。一实施例中，耐磨层6的材质可以选择聚酰亚胺，厚度约0.2mm。

一实施例中，本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器还包括：耐高温手柄12，固定于上端封头上，用于横波直入射电磁超声传感器的高温环境检测。

高温手柄12与上端封头3相配合，配合方式有多种，例如螺纹连接(在上端封头3上加工内螺纹)。高温环境检测应用时，将此高温手柄12装于横波直入射电磁超声传感器上。常温检测时，可以将其取下，直接用横波直入射电磁超声传感器本身进行检测。

高温手柄12可以为一中空的管状结构，使得信号接头2可以位于其中，同时又可从高温手柄12中引出高温导线1。高温手柄12端头可以设置绝热层和手垫，使得操作人员在戴着高温手套的情况方便持握。

具体实施时，本发明的横波直入射电磁超声传感器外壳11的内外表面、环形线圈14的上下表面可以涂有高温绝热涂料。此涂料的填料为空心陶瓷微珠，基料由硅酸钠水性粘合剂和0.4％～0.6％羧甲基纤维素组成，涂抹厚度一般为0.4mm～1mm。

本发明的横波直入射电磁超声传感器的中心频率一般有两个：标称中心频率与实际中心频率。中心频率与环形线圈的几何形状(主要是内径、外径、绕线匝数和线间距等)，绕制线圈的导线或PCB板上的印刷线自身的材质和尺寸，漆包线覆漆或PCB基材的介电常数，被检材料的特性，线圈到被检材料的间距等密切相关。传感器标称中心频率为将其置于参考材料表面，且密切接触时，将其阻抗匹配为50Ω时的频率。此参考材料是传感器标称中心频率的一部分，设计特定型号的横波直入射电磁超声传感器时一般取此传感器应用时的最常用的检测对象材质。横波直入射电磁超声传感器的实际中心频率为执行特定检测时的中心频率，在标称中心频率的基础上，随着检测实际应用中，被检材料及线圈到被检材料基体表面距离的变化而有一定的漂移，此漂移量依据具体检测应用进行标定。

图6为本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器在厚度为20mm的Q235材料上26℃时的检测信号示意图，图7为本发明实施例的横波直入射电磁超声传感器在厚度为20mm的Q235材料上500℃时的检测信号示意图。图6及图7所示的检测结果表明此横波直入射电磁超声传感器常温和高温下的检测效果极佳。

本发明提供的横波直入射电磁超声传感器，可以通过洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力在材料中耦合产生出直入射横波，容易产生超声横波，可以对温度在650℃高温以内的导体材料进行超声波测厚和探伤。横波直入射电磁超声传感器检测频率范围500kHz～20MHz，横波直入射电磁超声传感器在执行检测过程中无需耦合剂，无需打磨材料表面，同时允许在表面存在3mm以内厚度的防护层的情况下，可以直接进行超声波测厚或探伤检测。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (17)

1.一种横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述的横波直入射电磁超声传感器包括：

外壳；

圆柱形磁铁，设置于所述外壳内，自上而下产生凸台状分布的偏置磁场；

电磁屏蔽层，套设在所述圆柱形磁铁的外侧；

一体式环形线圈，包括环形线圈及引线，所述环形线圈设置在所述外壳下部的凹台中；

阻热层，设置于所述外壳底部的外侧，以封住所述一体式环形线圈；上端封头，与所述外壳配合封住所述外壳的开口；

信号接头，设置在所述上端封头上，连接一导线与所述引线；

垫圈，设置在所述外壳底部，位于所述电磁屏蔽层与环形线圈之间，其底部通过所述外壳内侧壁的凸起支撑；

其中，所述圆柱形磁铁产生的所述凸台状的偏置磁场的顶部位于所述一体式环形线圈处。

2.根据权利要求1所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：绝热胶，填充于所述电磁屏蔽层与所述外壳的内侧面之间。

3.根据权利要求2所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：走线槽，通过所述绝热胶固定，用于穿过所述引线。

4.根据权利要求1所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：

耐磨镀层，镀于所述阻热层上，位于所述横波直入射电磁超声传感器的最前端，用于防止所述阻热层的磨损。

5.根据权利要求1所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述的横波直入射电磁超声传感器还包括：

耐高温手柄，固定于所述上端封头上，用于所述横波直入射电磁超声传感器的高温环境检测。

6.根据权利要求5所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述耐高温手柄为中空结构，使得所述信号接头位于其中，并且所述耐高温手柄的端头设置绝缘层及手垫。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈为按同心圆跳变形式绕制而成的至少两层线圈，并且各层线圈中电流的流向一致。

8.根据权利要求7所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈的层数为偶数层。

9.根据权利要求7所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，上一层线圈的最内侧线圈由过孔走线到该上一层线圈的背面，连接至相邻的下一层线圈的最内侧线圈，上一层线圈的跳变斜线与相邻的下一层线圈的跳变斜线形成交叉线。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈为按螺旋线绕制而成的至少两层线圈。

11.根据权利要求10所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈的层数为偶数层。

12.根据权利要求1-6中任一项所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈印制于印刷电路板上，所述引线与所述环形线圈一体印刷。

13.根据权利要求1-6中任一项所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈由漆包线绕制而成，所述引线为预留的一体导线。

14.根据权利要求1所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述阻热层的厚度小于3mm。

15.根据权利要求4所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述耐磨镀层的材料为聚酰亚胺，厚度为0.2mm。

16.根据权利要求1所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述外壳的外径为30mm，壁厚为2mm；所述凹台高为1mm，宽为2mm。

17.根据权利要求1所述的横波直入射电磁超声传感器，其特征在于，所述环形线圈内径为6mm，外径为18mm。