CN105092701B - 基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统。该系统用机电混合装置的若干个共轭线圈对产生交变电磁场以及其机械运动使得静态磁场转变成交变磁场，有规律泄露的发射端磁场在探测物处能量汇聚，形成宽频调频超声波波源。超声波在探测物中经反射后在探测物表面震荡产生感生电磁场。利用放置在若干个共轭线圈对产生的交变电磁场和静态磁场强度都很微弱的位置处的磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收超声反射波信号。本发明永磁铁产生的磁场没有电能到磁能的转换损失，转换能效高，磁场能量汇聚，提高发射功率，降低接收噪声，检测精度高，比较适合于术中检测，定点加温辅助治疗，以及对血液的铁离子进行无创无损的检测等。

Description

基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统与方法

技术领域

本发明涉及电磁超声探测技术，具体涉及利用一种机电混合装置来产生能量聚集的交变电磁场和交变磁场，在探测物体表层引起涡流，产生超声波波源来进行探测的装置与方法。

背景技术

超声探测主要是利用发射超声波经过探测物体反射后接收反射波，分析发射波和反射波来反演探测目标的某种声学参数分布函数，从而对探测目标的材质、厚度、内部缺陷的位置与大小等方面进行评定。超声的探测应用主要包括在工业上对各种材料的探测和在医疗上对人体的探测诊断，通过它可以探测出金属等工业材料中有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以探测出人体的软组织、血流等是否正常。

传统超声探测所用的换能器采用压电式，通常需要耦合剂才能实现与探测物之间的良好耦合，且对探测物的表面平整度要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的探测环境，而且耦合剂的使用会改变探测物表面缺陷的声学性能，因此难以检测探测物浅表的缺陷。

上世纪60年代，一种不用耦合剂就可以激发超声波的换能器被发现，很大程度上弥补了压电传感器的不足，它采用电磁耦合的方式在探测物中激发和接收超声波波源信号，这种换能器被称为电磁超声换能器。此种探测方式避免使用耦合剂，适用于高温、高速、粗糙表面等极端情况或者恶劣工作条件下。电磁超声换能器主要由磁铁、高频线圈和探测物趋肤层(表面)组成。当高频线圈通过高频电流时，它在探测物的趋肤层内产生与高频线圈的高频电流频率相同、方向相反的涡流，此涡流在由磁铁提供的静态磁场的作用下，受到机械力的作用，从而产生高频震荡，形成超声波波源。在接收超声波时，探测物表面的震荡也会在静态磁场的作用下产生感生电磁场，在接收的高频线圈中感应出电压并被换能器接收。这种探测方式尤其适合应用在非接触式的探测中。

电磁超声探测技术相比于传统的压电式超声检测技术，在非接触探测方面有以下几个优点：(1)无需任何耦合剂。电磁超声换能器电磁到超声的能量转换是在探测物表面的趋肤层内直接进行的，因此所产生的超声波不需要任何耦合介质，可以适用于多种检测环境，如干燥、高温、低温等环境；(2)电磁超声探测是一种非接触的检测方式，不要求检测装置与探测物物理接触，因此使用更为灵活；(3)对探测物表面质量要求不高。电磁超声换能器不需要与探测物接触，因此对探测物表面不要求特殊清理，较粗糙的表面也可直接检测。

但是现有的电磁超声探测仍有需要改进的地方：如，主要是用电的方式来产生磁场，即是用交变电流来产生，形式单一，由电场变成磁场有能量的损耗，转换效率低；产生的超声信号的频率取决于交变电流的频率，一般加载几百或者几千Hz到1MHz左右的高频电信号，且频带不宽；电磁超声换能器的转换效率较低，接收到的信号幅值较小，有碍于检测精度的提高；当电磁超声换能器为收发一体式的时候，接收的高频线圈会受到发送高频线圈产生的强的电磁场影响，致使探测物表面产生的涡流所产生的感生电磁场受到影响，使得接收的高频线圈中感应出的电压干扰严重，信噪比较低。

发明内容

针对目前电磁超声探测交变磁场产生方式主要以交变电流为主，产生的超声信号频带不宽，电能到磁能的转换损失导致换能器转换效率低，受干扰严重等不足，本发明提出一种基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统。该装置用机电混合装置的若干个共轭线圈对产生交变电磁场以及其机械运动使得静态磁场转变成交变磁场，同时机械运动使交变电磁场有规律的泄露，使得在探测物处磁场能量汇聚，形成有规律的宽频调频超声波波源。超声波在探测物中传播，经反射后在探测物表面震荡产生感生电磁场。再利用放置在若干个共轭线圈对产生的交变电磁场强度和静态磁场强度都很微弱的位置处的磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号。本发明通过如下技术方案实现：

基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，包括机电混合装置和后台数据处理平台。机电混合装置由若干个共轭线圈对、磁感应接收阵列、开孔屏蔽罩和可旋转快门盘组成。所述共轭线圈对提供交变电磁场和静态磁场；磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号；开孔屏蔽罩屏蔽磁场，共轭线圈对和磁感应接收阵列置于此开孔屏蔽罩内，只向一些特定的开孔泄露磁场，形成磁场能量的汇聚；可旋转快门盘，内置于开孔屏蔽罩底面上面，或者外置于开孔屏蔽罩底面下面，机械运动控制开孔屏蔽罩的开孔的打开和闭合，使得静态磁场转变成交变磁场，与开孔泄露的交变电磁场在探测物表面，形成有规律的宽频调频超声波波源。后台数据处理平台主要负责产生共轭线圈对所需的交变电流信号，且对磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收到的探测物反射的超声波信号进行处理。后台数据处理平台和机电混合装置的若干个共轭线圈对以及磁感应接收阵列之间的数据传递需要电缆的连接，通信可以用有线或者无线的方式。

作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述机电混合装置的若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上倾斜放置，每个共轭线圈对放置位置和倾斜的角度可以设定，设定的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为交变磁场，形成发送端磁场(包括交变电磁场和交变磁场)能量的汇聚。也可以通过改变共轭线圈对放置的位置和倾斜的角度来改变磁场能量的汇聚点。

上述共轭线圈对由一对线圈组成，每个线圈中间都放置永磁体，但是极性相反放置。其中一个线圈中间放永磁铁，N极在下，S极在上，线圈通顺时针的交流电，另外一个与之共轭的线圈中间放永磁铁，N极在上，S极在下，线圈通逆时针的交流电。共轭线圈对每个线圈绕制后的形状取决于中间放置的永磁体的形状，可以为方形体、圆柱体、三棱柱等。这样的一对线圈，由于每个线圈中间放置的永磁体极性相反放置，线圈通的交流电也反向，所以称为共轭线圈对。工作时，线圈通交变电流产生交变电磁场，永磁体产生静态磁场，根据电磁场理论，共轭线圈对中心的交变电磁场和静态磁场都被抵消，磁场强度为0，中心附近的区域磁场强度也很微弱。

若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上放置后，在圆环中心的交变电磁场和静态磁场磁场强度都为0，其它相邻区域的磁场强度也很微弱。

作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述磁感应接收阵列由线圈或者磁敏元件组成，可以封装成任意形状，如圆形、方形等。磁感应接收阵列由支撑架支撑放置在开孔屏蔽罩底面的中心，中心的磁场强度为0，其它相邻的不为0，但是因为阵元位置确定，共轭线圈对位置确定，所以容易计算出磁感应接收阵列中每个阵元的磁场强度，相当于共轭线圈对在磁感应接收阵列处产生的干扰是已知的。因此磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号时可以去除这部分干扰。支撑架的材质，选用不影响磁场的非金属材质，如木材等。

作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述开孔屏蔽罩罩住共轭线圈对和磁感应接收阵列，由磁屏蔽材料制作，如铝合金、镍铁高磁导率合金等，它屏蔽磁场，只能向开孔处泄露磁场。开孔屏蔽罩罩形状可以是圆柱体、圆锥体、立方体、半圆球体等。开孔屏蔽罩底面在一个半径为R的圆环上开孔，开孔位置位于共轭线圈对每个线圈底部的正下方，开孔形状、大小和共轭线圈对的线圈一致。如，开孔屏蔽罩底面圆环上等分放置M个线圈，线圈中间放置圆形永磁体，则开孔屏蔽罩底面也等分开M个圆形孔。另外开孔屏蔽罩底面中心开孔，称为中心孔，其形状和大小与上面放置的磁感应接收阵列封装后的形状和大小一致，如，磁感应接收阵列封装为一个圆形，则开孔屏蔽罩底面的中心孔为同等大小的圆孔。这个中心孔开孔目的是为了使探测物反射的超声波在探测物表面震荡产生的感生电磁场能穿过此孔，被磁感应接收阵列感应出电压并被接收。

上述开孔屏蔽罩上方可以有支架，使得开孔屏蔽罩连同共轭线圈对和磁感应接收阵列可以左右上下一起移动，以便磁场能量汇聚点的左右上下移动。

作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述可旋转快门盘由磁屏蔽材料制作，另外联合若干个马达一起工作，对开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔进行间断性的遮挡，马达用微型电池供电。可旋转快门盘有若干个开孔，这里称为快门孔。可旋转快门盘在马达的控制下旋转运动，当旋转到某个快门孔正对开孔屏蔽罩底面的某个开孔时，则此开孔被打开。逐渐旋转，此开孔又逐渐被遮挡，到完全遮挡，如此往复，使得开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔有规律的打开和关闭，使得静态磁场变成交变磁场。交变电磁场也通过这些开孔泄露出去，和上述的交变磁场一起形成发射端磁场。

上述可旋转快门盘可以内置于开孔屏蔽罩底面上面，或者外置于开孔屏蔽罩底面下面。

上述可旋转快门盘的大小，以及快门孔的大小、形状、位置和数量可以任意设置。设置的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为交变磁场，形成发送端磁场能量的汇聚。

假设可旋转快门盘设置为和开孔屏蔽罩底面同样大小，用一个马达来控制可旋转快门盘的旋转运动。且假设开孔屏蔽罩底面半径为R的圆环上等分开M个圆形开孔，可旋转快门盘也在同样半径的圆环上等分开N个与圆形开孔同样半径的圆形快门孔，即是开孔屏蔽罩底面的每个开孔中心和可旋转快门盘的每个快门孔中心都是在同一半径的圆上，且同样大小。则可以推出：在有圆形开孔被打开的时候，同时被打开的开孔数p＝最大公约数(M，N)，由此可见，当M，N互质，则只有一个开孔被打开；当M＝N，所有开孔都同时被打开。定义q＝最小公倍数(M，N)，可旋转快门盘的旋转周期为T，则某个开孔被打开的周期为T/q。

上述可旋转快门盘大小可以设置为比开孔屏蔽罩底面小，一个可旋转快门盘在一个马达控制下按照特定的轨迹运动，使得其只控制开孔屏蔽罩底面少量开孔的打开和关闭。如，可以只负责遮挡开孔屏蔽罩底面的一个开孔，控制其打开和关闭。或者只负责遮挡开孔屏蔽罩底面的相邻两个开孔，控制这相邻两个开孔的打开和关闭。那样，整个开孔屏蔽罩底面需要多个可旋转快门盘。

上述可旋转快门盘若遮挡了开孔屏蔽罩底面的中心孔，则遮挡处必须开孔，开孔大小、形状和开孔屏蔽罩底面的中心孔相等。这个开孔目的也是为了使探测物反射的超声波在探测物表面震荡而产生的感生电磁场能穿过此孔，被磁感应接收阵列感应出电压并被接收。

上述可旋转快门盘的快门孔根据实际探测应用需要，可以配置一个遮挡板，结合电机来使用。遮挡板也由磁屏蔽材料制作，其面积比该快门孔大，形状任意。遮挡板上开有若干个不同形状的槽缝或者小孔，若开槽缝，槽缝的间隔由粗到密或由密到粗排列，调节到哪段槽缝由电机工作前控制调整好。若开小孔，小孔的大小和形状根据实际应用任意设置。遮挡板黏贴固定在该快门孔上，随可旋转快门盘一起运动。

对于开孔屏蔽罩底面的某个开孔，如开孔1，其打开和关闭产生一个磁场强度随时间变化的开通波形(可称为一重波)。假设开孔屏蔽罩底面的开孔1与可旋转快门盘的快门孔A由一点重叠到完全重叠再到逐渐被遮挡，开孔1被逐渐打开，磁场泄露一点到泄露最多，开孔1被逐渐关闭，则磁场泄露又逐渐减少，这一过程产生一个起伏波1，起伏波1的形状由可旋转快门盘的快门孔A的大小和形状决定。随着可旋转快门盘的旋转，可旋转快门盘的快门孔B逐渐接近开孔屏蔽罩底面的开孔1。则开孔屏蔽罩底面的开孔1与可旋转快门盘的快门孔B由一点重叠到完全重叠，再到逐渐被遮挡，开孔1被逐渐打开，磁场泄露一点到泄露最多，开孔1被逐渐关闭，则磁场泄露又逐渐减少，这一过程产生一个起伏波2，起伏波2的形状由可旋转快门盘的快门孔B的大小和形状决定。起伏波1与起伏波2的间隔由可旋转快门盘的旋转速度和可旋转快门盘的快门孔A与快门孔B之间的距离决定。如此下去，开孔1打开和关闭产生的磁场强度随时间变化的开通波形由多个不同形状的起伏波组成。当可旋转快门盘旋转一周后，再周期重复下去。

当上述的可旋转快门盘的快门孔A配有遮挡板时，则可旋转快门盘的快门孔A快旋转到开孔屏蔽罩底面的某个开孔(如开孔1)，则开孔1会分裂成许多虚拟的小开孔。某个小开孔，如编号1_1，会随着可旋转快门盘的运动，以更高的频率被不停地被打开和关闭，产生一个磁场强度随时间变化的开通波形(可称为二重波)。该二重波会在一重波的起伏波1里面再产生若干个频率更高的起伏波，此起伏波的形状由快门孔A上遮挡板的槽缝或者小孔的大小和形状决定，此起伏波之间的间隔由可旋转快门盘的旋转速度和可旋转快门盘的快门孔A上的遮挡板的槽缝间隔或者小孔间隔决定。从频域上来看，二重波和调频信号相乘，相当于对调频信号进行频谱搬移和频带展宽的控制。

基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的工作包括如下步骤：

(1)启动工作。机电混合装置的开孔屏蔽罩底面一侧对准探测物待检测区域。

(2)发送信号。后台数据处理平台产生发送宽频调频信号提供给共轭线圈对作为交变电流信号。共轭线圈对的两个线圈通的交变电流方向相反。共轭线圈对通交变电流后产生交变电磁场。

(3)静态磁场转变为交变磁场，形成发射端磁场。马达控制可旋转快门盘不停地旋转运动，使得可旋转快门盘的某些快门孔对准或者遮挡开孔屏蔽罩底面的某些开孔，开孔被不停地打开和关闭；同时若旋转快门盘的快门孔配置有遮挡板，则产生更高频率的打开和关闭的小开孔。静态磁场通过这些开孔或者小开孔的打开和关闭转变为交变磁场。交变电磁场通过这些开孔或者小开孔泄露出去和产生的交变磁场一起形成发射端磁场。

(4)发射端磁场汇聚，寻找汇聚点。由于多个共轭线圈对与开孔屏蔽罩底面有一定的倾斜角，多个共轭线圈对产生的交变电磁场通过这些开孔或者小开孔泄露出去和交变磁场一起形成发射端磁场，会在某点(汇聚点)形成发射端磁场的汇聚。左右上下移动开孔屏蔽罩，使得汇聚点对准探测物待检区域。当多个共轭线圈对在开孔屏蔽罩里面的位置固定，倾斜角确定，机械运动模式确定，汇聚点则可以确定的，所以也可以在启动工作时就可以左右上下移动开孔屏蔽罩使得汇聚点对准探测物待检区域。

(5)形成超声波波源，超声波发射。发射端磁场汇聚后在探测物的趋肤层内产生频率相同的涡流，此涡流在磁场的作用下受到机械力的作用产生高频震荡，形成宽频调频超声波波源，且发射出去。

(6)接收超声波反射信号。超声波在探测物中传播，当遇到介质改变时发生反射。探测物反射的超声波在探测物表面产生震荡，进而产生感生电磁场，磁感应接收阵列感应出电压并被接收，接收的即是超声波反射信号转换而成的宽频调频接收信号。磁感应接收阵列由于放置在若干个共轭线圈产生的交变电磁场和静态磁场磁场强度都很微弱的位置处，所以共轭线圈对产生的交变电磁场和静态磁场对其干扰很小。

(7)接收信号发送至后台后台数据处理平台进行处理，最终得出检测结果。

(8)判断检测是否结束，如果是，停止检测；如果否，将检测装置移动到其它待检测区域，然后回到步骤1。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明用机电混合装置，通过机械运动把永磁铁产生的静态磁场转变为交变磁场，由于永磁铁产生的磁场强度在同等能量下比用电流产生的磁场强度高，能量效率高，所以可以达到节能的作用。同时本发明也利用交变电流通过线圈产生交变电磁场，交变电磁场通过机电混合装置开孔屏蔽罩底面的开孔或者小开孔泄露出去，和交变磁场一起形成发射端磁场。这样使得探测物处的磁场强度变得更强。

2、本发明发射端磁场包含有规律泄露出去的交变电磁场和机械运动产生的交变磁场，该磁场的变化率和变化范围除了交流电信号的影响，还受机电混合装置的可旋转快门盘的旋转速度，开孔等影响。可旋转快门盘的运动相当于对调频信号进行频谱搬移和频带展宽的控制。因此可以提高超声的震荡频率，以及产生宽频的超声波。宽频信号可以增大信号的信息量，从而提升检测精度。

3、本发明可以提高转换效率。该装置的多个共轭线圈对与开孔屏蔽罩底面有一定的倾斜角，多个共轭线圈对产生的交变电磁场通过开孔或者小开孔泄露出去，和产生的交变磁场一起形成发射端磁场。发射端磁场会在汇聚点形成磁场的能量汇聚，此处磁场强度最强。左右上下移动开孔屏蔽罩，使得汇聚点对准探测物待检区域，可以大大提高电磁能到超声波能量的转换。这也相当于提高了发射信号的功率，从而提高发送信号的信噪比。

4、接收信号干扰小。磁感应接收阵列由于放置在若干个共轭线圈对产生的交变电磁场强度和静态磁场强度都很微弱的位置处，所以共轭线圈对产生的交变电磁场和静态磁场对其干扰很小，而只接收探测物反射的超声波在探测物表面震荡而产生的感生电磁场感生出的电压。从而接收信号就是单纯的由探测物反射回来的超声波反射信号转换而成。这也相当于降低了接收信号的噪声，从而提高接收信号的信噪比。

5、检测精度高。虽然本发明的电磁超声换能器在物理上看起来是收发一体的，都在开孔屏蔽罩内，但是发射是大功率的多个共轭线圈对的能量汇聚发射，而接收采用磁感应接收阵列接收，每个阵元都是宽频高灵敏的磁敏接收元件，其实收发是分开的，这种收发采用不同的方式使得发送和接收的能力都增强了，所以可以大大提高检测精度。

6、本发明是汇聚发射，相当于光的聚焦照射，转换能效高，比较适合于术中检测，定点加温辅助治疗，以及对血液或者骨髓里面的铁离子进行无创无损的检测等。

附图说明

图1是本实施例基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的工作示意图。

图2是本实施例的共轭线圈对示意图。

图3是本实施例的磁感应接收阵列示意图。

图4是本实施例的开孔屏蔽罩示意图。

图5(a)是快门孔为20的可旋转快门盘示意图。

图5(b)是快门孔为4的可旋转快门盘示意图。

图6(a)是方形遮挡板非均匀间隔的槽缝遮挡可旋转快门盘的示意图。

图6(b)是方形遮挡板均匀间隔的槽缝遮挡可旋转快门盘的示意图。

图7(a)是本实施例的开孔屏蔽罩某个开孔1的打开和关闭所产生的磁场强度随时间变化的开通波形示意图。

图7(b)是本实施例的开孔屏蔽罩某个小开孔1_1的打开和关闭所产生的磁场强度随时间变化的开通波形示意图。

图8是本实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的工作示意图。

基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，包括机电混合装置101和后台数据处理平台102。机电混合装置101由若干个共轭线圈对103、磁感应接收阵列104、开孔屏蔽罩105、可旋转快门盘106组成。这里示意了两对共轭线圈对，它们提供交变电磁场和静态磁场；磁感应接收阵列104感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号，这里示意磁感应接收阵列被封装成一个圆形形状；开孔屏蔽罩105为半圆球体，屏蔽磁场，共轭线圈对103和磁感应接收阵列104置于开孔屏蔽罩105内，开孔屏蔽罩105底面有一圈开孔，在半径为R的圆环上等分设置，开孔在线圈的正下方，则开孔个数和共轭线圈对的线圈个数是相等的，而这里为了图形的美观，只示意了两对共轭线圈对(4个线圈)，这些开孔向外泄露磁场，形成磁场能量的汇聚，另外开孔屏蔽罩105底面中心有一个圆形中心孔；可旋转快门盘106，内置于开孔屏蔽罩底面上面，或者外置于开孔屏蔽罩底面下面，这里示意可旋转快门盘106外置于开孔屏蔽罩底面下面。可旋转快门盘旋转控制开孔屏蔽罩的开孔的打开和闭合，使得静态磁场转变成交变磁场，另外开孔泄露的交变电磁场与交变磁场在探测物107表面，形成有规律的宽频调频超声波波源。后台数据处理平台102主要负责产生共轭线圈对所需的交变电流信号，且对磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收到的探测物反射的超声波信号进行处理。后台数据处理平台102和机电混合装置101的若干个共轭线圈对以及磁感应接收阵列之间的数据传递需要电缆的连接，通信可以用有线或者无线的方式，实施例示意了有线的方式。

机电混合装置的若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上倾斜放置，每个共轭线圈对放置位置和倾斜的角度可以设定，设定的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为交变磁场，形成发送端磁场(包括交变电磁场和交变磁场)能量的汇聚。也即是可以通过改变共轭线圈对放置的位置和倾斜的角度来改变磁场能量的汇聚点。

开孔屏蔽罩上方可以有支架108，使得开孔屏蔽罩连同共轭线圈对和磁感应接收阵列可以左右上下一起移动，以便磁场能量汇聚点的左右上下移动。探测物的待探测区域放置于汇聚点处。

如图2所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的共轭线圈对示意。这里示意了两对共轭线圈对呈圆对称放置，其中一对中间的永磁体是圆柱形的磁铁，另外一对是三棱柱体的磁铁。实际运用中也可以是其它形状。每对共轭线圈对由一对线圈组成，每个线圈中间都放置永磁体，但是极性相反放置。其中一个线圈中间放N极在下，S极在上的永磁铁，线圈通顺时针的交流电，另外一个与之共轭的线圈中间放N极在上，S极在下的永磁铁，线圈通逆时针的交流电。工作时，线圈通交变电流产生交变电磁场，永磁体产生静态磁场。根据电磁场理论，共轭线圈对的中心O点处的磁场强度为0，其它相邻区域的磁场强度很微弱。由此可以推断若干个共轭线圈对呈圆对称在一个圆环上放置后，在圆环中心的磁场强度为0，其它相邻区域的磁场强度很微弱。也即是图1所示的放置磁感应接收阵列处，位于开孔屏蔽罩底面放置共轭线圈对的圆环的中心区域，该处的磁场强度很微弱。

如图3所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的磁感应接收阵列示意。本实施例磁感应接收阵列封装为一个圆形形状，磁感应接收阵列可以由为线圈或者磁敏元件组成，这里示意了7个阵元，其中4个圆形代表线圈，1个方形代表霍尔元件，1个三角形代表磁敏电阻。它们都可以感应出磁场的变化。如图1所示磁感应接收阵列由支撑架支撑放置在开孔屏蔽罩底面中心区域。开孔屏蔽罩底面中心的磁场强度为0(即是图2所示的中心O点处)，其它相邻的区域不为0，但是因为磁感应接收阵列在开孔屏蔽罩内的位置确定，圆环的共轭线圈对位置确定，所以容易计算出磁感应接收阵列中每个阵元的磁场强度，相当于共轭线圈对在磁感应接收阵列处产生的干扰是已知的。因此磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号时可以去除这部分干扰。支撑架的材质，选用不影响磁场的非金属材质，如木材等。

如图4所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的开孔屏蔽罩示意。开孔屏蔽罩底面有一圈20个开孔，在半径为R的圆环上等分设置，这些开孔向外泄露交变磁场，形成磁场能量的汇聚。开孔的形状可以为圆形、方形等，一般和上面放置的线圈的形状一致，这里示意的是圆形形状。另外开孔屏蔽罩底面中心开孔，称为中心孔，其形状和大小与上面放置的磁感应接收阵列封装形状和大小一致，由于本实施例磁感应接收阵列封装为一个圆形，则开孔屏蔽罩底面的中心孔为同等大小的圆孔。这样使得使探测物反射的超声波在探测物表面震荡产生的感生电磁场能穿过此孔，被磁感应接收阵列感应出电压并被接收。

如图5所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的可旋转快门盘示意。

可旋转快门盘由磁屏蔽材料制作，另外联合若干个马达一起工作，对开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔进行间断性的遮挡。可旋转快门盘有若干个开孔，这里称为快门孔。可旋转快门盘在马达的控制下旋转运动，当旋转到某个快门孔正对开孔屏蔽罩底面的某个开孔时，则此开孔被打开。逐渐旋转，此开孔又逐渐被遮挡，到完全遮挡，如此往复，使得开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔有规律的打开和关闭，使得静态磁场变成交变磁场。交变电磁场也通过这些开孔泄露出去，和上述的交变磁场一起形成发射端磁场。

可旋转快门盘的大小，以及快门孔的大小、形状、位置和数量可以任意设置。设置的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为交变磁场，形成发送端磁场能量的汇聚。

假设可旋转快门盘设置为和开孔屏蔽罩底面同样大小，用一个马达来控制可旋转快门盘的旋转运动。且假设开孔屏蔽罩底面半径为R的圆环上等分开M个圆形开孔，可旋转快门盘也在同样半径的圆环上等分开N个与圆形开孔同样半径的圆形快门孔，即是开孔屏蔽罩底面的每个开孔中心和可旋转快门盘的每个快门孔中心都是在同一半径的圆上，且同样大小。则可以推出：在有圆形开孔被打开的时候，同时被打开的开孔数p＝最大公约数(M，N)，由此可见，当M，N互质，则只有一个开孔被打开；当M＝N，所有开孔都同时被打开。定义q＝最小公倍数(M，N)，可旋转快门盘的旋转周期为T，则某个开孔被打开的周期为T/q。

图5(a)示意了一个和开孔屏蔽罩底面一模一样的可旋转快门盘，在半径为R的圆环上等分开20个圆孔，即是有20个快门孔，快门孔的大小和开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔一样大小。可旋转快门盘中心开圆形孔，和开孔屏蔽罩底面的中心孔也一样大小。当马达控制其旋转到和开孔屏蔽罩底面一一对齐，即是完全重叠的时候，则开孔屏蔽罩底面的20个开孔都没有被遮挡，全都被打开，且间隔T/20后所有的开孔又被打开。

图5(b)示意了一个在半径为R的圆环上等分设置4个快门孔的可旋转快门盘，快门孔的大小和开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔一样大小。可以分析出某时刻，开孔屏蔽罩底面的只有4个开孔没有被遮挡，被打开，且间隔T/20后又有4个开孔被打开。

如图6所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的可旋转快门盘的遮挡板示意。可旋转快门盘的快门孔根据实际探测应用需要，可以配置一个遮挡板，结合电机来使用。遮挡板也由磁屏蔽材料制作，其面积比该快门孔大，形状任意。遮挡板上开有若干个不同形状的槽缝或者小孔，若开槽缝，槽缝的间隔由粗到密或由密到粗排列，调节到哪段槽缝由电机工作前控制调整好。若开小孔，小孔的大小和形状根据实际应用任意设置。遮挡板黏贴固定在该快门孔上，随可旋转快门盘一起旋转运动。图6(a)示意遮挡板槽缝的间隔由密到粗排列，非均匀的槽缝间隔对准某个快门孔。图6(b)示意了遮挡板均匀的槽缝间隔对准某个快门孔。

如图7所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的开孔和小开孔的打开和关闭所产生的磁场强度随时间变化的开通波形示意。

实施例的开孔屏蔽罩底面如图4所示有20个开孔，可旋转快门盘图5(a)所示，也有同样大小和位置的20个快门孔。则对于开孔屏蔽罩底面的某个开孔，如开孔1，其打开和关闭产生一个磁场强度随时间变化的开通波形(可称为一重波)，如图7(a)所示。假设开孔屏蔽罩底面的开孔1与可旋转快门盘的快门孔A由一点重叠到完全重叠再到逐渐被遮挡，开孔1被逐渐打开，磁场泄露一点到泄露最多(有最强的交变场强度，假设为F_max)，开孔1被逐渐关闭，则磁场泄露又逐渐减少(减少到最小的交变场强度，假设为F_min)，这一过程产生一个起伏波1，起伏波1的形状由可旋转快门盘的快门孔A的大小和形状决定。随着可旋转快门盘的旋转，可旋转快门盘的快门孔B逐渐接近开孔屏蔽罩底面的开孔1。则开孔屏蔽罩底面的开孔1与可旋转快门盘的快门孔B由一点重叠到完全重叠，再到逐渐被遮挡，开孔1被逐渐打开，磁场泄露一点到泄露最多(有最强的交变场强度，假设为F_max)，开孔1被逐渐关闭，则电磁场泄露又逐渐减少(减少到最小的交变场强度，假设为F_min)，这一过程产生一个起伏波2，起伏波2的形状由可旋转快门盘的快门孔B的大小和形状决定。起伏波1与起伏波2的间隔由可旋转快门盘的旋转速度和可旋转快门盘的快门孔A与快门孔B之间的距离决定。如此下去，开孔1打开和关闭产生的磁场强度随时间变化的开通波形由多个不同形状的起伏波组成。当可旋转快门盘旋转一周后，再周期重复下去。这里因为可旋转快门盘的快门孔是等分设置且形状大小和开孔1完全相同，则起伏波形状是一样的，所以产生周期为T/20的起伏波。

当可旋转快门盘的快门孔A配有遮挡板时，假设遮挡板调到均匀的槽缝间隔对准可旋转快门盘的快门孔A(如图6(b)所示)。则可旋转快门盘的快门孔A快旋转到开孔屏蔽罩底面的开孔1，则开孔1会分裂成许多虚拟的小开孔。某个小开孔，如编号1_1，会随着可旋转快门盘的运动，以更高的频率被不停地被打开和关闭，产生一个磁场强度随时间变化的开通波形(可称为二重波)。该二重波会在一重波(图7(a)所示)的起伏波1里面再产生若干个频率更高的起伏波，此起伏波的形状由快门孔A上遮挡板的槽缝的大小和形状决定，此起伏波之间的间隔由可旋转快门盘的旋转速度和可旋转快门盘的快门孔A上的遮挡板的槽缝间隔决定。从频域上来看，二重波和调频信号相乘，相当于对调频信号进行频谱搬移和频带展宽的控制。

如图8所示，是本实施例所述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的工作流程图。

(1)启动工作。机电混合装置的开孔屏蔽罩底面一侧对准探测物待检测区域。

(2)发送信号。后台数据处理平台产生发送宽频调频信号提供给共轭线圈对作为交变电流信号。共轭线圈对的两个线圈通的交变电流方向相反。共轭线圈对通交变电流后产生交变电磁场。

(3)静态磁场转变为交变磁场，形成发射端磁场。马达控制可旋转快门盘不停地旋转运动，使得可旋转快门盘的某些快门孔对准或者遮挡开孔屏蔽罩底面的某些开孔，开孔被不停地打开和关闭；同时若旋转快门盘的快门孔配置有遮挡板，则产生更高频率的打开和关闭的小开孔。静态磁场通过这些开孔或者小开孔的打开和关闭转变为交变磁场。交变电磁场通过这些开孔或者小开孔泄露出去和产生的交变磁场一起形成发射端磁场。

(4)发射端磁场汇聚，寻找汇聚点。由于多个共轭线圈对与开孔屏蔽罩底面有一定的倾斜角，多个共轭线圈对产生的交变电磁场通过这些开孔或者小开孔泄露出去和交变磁场一起形成发射端磁场，会在某点(汇聚点)形成发射端磁场的汇聚。左右上下移动开孔屏蔽罩，使得汇聚点对准探测物待检区域。当多个共轭线圈对在开孔屏蔽罩里面的位置固定，倾斜角确定，机械运动模式确定，汇聚点则可以确定的，所以也可以在启动工作时就可以左右上下移动开孔屏蔽罩使得汇聚点对准探测物待检区域。

(5)形成超声波波源，超声波发射。发射端磁场汇聚后在探测物的趋肤层内产生频率相同的涡流，此涡流在磁场的作用下受到机械力的作用产生高频震荡，形成宽频调频超声波波源，且发射出去。

(6)接收超声波反射信号。超声波在探测物中传播，当遇到介质改变时发生反射。探测物反射的超声波在探测物表面震荡，进而产生感生电磁场，磁感应接收阵列感应出电压并被接收，接收的即是超声波反射信号转换而成的宽频调频接收信号。磁感应接收阵列由于放置在若干个共轭线圈产生的交变电磁场和静态磁场磁场强度都很微弱的位置处，所以共轭线圈对产生的交变电磁场和静态磁场对其干扰很小。

(7)接收信号发送至后台后台数据处理平台进行处理，最终得出检测结果。

(8)判断检测是否结束，如果是，停止检测；如果否，将检测装置移动到其它待检测区域，然后回到步骤1。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于，包括机电混合装置和后台数据处理平台；机电混合装置由若干个共轭线圈对、磁感应接收阵列、开孔屏蔽罩和可旋转快门盘组成；所述共轭线圈对提供交变电磁场和静态磁场；磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号；开孔屏蔽罩屏蔽磁场，共轭线圈对和磁感应接收阵列置于此开孔屏蔽罩内，只向一些特定的开孔泄露磁场，形成磁场能量的汇聚；可旋转快门盘，内置于开孔屏蔽罩底面上面，或者外置于开孔屏蔽罩底面下面，机械运动控制开孔屏蔽罩的开孔的打开和闭合，使得静态磁场转变成交变磁场，与开孔泄露的交变电磁场在探测物表面，形成有规律的宽频调频超声波波源；后台数据处理平台主要负责产生共轭线圈对所需的交变电流信号，且对磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收到的探测物反射的超声波信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于机电混合装置的若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上倾斜放置，每个共轭线圈对放置位置和倾斜的角度可以设定，设定的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为的交变磁场一起形成的发送端磁场能量的汇聚；磁场能量的汇聚点通过改变共轭线圈对放置的位置和倾斜的角度来改变；

上述共轭线圈对由一对线圈组成，每个线圈中间都放置永磁体，但是极性相反放置；其中一个线圈中间放永磁铁，N极在下，S极在上，线圈通顺时针的交流电，另外一个与之共轭的线圈中间放永磁铁，N极在上，S极在下，线圈通逆时针的交流电；共轭线圈对每个线圈绕制后的形状取决于中间放置的永磁体的形状；这样的一对线圈，由于每个线圈中间放置的永磁体极性相反放置，线圈通的交流电也反向，所以称为共轭线圈对；工作时，线圈通交变电流产生交变电磁场，永磁体产生静态磁场，根据电磁场理论，共轭线圈对中心的交变电磁场和静态磁场都被抵消，磁场强度为0，中心相邻的区域磁场强度也很微弱；

若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上放置后，在圆环中心的交变电磁场和静态磁场磁场强度都为0，其它相邻区域的磁场强度也很微弱。

3.根据权利要求1所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于磁感应接收阵列由线圈或者磁敏元件组成，可以封装成任意形状；磁感应接收阵列由支撑架支撑放置在开孔屏蔽罩底面的中心，中心的磁场强度为0，其它相邻的不为0，但是因为阵元位置确定，共轭线圈对位置确定，所以容易计算出磁感应接收阵列中每个阵元的磁场强度，相当于共轭线圈对在磁感应接收阵列处产生的干扰是已知的；因此磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号时可以去除这部分干扰；支撑架的材质，选用不影响磁场的非金属材质。

4.根据权利要求1所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于开孔屏蔽罩罩住共轭线圈对和磁感应接收阵列，由磁屏蔽材料制作，它屏蔽磁场，只能向开孔处泄露磁场；开孔屏蔽罩形状是圆柱体、圆锥体、立方体或者半圆球体；开孔屏蔽罩底面在一个半径为R的圆环上开孔，开孔位置位于共轭线圈对每个线圈底部的正下方，开孔形状、大小和共轭线圈对的线圈一致；另外开孔屏蔽罩底面中心开孔，称为中心孔，其形状和大小与上面放置的磁感应接收阵列封装后的形状和大小一致；这个中心孔开孔目的是为了使探测物反射的超声波在探测物表面震荡产生的感生电磁场能穿过此孔，被磁感应接收阵列感应出电压并被接收；

上述开孔屏蔽罩上方设置支架，使得开孔屏蔽罩连同共轭线圈对和磁感应接收阵列可以左右上下一起移动，以便磁场能量汇聚点的左右上下移动。

5.根据权利要求4所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于可旋转快门盘由磁屏蔽材料制作，另外联合若干个马达一起工作，对开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔进行间断性的遮挡；可旋转快门盘有若干个开孔，这里称为快门孔；可旋转快门盘在马达的控制下旋转运动，当旋转到某个快门孔正对开孔屏蔽罩底面的某个开孔时，则此开孔被打开；逐渐旋转，此开孔又逐渐被遮挡，到完全遮挡，如此往复，使得开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔有规律的打开和关闭，使得静态磁场变成交变磁场；交变电磁场也通过这些开孔泄露出去，和上述的交变磁场一起形成发射端磁场。

6.根据权利要求5所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于：可旋转快门盘的大小，以及快门孔的大小、形状、位置和数量可以任意设置；设置的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为的交变磁场一起形成的发送端磁场能量的汇聚；

上述可旋转快门盘大小当设置为比开孔屏蔽罩底面小时，一个可旋转快门盘在一个马达控制下按照特定的轨迹运动，使得其只控制开孔屏蔽罩底面少量开孔的打开和关闭；那样，整个开孔屏蔽罩底面需要多个可旋转快门盘；上述可旋转快门盘若遮挡了开孔屏蔽罩底面的中心孔，则遮挡处必须开孔，开孔大小、形状和开孔屏蔽罩底面的中心孔相等；这个开孔目的也是为了使探测物反射的超声波在探测物表面震荡而产生的感生电磁场能穿过此孔，被磁感应接收阵列感应出电压并被接收。

7.根据权利要求5所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于：可旋转快门盘的快门孔根据实际探测应用需要，配置一个遮挡板，结合电机来使用；遮挡板也由磁屏蔽材料制作，其面积比该快门孔大，形状任意；遮挡板上开有若干个不同形状的槽缝或者小孔，若开槽缝，槽缝的间隔由疏到密或由密到疏排列，调节到哪段槽缝在电机工作前调整好；若开小孔，小孔的大小和形状根据实际应用任意设置；遮挡板黏贴固定在该快门孔上，随可旋转快门盘一起旋转运动。

8.根据权利要求7所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其特征在于，将开孔屏蔽罩底面的某个开孔假设为开孔1，其打开和关闭产生一个磁场强度随时间变化的开通波形，这里称为一重波；假设开孔屏蔽罩底面的开孔1与可旋转快门盘的快门孔A由一点重叠到完全重叠再到逐渐被遮挡，开孔1被逐渐打开，磁场泄露一点到泄露最多，开孔1被逐渐关闭，则磁场泄露又逐渐减少，这一过程产生一个起伏波1，起伏波1的形状由可旋转快门盘的快门孔A的大小和形状决定；随着可旋转快门盘的旋转，可旋转快门盘的快门孔B逐渐接近开孔屏蔽罩底面的开孔1；则开孔屏蔽罩底面的开孔1与可旋转快门盘的快门孔B由一点重叠到完全重叠，再到逐渐被遮挡，开孔1被逐渐打开，磁场泄露一点到泄露最多，开孔1被逐渐关闭，则磁场泄露又逐渐减少，这一过程产生一个起伏波2，起伏波2的形状由可旋转快门盘的快门孔B的大小和形状决定；起伏波1与起伏波2的间隔由可旋转快门盘的旋转速度和可旋转快门盘的快门孔A与快门孔B之间的距离决定；如此下去，开孔1打开和关闭产生的磁场强度随时间变化的开通波形由多个不同形状的起伏波组成；当可旋转快门盘旋转一周后，再周期重复下去；

当上述的可旋转快门盘的快门孔A配有遮挡板时，可旋转快门盘的快门孔A旋转到与开孔屏蔽罩底面的开孔1重合，由于快门孔A上设置有具有槽缝或者小孔的遮挡板，则开孔1会分裂成许多虚拟的小开孔；某个小开孔，设为编号1_1，会随着可旋转快门盘的运动，以更高的频率被不停地被打开和关闭，产生一个磁场强度随时间变化的开通波形，这里称为二重波；该二重波会在一重波的起伏波1里面再产生若干个频率更高的起伏波，此起伏波的形状由快门孔A上遮挡板的槽缝或者小孔的大小和形状决定，此起伏波之间的间隔由可旋转快门盘的旋转速度和可旋转快门盘的快门孔A上的遮挡板的槽缝间隔或者小孔间隔决定；从频域上来看，二重波和调频信号相乘，相当于对调频信号进行频谱搬移和频带展宽的控制。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，其工作方法包括如下步骤：

(1)启动工作：机电混合装置的开孔屏蔽罩底面一侧对准探测物待检测区域；

(2)发送信号：后台数据处理平台产生宽频调频信号提供给共轭线圈对作为交变电流信号；共轭线圈对的两个线圈通的交变电流方向相反，共轭线圈对通交变电流后产生交变电磁场；

(3)静态磁场转变为交变磁场，形成发射端磁场：马达控制可旋转快门盘不停地旋转运动，使得可旋转快门盘的某些快门孔对准或者遮挡开孔屏蔽罩底面的某些开孔，开孔被不停地打开和关闭；若可旋转快门盘的快门孔配置有遮挡板，则产生更高频率的打开和关闭的小开孔；静态磁场通过这些开孔或者小开孔的打开和关闭转变为交变磁场；交变电磁场通过这些开孔或者小开孔泄露出去和产生的交变磁场一起形成发射端磁场；

(4)发射端磁场汇聚，寻找汇聚点：由于多个共轭线圈对与开孔屏蔽罩底面有一定的倾斜角，多个共轭线圈对产生的交变电磁场通过这些开孔或者小开孔泄露出去和交变磁场一起形成发射端磁场，会在汇聚点形成发射端磁场的汇聚；左右上下移动开孔屏蔽罩，使得汇聚点对准探测物待检区域；

(5)形成超声波波源，超声波发射：发射端磁场汇聚后在探测物的趋肤层内产生频率相同的涡流，此涡流在磁场的作用下受到机械力的作用产生高频震荡，形成宽频调频超声波波源，且发射出去；

(6)接收超声波反射信号：超声波在探测物中传播，当遇到介质改变时发生反射；探测物反射的超声波在探测物表面产生震荡，进而产生感生电磁场，磁感应接收阵列感应出电压并接收感生电磁场，接收的即是超声波反射信号转换而成的宽频调频接收信号；磁感应接收阵列由于放置在若干个共轭线圈对产生的交变电磁场和静态磁场磁场强度都很微弱的位置处，所以共轭线圈对产生的交变电磁场和静态磁场对其干扰很小；

(7)接收信号发送至后台数据处理平台进行处理，最终得出检测结果；

(8)判断检测是否结束，如果是，停止检测；如果否，将探测系统移动到其它待检测区域，然后回到步骤(1)。