CN105222732B - 一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，包括：主永久磁铁对(1、2)、环状磁力开关(3)和导磁桥(4)；主永久磁铁对极性相反；环状磁力开关由两对1/4环状辅助永久磁铁依次首尾相连构成，进一步收拢磁力线，并引导磁力线走向；环状磁力开关(3)旋至0度，进入开启状态，形成垂直方向上的主磁场，用于电磁超声测厚；环状磁力开关(3)旋至90度，进入关闭状态，形成水平方向上的主磁场；导磁桥(4)由导磁性件和两对导磁臂组成，用于关闭状态下引导主磁路上的磁力线形成闭合回路，切断对铁磁性工件的磁吸附力。本发明通过旋转方式实现磁场强弱转换与磁吸附力通断，具有结构紧凑、操作简便、易与工件分离等优点。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，更具体地，涉及一种铁磁性工件测厚的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头。
背景技术
电磁超声(Electromagnetic acoustic，简称EMAT)，是无损检测领域出现的一种新技术。该技术利用电磁耦合方法激励和接收超声波。与传统的压电超声检测技术相比，它具有无需耦合剂、测量精度高、能实现非接触式测量等优点，对测量表面要求低、可适用于各种高温环境下的检测并且无需更换换能器，只需改变激励电信号的频率就可实现波型模式的自由转换。
EMAT测厚技术是工业无损检测领域应用的一个重要方面。通过检测超声波在铁磁性工件厚度方向上传播的时延即可折算出铁磁性工件的厚度。由于EMAT测厚采用垂直入射的横波，故纵向分辨力要比压电换能器高出一倍。因此EMAT测厚技术可用于钢板及石油天然气管道等的检测。
传统的电磁超声测厚探头利用磁性较强的永久磁铁产生激励磁场，因而即使在非工作状态下，探头对铁磁性工件仍然具有较强的磁吸附力。这导致检测人员将探头安放在铁磁性工件表面时必须小心翼翼，否则探头可能直接砸向铁磁性工件，造成探头的损坏。而且永磁铁的磁吸附力对检测人员在检测过程中沿铁磁性工件表面移动探头进行换位测量或检测完成后从铁磁性工件表面移除探头的操作均会带来不便。
B.Dutton在其论文《A new magnetic configuration for a small in-planeelectromagnetic acoustic transducer applied to laser-ultrasound measurements:Modeling and validation》中提出了一种利用一对极性相对的永磁铁相互靠近来增强磁场的方法，但他最终利用的是磁力线向四周发散的磁场，并没有对磁力线进行约束和引导，因而无法形成某一特定方向的主磁场，无法达到EMAT测厚所需的磁场强度要求。CN101706266A中公开了一种用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁，采用脉冲电磁铁代替永久磁铁，可实现磁力的通断，然而，电磁铁在实际使用中容易对检测信号产生干扰，直接影响到检测精度。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，通过旋转环状磁力开关改变主磁场的方向，从而实现磁力通断的技术效果。
一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，包括：
主永久磁铁对，极性相反，产生往中心挤压并向四周发散的强磁场；
环状磁力开关，由两对1/4环状辅助永久磁铁依次首尾相连构成：其中一对极性相反的辅助永久磁铁对，用于进一步收拢磁力线，阻碍磁力线向周围空气中逸散；另一对的辅助永久磁铁，用于引导磁力线走向，形成与该对辅助永久磁铁极性方向相同的主磁场；
导磁桥，由导磁性件和两对导磁臂组成，用于当环状磁力开关处于关闭状态时，引导主磁路上的磁力线形成闭合回路，阻碍磁力线穿过探头下方的铁磁性工件，从而切断探头对工件的磁吸附力；
壳体和壳盖，该壳体和壳盖均由非铁磁性材料制成；壳体与壳盖固连在一起用于封装主永久磁铁对、环状磁力开关、导磁桥；
铜片，位于主永久磁铁对的下方；
平面螺旋线圈，位于铜片的下方；
耐磨层，位于平面螺旋线圈的下方；
插座，安装在壳体上表面的中心孔内，通过绝缘导线与平面螺旋线圈相连。
作为进一步优选地，环状磁力开关的内圈尽可能贴近主永久磁铁对，间距控制在0.5mm～1mm。
作为进一步优选地，导磁性件呈板状布置于壳体内上部。
作为进一步优选地，两对导磁臂中的一对导磁臂呈柱状，并且上端安装于导磁性件上，下端分别贴近主永久磁铁对的外侧，间距控制在1mm以内。
作为进一步优选地，两对导磁臂中的另一对导磁臂呈上端柱状下端1/4环状，并且上端安装于导磁性件上，下端分别环抱环状磁力开关外侧，间距控制在0.5mm～1mm。
作为进一步优选地，导磁性件和两对导磁臂均由电工用铁的高导磁材料制成。
作为进一步优选地，耐磨层由譬如POM或尼龙6这类高强度、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀的材料制成并粘接于壳体下方。
本发明的技术效果体现在：
按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，利用一对极性相对的永久磁铁挤压聚磁，通过调整磁铁之间的间距控制挤压磁场的强度，利用环状磁力开关，收拢和引导磁力线，实现开启(ON)和关闭(OFF)状态下的磁力通断，从而便于检测人员在铁磁性工件表面放置、移动和取出超声测厚探头。
附图说明
图1是一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的原理图。
图2是一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的封装图。
图3是一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的装配图。
图4是一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头在垂直于主永久磁铁1和2的中心轴线且位于两者中间的平面A上的剖视图。
图5是一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头在垂直于平面A且穿过主永久磁铁1和2的中心轴线的平面B上的剖视图。
图6是利用COMSOL Multiphysics4.4仿真软件得到的在开启状态(ON)下按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的磁场分布图。
图7是利用COMSOL Multiphysics4.4仿真软件得到的在关闭状态(OFF)下按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的磁场分布图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、2-主永久磁铁对；3-环状磁力开关；4-导磁桥；5、7-极性相同的辅助永久磁铁对；6、8-极性相反的辅助永久磁铁对；9-导磁性件；10、12-一对柱状导磁臂；11、13-一对呈上端柱状下端1/4环状的导磁臂；14-圆柱套筒；15-卡齿状套筒；16-壳体；17-螺杆；18-插座；19-六角螺母；20-小螺钉；21-大螺钉；22-手柄；23-壳盖；24-铜片；25-平面螺旋线圈；26-耐磨层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头主要包括：主永久磁铁对1、2，环状磁力开关3和导磁桥4；主永久磁铁对1、2极性相反，产生往中心挤压并向四周发散的强磁场；环状磁力开关3由两对1/4环状辅助永久磁铁依次首尾相连构成：其中一对极性相反的辅助永久磁铁对6、8，用于进一步收拢磁力线，阻碍磁力线向周围空气中逸散；另一对极性相同的辅助永久磁铁对5、7，用于引导磁力线走向，形成与该对极性相同的辅助永久磁铁对5、7极性方向相同的主磁场；环状磁力开关3旋至0度时，极性相同的辅助永久磁铁对5、7位于上下两侧，极性相反的辅助永久磁铁对6、8位于左右两侧，从而进入开启状态(ON)，形成垂直方向上的主磁场，用于电磁超声测厚；环状磁力开关3旋至90度时，极性相同的辅助永久磁铁对5、7位于左右两侧，极性相反的辅助永久磁铁对6、8位于上下两侧，从而进入关闭状态(OFF)，形成水平方向上的主磁场；导磁桥4由十字形导磁性件9、一对柱状导磁臂10、12以及另一对呈上端柱状下端1/4环状的导磁臂11、13组成，用于关闭状态下引导主磁路上的磁力线形成闭合回路，从而切断对铁磁性工件的磁吸附力。
如图3、4、5所示，本旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头具体包括：一对极性相反的主永久磁铁1、2；一对1/4环状极性相同的辅助永久磁铁对5、7，一对1/4环状极性相反的辅助永久磁铁对6、8，两对1/4环状辅助永久磁铁5、6、7、8依次首尾相连构成环状磁力开关3；十字形导磁性件9，一对柱状导磁臂10、12，一对呈上端柱状下端1/4环状的导磁臂11、13；圆柱套筒14、卡齿状套筒15、壳体16、螺杆17、插座18、六角螺母19、小螺钉20、大螺钉21、手柄22、壳盖23、铜片24、平面螺旋线圈25、耐磨层26。
环状磁力开关3、卡齿状套筒15、手柄22三者装配在一起组成磁力通断控制系；主永久磁铁对1、2穿过圆柱套筒14与导磁臂10、12一并通过螺杆17和六角螺母19串联固定，并与磁力通断控制系相互形成转动副连接。
导磁臂10、11、12、13分别利用小螺钉20垂直安装在十字形导磁性件9的四条伸出棱末端构成导磁桥4；壳体16侧面内壁上包含用于导磁桥4水平定位的导槽结构；十字形导磁性件9通过大螺钉21与壳体16上表面固连。
插座18安装于壳体16上表面的中心孔内，并通过绝缘导线与平面螺旋线圈25相连；壳体16与壳盖23固连在一起；铜片24位于主永久磁铁对1和2的下方；平面螺旋线圈25位于铜片24的下方；耐磨层26位于平面螺旋线圈25的下方；耐磨层26由高强度、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀的材料制成并粘接于壳体16的下方。
图6是利用COMSOL Multiphysics4.4仿真软件得到的在ON状态下按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的磁场分布图。图7是利用COMSOL Multiphysics4.4仿真软件得到的在OFF状态下按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头的磁场分布图。如图6和图7所示，矩形平板表示铁磁性工件，箭头指向表示该点处的磁力线的方向，箭头的大小表示该点处的磁通量的模。通过对比可以发现，按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头旋至ON状态时，在铁磁性工件内产生的垂直磁场明显强于旋至OFF状态时产生的垂直磁场。
表1是利用COMSOL Multiphysics4.4仿真软件得到的在ON及OFF状态下按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头对下方铁磁性工件的垂直磁吸附力及垂直方向上的表面磁感应强度。
表1
通过分析表1中的数据，可以发现，按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头在ON状态下对下方铁磁性工件的垂直磁吸附力是OFF状态下的9.513倍，同时，垂直方向上表面磁感应强度是OFF状态下的2.856倍。从而证实按照本发明的旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头在ON状态下能提供垂直方向的强磁场和磁吸附力，在OFF状态下能切断对铁磁性工件的磁吸附力。
本领域的工作人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，包括主永久磁铁对(1、2)，极性相反，产生往中心挤压并向四周发散的强磁场；其特征在于还包括：
环状磁力开关(3)，由两对1/4环状辅助永久磁铁依次首尾相连构成；其中一对是极性相反的辅助永久磁铁对(6、8)，用于进一步收拢磁力线，阻碍磁力线向周围空气中逸散；另一对是极性相同的辅助永久磁铁对(5,7)，用于引导磁力线走向，形成与该对辅助永久磁铁极性方向相同的主磁场；
导磁桥(4)，由导磁性件(9)和两对导磁臂(10、11、12、13)组成，其中一对柱状导磁臂(10、12)，另一对呈上端柱状下端1/4环状导磁臂(11、13)；所述导磁桥(4)用于当环状磁力开关(3)处于关闭状态时，引导主磁路上的磁力线形成闭合回路，阻碍磁力线穿过探头下方的铁磁性工件，从而切断探头对工件的磁吸附力；
壳体(16)和壳盖(23)，均由非铁磁性材料制成；壳体(16)与壳盖(23)固连在一起用于封装主永久磁铁对(1、2)、环状磁力开关(3)、导磁桥(4)；
铜片(24)，位于主永久磁铁对(1、2)的下方；
平面螺旋线圈(25)，位于铜片(24)的下方；
耐磨层(26)，位于平面螺旋线圈(25)的下方；
插座(18)，安装在壳体(16)上表面的中心孔内，通过绝缘导线与平面螺旋线圈(25)相连。
2.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：环状磁力开关(3)的内圈尽可能贴近永久磁铁对(1、2)，间距控制范围是0.5mm～1mm。
3.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：导磁性件(9)为十字形，呈板状布置于壳体(16)内上部。
4.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：一对柱状的导磁臂(10、12)的上端安装于导磁性件(9)上，下端分别贴近永久磁铁对(1、2)的外侧，间距控制在1mm以内。
5.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：另一对上端柱状下端1/4环状的导磁臂(11、13)的上端安装于导磁性件(9)上，下端分别环抱所述环状磁力开关(3)的外侧，间距控制在0.5mm～1mm。
6.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：所述环状磁力开关(3)与卡齿状套筒(15)、手柄(22)三者装配在一起组成磁力通断控制系；所述主永久磁铁对(1、2)穿过圆柱套筒(14)与导磁臂(10、12)一并通过螺杆(17)和六角螺母(19)串联固定，并与磁力通断控制系相互形成转动副连接。
7.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：壳体(16)侧面内壁上包含用于导磁桥(4)水平定位的导槽结构，导磁性件(9)通过大螺钉(21)与壳体(16)上表面固连。
8.如权利要求3所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：导磁臂(10、11、12、13)分别利用小螺钉(20)垂直安装在导磁性件(9)十字形的四条伸出棱末端构成导磁桥(4)。
9.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：导磁性件(9)和两对导磁臂(10、11、12、13)均由电工用铁的高导磁材料制成。
10.如权利要求1所述的一种旋控式磁力可断的电磁超声测厚探头，其特征在于：所述耐磨层(26)由POM或尼龙6制成，所述耐磨层(26)粘接于壳体(16)下方。
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