CN105403626B - 一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器，包括外壳和线圈，其特征在于所述换能器还包括永磁装置；所述永磁装置包括四个弧形磁靴、永磁体、十字卡槽、限位块、十字联轴器和机械旋钮。该换能器在永磁体下方设置有一弧形磁靴，该弧形磁靴采用硅钢片叠置而成，并通过对硅钢片的表面涂布绝缘漆，显著减低了换能器内部涡流的分布，避免了传统电磁超声换能器中内部涡流对换能过程及检测过程的干扰，并减少了涡流损耗，提升了换能器的换能效率。另外，永磁体的旋转可以使得电磁超声换能器在不工作的时候能够在铁磁性金属板上自由移动。

Description

一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器

技术领域

本发明属于工业测量技术领域，具体是一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器。

背景技术

电磁超声技术是无损检测领域出现的新技术，该技术利用电磁耦合方法激励和接收超声波。与传统的超声检测技术相比，它具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适于高温检测以及容易激发各种超声波形等优点。在工业应用中，电磁超声检测技术正越来越受到人们的关注和重视。

然而，作为电磁超声无损检测技术的核心器件，电磁超声换能器换能效率低，所采集的电磁超声波形特性复杂等不利影响，限制了该技术的推广应用。在电磁超声的激励过程中，电磁超声换能器内部的自身金属结构产生涡流，并在磁场的作用下出现较强的电磁超声，超声波将在金属结构中传播。该超声波也将被换能器采集，并与原始电磁超声信号相叠加，对换能器的采集过程产生严重干扰，使得换能器所采集电磁超声信号出现较大误差，无法准确接收被测金属结构中的电磁超声信号，不能正确反映被测金属结构特征。

CN 101701810公开了一种可降低磁铁回波的电磁超声接收器，通过在永磁体和线圈之间施加屏蔽层，以及增加永磁铁表面粗糙度，以减小永磁铁中超声信号对电磁超声换能器的检测精度的影响。该方法通过在永磁体和线圈之间施加屏蔽层，减小永磁铁中超声波的大小，但是该屏蔽层增加了永磁体与线圈之间的距离，在一定程度上降低了电磁超声的换能效率；此外，该专利通过增加永磁铁表面粗糙度，将永磁铁中超声波进行散射，但该方法并未从根本上解决永磁体中的超声波对电磁超声换能器的影响。

发明内容

本发明是针对电磁超声换能器工作过程中内部金属结构产生的电磁超声噪声干扰问题而设计了一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器。该换能器在永磁体下方设置有一弧形磁靴，该弧形磁靴采用硅钢片叠置而成，并通过对硅钢片的表面涂布绝缘漆，显著减低了换能器内部涡流的分布，避免了传统电磁超声换能器中内部涡流对换能过程及检测过程的干扰，并减少了涡流损耗，提升了换能器的换能效率。另外，永磁体的旋转可以使得电磁超声换能器在不工作的时候能够在铁磁性金属板上自由移动。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器，包括外壳和线圈，其特征在于所述换能器还包括永磁装置；所述永磁装置包括四个弧形磁靴、永磁体、十字卡槽、限位块、十字联轴器和机械旋钮；

所述外壳的内部四壁各自固定有一个弧形磁靴；所述四个弧形磁靴的弧面是凹弧面，弧度相同；四个弧形磁靴分成两两正对的两组；所述一个上下两个端面为凸弧形的永磁体设置于其中一组两个正对的弧形磁靴之间，其弧度与弧形磁靴的弧度完全匹配；所述永磁体中部开有贯通的十字卡槽，十字卡槽的轴向垂直于四个弧形磁靴组成的平面；每组中正对的两个弧形磁靴距离十字卡槽的中心线的距离相等，正对的两个弧形磁靴的中心延长线交汇于十字卡槽的中心点；四个弧形磁靴的弧面形成一个以十字卡槽的中心线为中轴线的圆柱体；所述外壳内壁紧贴弧形磁靴的位置安装有两个限位块，一个限位块紧贴一组两个正对的弧形磁靴中的一个，另一个限位块紧贴另一组两个正对的弧形磁靴中的一个，使得永磁体能够准确地停留在水平或垂直位置；所述十字联轴器中间穿过十字卡槽，一端置于外壳的孔槽内，另一端穿过外壳，并与置于外壳外侧的机械旋钮相连；当永磁体以十字联轴器为轴旋转时，永磁体与四个弧形磁靴之间的缝隙均相同；所述四个弧形磁靴中的一个下方具有线圈。

本发明的有益效果主要有：

①本发明通过采用硅钢片叠片结构作为永磁体的磁靴，由于硅钢片各片叠加在一起相互是绝缘的，所以可以显著降低电磁超声换能器内部涡流的产生，避免了涡流在磁场作用下所产生的超声波及其对电磁超声采集过程中的干扰，同时，电磁超声换能器的涡流损耗也相应减少，提高了电磁超声的换能效率，接收到的电磁超声信号幅值比传统电磁超声换能器采集的信号增大2倍多。

②当采用在电磁超声换能器的使用频率范围内相对磁导率大于7000且电阻率大于50μΩ·cm的固体材料作为永磁体磁靴的叠片结构材料时，由于材料较高的磁导率和电阻率，使得该装置在实现高导磁性能的基础上，可以进一步减低电磁超声换能器结构内部的涡流，并限制由该涡流所引起的噪声干扰，提高换能器的换能效率。

③本发明所设计的电磁超声换能器用永磁装置结构简单，成本低廉，并解决了现有电磁超声探头在铁磁性金属材料上移动困难的现实问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器一种实施例的永磁装置内部纵切面主视图

图2为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器一种实施例的永磁装置内部横切面左视图；

图3为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器一种实施例的弧形磁靴立体图；

图4为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器实施例1的第一弧形磁靴与折形线圈组合的立体图；

图5为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器实施例1的第一弧形磁靴与折形线圈的组合图；

图6为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器实施例2的第一弧形磁靴与跑道形线圈的组合图；

图7为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器实施例3的第一弧形磁靴与螺旋形线圈的组合图；

图8为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器实施例1中电磁超声换能器激发与采集过程示意图；

图9为本发明具有新型永磁装置的电磁超声换能器实施例1中电磁超声换能器采集的信号；(其中，图9(a)图为采用传统电磁超声换能器采集的信号；图9(b)图为采用本申请实施例1的永磁装置的电磁超声换能器采集的信号)

具体实施方式

本发明提供了一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器(参见图1-9，简称换能器)，包括外壳10和线圈11，其特征在于所述换能器还包括永磁装置；所述永磁装置包括第一弧形磁靴1、永磁体2、第三弧形磁靴3、十字卡槽4、第四弧形磁靴5、第二弧形磁靴6、限位块7、十字联轴器8和机械旋钮9；

所述外壳10的内部四壁各自固定有第一弧形磁靴1、第二弧形磁靴6、第四弧形磁靴5和第三弧形磁靴3；所述四个弧形磁靴的弧面是凹弧面，弧度相同；四个弧形磁靴分成两两正对的两组；所述永磁体2是一个上下两个端面为凸弧形的永磁体，其设置于其中一组两个正对的弧形磁靴之间，其弧度与弧形磁靴的弧度完全匹配；所述永磁体2中部开有贯通的十字卡槽4，十字卡槽4的轴向垂直于四个弧形磁靴组成的平面；每组中正对的两个弧形磁靴距离十字卡槽4的中心线的距离相等，正对的两个弧形磁靴的中心延长线交汇于十字卡槽4的中心点；四个弧形磁靴的弧面形成一个以十字卡槽4的中心线为中轴线的圆柱体；所述外壳内壁紧贴弧形磁靴的位置安装有两个限位块7，一个限位块紧贴一组两个正对的弧形磁靴中的一个，另一个限位块紧贴另一组两个正对的弧形磁靴中的一个，使得永磁体能够准确地停留在水平或垂直位置；所述十字联轴器8中间穿过十字卡槽4，一端置于外壳10的孔槽内，另一端穿过外壳10，并与置于外壳10外侧的机械旋钮9相连；当永磁体2以十字联轴器为轴旋转时，永磁体2与四个弧形磁靴之间的缝隙均相同，范围是0.5～2mm；

机械旋钮9通过十字联轴器8带动永磁体2转动，以十字联轴器8为轴在四个弧形磁靴组成的平面进行90°旋转，使得永磁体2可以在水平和垂直两个方向上切换。

下方具有线圈11的弧形磁靴由DQ126G-35冷轧取向硅钢片层层叠加而成，每层硅钢片表面涂覆有绝缘漆；弧形磁靴与线圈11的叠加方式多样，原则是：线圈11中较长的线与硅钢片的长和宽所在的面垂直；另外三个弧形磁靴由导磁性能好的低碳钢材料制成；

下方具有线圈11的弧形磁靴也可以采用在电磁超声换能器的使用频率范围内相对磁导率大于7000且电阻率大于50μΩ·cm的固体材料，例如超微晶材料。

所述限位块7由非导磁的铝材制成。

所述永磁体2是钕铁硼永磁体。

所述外壳10为长方体结构。

就本实施1-3而言，第一弧形磁靴1、第二弧形磁靴6、第四弧形磁靴5和第三弧形磁靴3分别安装于外壳10的底部、顶部、左侧和右侧内壁上；第二弧形磁靴6的左侧和第四弧形磁靴5的上方各固定有一个限位块7；第一弧形磁靴的下方具有线圈11；所述第二弧形磁靴6、第一弧形磁靴1与处于垂直方向时的永磁体2形成导磁路径，用于换能器激励和接收电磁超声。第三弧形磁靴3、第四弧形磁靴5与处于水平方向时的永磁体2形成导磁路径，用于减小永磁体与被测金属之间的吸引力，便于换能器在被测金属上自由移动。

实施例1

当永磁装置与折形线圈11组合时，第一弧形磁靴1中硅钢片的叠置方式参见图4和5，第一弧形磁靴的硅钢片采用冷轧取向硅钢片，表面涂上绝缘漆，尺寸为长80mm，高5mm，厚0.3mm。在硅钢片厚度方向上叠加150片形成磁靴结构。在硅钢片长度方向上，采用机床将磁靴上表面车成圆弧形(当圆弧以永磁体的中心为圆心时，其弧度的度数为60°)，制成第一弧形磁靴1，第一弧形磁靴长度为80mm，厚度为45mm，磁靴最高处为4mm，最低处为2mm。第二弧形磁靴6、第三弧形磁靴3、第四弧形磁靴5采用导磁性能好的低碳钢材料制成，其尺寸与第一弧形磁靴1相同。限位块7由非导磁的铝材制成，其尺寸为长45mm，高8mm，厚3mm。永磁体2采用钕铁硼材料，顶端和底端为弧形面，其尺寸为长80mm，厚45mm，永磁体最高处为160mm，最低处为156mm。在永磁体2高度方向的中心位置预制十字卡槽4，十字卡槽4的轴向垂直于四个磁靴组成的平面，用于与十字联轴器8相连。折形线圈的尺寸为长30mm，宽18.5mm，厚1mm，四折，线间距为1.5mm。折形线圈的长线方向与硅钢片的长和宽所在的面垂直，将折形线圈粘贴于第一弧形磁靴1的正下方。由于每个硅钢片表面涂有绝缘漆，因此无法在多个硅钢片之间形成涡流，可以大大降低永磁装置内部的涡流，避免了在永磁装置中产生电磁超声。

图8所示实施例表明，将电磁超声换能器14置于金属铝板16上，电磁超声换能器14距金属铝板的左边界13为100mm，金属铝板16距左边界13350mm处有一长约15mm裂纹15。金属铝板16尺寸为长700mm，宽500mm，厚20mm。采用RITEC公司的电磁超声激励源产生幅值为170V、频率为1MHz的脉冲，加载于电磁超声换能器14，激发脉冲个数为7个。

图9所示实施例表明，a图为采用传统电磁超声换能器采集的信号，b图为采用实施例1的电磁超声换能器采集的信号。由于传统电磁超声换能器的永磁装置中有比较强的涡流，那么涡流会在磁场的作用下产生洛伦兹力，该洛伦兹力将导致永磁装置内部产生超声波，而该超声波将对换能器采集被测试件中的超声波产生干扰，因此，图9(a)中噪声较大，反映裂纹信息的电磁超声波形特征不明显，并且接收到的电磁超声幅值较低。图9(b)中，由于电磁超声换能器采用本发明中的永磁装置，永磁装置中的涡流大大减少，永磁装置内部的电磁超声极小，对电磁超声的接收过程不产生影响，并且由于涡流损耗减少了，电磁超声的换能效率也显著提升，接收到的电磁超声信号幅值也比图9(a)中增大到2倍多。

实施例2

当永磁装置与跑道形线圈组合时，第一弧形磁靴1的硅钢片叠置方式如图6所示，第一弧形磁靴1的硅钢片采用两种冷轧取向硅钢片，第一种硅钢片尺寸为长40mm，高5mm，厚0.3mm，第二种硅钢片尺寸为长15mm，高5mm，厚0.3mm，表面涂上绝缘漆。在硅钢片厚度方向上叠加第一种硅钢片70片形成第一弧形磁靴的中心部分(图6中竖线部分)，在垂直于第一种硅钢片平面的左右两侧，将第二种硅钢片在厚度方向上分别叠加133片(图6中横线部分)，这两部分共同组成第一弧形磁靴1的磁靴结构。在第一种硅钢片长度方向上，采用机床将磁靴上表面车成圆弧形，当圆弧以永磁体2的中心为圆心时，其弧度的角度为14.5°，制成第一弧形磁靴1，第一弧形磁靴长度为51mm，厚度为40mm，磁靴最高处为4mm，最低处为2mm。第二弧形磁靴6、第三弧形磁靴3、第四弧形磁靴5采用导磁性能好的低碳钢材料制成，其尺寸与第一弧形磁靴1相同。跑道形线圈的尺寸为长30mm，宽16mm，厚1mm，其他部分同实施例1。将跑道形线圈粘贴于第一弧形磁靴的下方。由于每个硅钢片表面涂有绝缘漆，且硅钢片与跑道形线圈的主要长线方向垂直，因此无法在多个硅钢片之间形成涡流，可以大大降低永磁装置内部的涡流，避免了在永磁装置中产生电磁超声。电磁超声的换能效率接近实施例1。

实施例3

当永磁装置与螺旋形线圈组合时，第一弧形磁靴1的硅钢片叠置方式如图7所示，第一弧形磁靴的硅钢片采用两种冷轧取向硅钢片，第一种硅钢片尺寸为长50mm，高5mm，厚0.3mm，第二种硅钢片尺寸为长15mm，高5mm，厚0.3mm，表面涂上绝缘漆。在硅钢片厚度方向上叠加第一种硅钢片50片形成第一弧形磁靴的中心部分(图7中竖线部分)，在垂直于第一种硅钢片平面的左右两侧，将第二种硅钢片在厚度方向上分别叠加166片(图7中横线部分)，这两部分共同组成第一弧形磁靴1的磁靴结构。在第一种硅钢片长度方向上，采用机床将第一弧形磁靴上表面车成圆弧形，当圆弧以永磁体的中心为圆心时，其弧度的角度为18.4°，制成第一弧形磁靴1，第一弧形磁靴长度为45mm，厚度为50mm，磁靴最高处为4mm，最低处为2mm。第二弧形磁靴6、第三弧形磁靴3、第四弧形磁靴5采用导磁性能好的低碳钢材料制成，其尺寸与第一弧形磁靴1相同。螺旋形线圈的尺寸为半径15mm，厚1mm，其他部分同实施例1。将螺旋形线圈粘贴于第一弧形磁靴的下方。由于每个硅钢片表面涂有绝缘漆，且硅钢片与螺旋形线圈的大部分导线之间存在较大夹角，因此无法在多个硅钢片之间形成涡流，可以大大降低永磁装置内部的涡流，避免了在永磁装置中产生电磁超声。电磁超声的换能效率接近实施例1。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (9)

1.一种具有新型永磁装置的电磁超声换能器，包括外壳和线圈，其特征在于所述换能器还包括永磁装置；所述永磁装置包括四个弧形磁靴、永磁体、十字卡槽、限位块、十字联轴器和机械旋钮；

所述外壳的内部四壁各自固定有一个弧形磁靴；所述四个弧形磁靴的弧面是凹弧面，弧度相同；四个弧形磁靴分成两两正对的两组；所述一个上下两个端面为凸弧形的永磁体设置于其中一组两个正对的弧形磁靴之间，其弧度与弧形磁靴的弧度完全匹配；所述永磁体中部开有贯通的十字卡槽，十字卡槽的轴向垂直于四个弧形磁靴组成的平面；每组中正对的两个弧形磁靴距离十字卡槽的中心线的距离相等，正对的两个弧形磁靴的中心延长线交汇于十字卡槽的中心点；四个弧形磁靴的弧面形成一个以十字卡槽的中心线为中轴线的圆柱体；所述外壳内壁紧贴弧形磁靴的位置安装有两个限位块，一个限位块紧贴一组两个正对的弧形磁靴中的一个，另一个限位块紧贴另一组两个正对的弧形磁靴中的一个，使得永磁体能够准确地停留在水平或垂直位置；所述十字联轴器中间穿过十字卡槽，一端置于外壳的孔槽内，另一端穿过外壳，并与置于外壳外侧的机械旋钮相连；当永磁体以十字联轴器为轴旋转时，永磁体与四个弧形磁靴之间的缝隙均相同；所述四个弧形磁靴中的一个下方具有线圈；

下方具有线圈的弧形磁靴由冷轧取向硅钢片层层叠加而成，每层硅钢片表面涂覆有绝缘漆。

2.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述冷轧取向硅钢片的型号是DQ126G-35。

3.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述下方具有线圈的弧形磁靴采用在电磁超声换能器的使用频率范围内相对磁导率大于7000且电阻率大于50μΩ·cm的固体材料。

4.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述限位块由非导磁的铝材制成。

5.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述永磁体是钕铁硼永磁体。

6.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为下方不具有线圈的弧形磁靴由导磁性能好的低碳钢材料制成。

7.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述永磁体与四个弧形磁靴之间的缝隙为0.5-2mm。

8.如权利要求2所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述下方具有线圈的弧形磁靴与线圈的叠加原则是线圈中较长的线与硅钢片的长和宽所在的面垂直。

9.如权利要求1所述的具有新型永磁装置的电磁超声换能器，其特征为所述外壳为长方体结构。