CN105510449B - 可变发射角度范围的电磁超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变发射角度范围的电磁超声换能器，包括：开口圆环状导磁合金带；多个开口金属环，多个开口金属环设在开口圆环合金带且同心设置；旋转滑块，旋转滑块可旋转地设在开口圆环状导磁合金带上且旋转滑块的旋转轴线穿过多个开口金属环的共同圆心，旋转滑块上设有多个弧形凹槽和随旋转滑块运动的若干导线，多个开口金属环分别配合在多个弧形凹槽内且每个导线与相邻两个开口金属环接触；调控组件，调控组件与旋转滑块相连以控制旋转滑块旋转。根据本发明实施例的电磁超声换能器提高了信噪比与定位精度，且可以准确定位待检测板材结构缺陷的位置。
Description
技术领域
本发明涉及板材缺陷检测和健康监测技术领域，特别涉及一种可变发射角度范围的电磁超声换能器。
背景技术
板材在各行各业中被普遍应用于构建建筑结构和设施，而这些板材在出厂前可能包含生产过程中引发的缺陷，在出厂并经过长时间的使用之后也可能产生由环境和应力疲劳等因素引起的各种缺损，有必要对这些板结构中可能含有的缺陷进行及时的主动检测，从而避免缺损进一步扩大甚至是发生断裂，确保由其建立的建筑和设施的完整性，保障人们生产和生活的安全顺利进行。此外，也可考虑采用长期监测机制持续关注板结构的健康状况，更全面地掌握结构件在服役全过程的演变情况，进而预测其使用寿命。结构件缺陷检测和结构健康监测通常采用无损检测方法，而基于超声导波的检测方法又以其在一点检测结构一条线的快速、高效的优点而受到人们的关注。
与传统的激励超声体波的情况相似，目前用于激励超声导波的换能器多为压电换能器，这种换能器自成体系生成导波，之后导波依赖液体耦合介质的辅助传播到被测构件中去。这种对于耦合介质的需求，以及使用压电换能器难以激励横波的特点，使得压电换能器的应用受到限制。鉴于此种情况，人们根据电磁场的力学效应发明了电磁超声换能器(EMAT)。在EMAT中，偏置磁场、高频电流线圈和被测导电结构构成了三个组成部分，依靠电磁效应直接在被测构件中激励出导波，因而通常具有非接触、无需耦合的重要优点。在具体的电磁-力转化机理方面，EMAT通常基于洛伦兹力和磁致伸缩效应。在导电非铁磁材料中只有洛伦兹力，在铁磁材料中通常两种效应都存在，且磁致伸缩效应占主导地位。
而普通的EMAT一旦使用就无法再次变更导波的激发与接收方向，对于某些特殊的工业应用造成了很大的不便。
相关技术中提出一种全向SH导波电磁超声换能器，基于磁致伸缩效应原理生成SH导波，并可全方向激发和接收导波的超声换能器结构。该发明可检测平板材料内各个方向的缺陷，但只能确定缺陷与电磁超声换能器之间距离，无法确定缺陷的具体位置，且能量强度、信噪比较低，由于向四周激发导波，导波会形成互相的干扰，降低了定位精度。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明提出一种可变发射角度范围的电磁超声换能器，该电磁超声换能器提高了信噪比与定位精度。
根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器包括：开口圆环状导磁合金带；多个开口金属环，多个所述开口金属环设在所述开口圆环合金带且同心设置；旋转滑块，所述旋转滑块可旋转地设在开口圆环状导磁合金带上且所述旋转滑块的旋转轴线穿过多个所述开口金属环的共同圆心，所述旋转滑块上设有多个弧形凹槽和随所述旋转滑块运动的若干导线，多个所述开口金属环分别配合在多个所述弧形凹槽内且每个所述导线与相邻两个所述开口金属环接触；调控组件，所述调控组件与所述旋转滑块相连以控制所述旋转滑块旋转。
根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器，通过调控组件改变旋转滑块在开口圆环状导磁合金带的位置，且产生的导波与旋转滑块指向一致，使得电磁超声换能器激发的导波能量集中，提高了信噪比与定位精度，且可以准确定位待检测板材结构缺陷的位置。
另外，根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述调控组件包括：转轴，所述旋转滑块通过所述转轴可旋转地安装在所述开口圆环状导磁合金带上；从动齿轮，所述从动齿轮传动连接在所述转轴上；主动齿轮，所述主动齿轮通过传动齿轮与所述从动齿轮传动配合；调节按钮，所述调节按钮与所述主动齿轮传动连接。
根据本发明的一个实施例，所述主动齿轮与所述从动齿轮的传动比为1:1。
根据本发明的一个实施例，所述调节按钮上设有与所述旋转滑块的长度方向平行的指针。
根据本发明的一个实施例，可变发射角度范围的电磁超声换能器还包括：壳体，所述开口圆环状导磁合金带安装在所述壳体上且与所述壳体共同限定出腔室，多个所述开口金属环、所述旋转滑块、所述转轴、所述传动齿轮、所述从动齿轮、所述主动齿轮位于所述腔室内且所述调节按钮从所述壳体露出，其中所述转轴、所述传动齿轮和所述调节按钮安装在所述壳体上。
根据本发明的一个实施例，在所述第一转轴的径向上，所述壳体为有机玻璃壳体。
根据本发明的一个实施例，所述可变发射角度范围的电磁超声换能器还包括：滑动轴承，所述滑动轴承的一端与所述旋转轴相连且另一端与所述壳体相连。
根据本发明的一个实施例，所述从动齿轮邻近所述轴承的上端，所述旋转滑块邻近所述转轴的下端，所述滑动轴承在所述转轴的轴向上位于所述从动齿轮和所述旋转滑块之间。
根据本发明的一个实施例，所述开口圆环状导磁合金带为铁镍合金。
根据本发明的一个实施例，每个所述导线沿多个所述开口金属环的共同径向延伸且长度大于相邻所述开口金属环的间距。
根据本发明的一个实施例，每个所述导线位于相邻所述弧形凹槽之间，相邻两个所述导线中的一个邻居所述旋转滑块一侧且另一个邻近所述旋转滑块的另一侧。
根据本发明的一个实施例，所述开口金属环的数量为偶数个。
根据本发明的一个实施例，相邻所述开口金属环的间距为导波波长的一半。
根据本发明的一个实施例，所述开口圆环状导磁合金带的朝向所述开口金属环的表面涂有绝缘层，多个所述开口金属环粘接在所述绝缘层上。
根据本发明的一个实施例，所述绝缘层的厚度为0.01-0.1mm。
根据本发明的一个实施例，每个所述开口金属环的开口在所述开口圆环状导磁合金带的周向上与所述开口圆环状导磁合金带的开口对齐。
根据本发明的一个实施例，所述开口圆环状导磁合金带的厚度为0.2-0.5mm，所述开口圆环状导磁合金带的开口的宽度为0.6-0.25mm。
根据本发明的一个实施例，多个所述开口金属环中位于最外侧和最内侧的两个开口金属环上分别设有接线端，两个所述接线端邻近所述开口圆环状导磁合金带的开口设置。
根据本发明的一个实施例，所述旋转滑块和所述调控组件为绝缘件。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器的主视剖视图；
图2是根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器的俯视剖视图；
图3根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器的局部剖视图；
图4根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器的电流走向示意图。
附图标记：
可变发射角度范围的电磁超声换能器100；
开口圆环状导磁合金带10；
多个开口金属环20；绝缘层21；
旋转滑块30；弧形凹槽31；
导线40；
调控组件50；转轴51；从动齿轮52；主动齿轮53；调节按钮54；指针541；传动齿轮55；
壳体60；腔室61；
滑动轴承70；
接线端80；
导波90；
开口101；
电流方向102。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器100。
如图1和图2所示，可变发射角度范围的电磁超声换能器100包括：开口圆环状导磁合金带10、多个开口金属环20、旋转滑块30和调控组件50。其中，开口圆环状导磁合金带10可以为铁镍合金。
具体地，多个开口金属环20设在开口圆环状导磁合金带10上且同心设置。
旋转滑块30可转动地设在开口圆环状导磁合金带10上且旋转滑块30的旋转轴线穿过多个开口金属环20的共同圆心，旋转滑块30上设有多个弧形凹槽31和随旋转滑块30运动的若干导线40，多个开口金属环20分别配合在多个弧形凹槽31内且每个导线40与相邻两个开口金属环20接触。调控组件50与旋转滑块30相连以控制旋转滑块30旋转。
根据本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器100，通过调控组件50改变旋转滑块30在开口圆环状导磁合金带10的位置，且产生的导波90与旋转滑块30指向一致，使得电磁超声换能器100激发的导波90能量集中，提高了信噪比与定位精度，且可以准确定位待检测板材结构缺陷的位置。
在本发明的一些实施例中，调控组件50可以包括：转轴51、从动齿轮52、主动齿轮53和调节按钮54。
具体地，旋转滑块30通过转轴51可旋转地安装在开口圆环状导磁合金带10上。从动齿轮52传动连接在转轴51上。主动齿轮53通过传动齿轮55与从动齿轮52传动配合。调节按钮54与主动齿轮53传动连接。
也就是说，如图1所示，调节按钮54和主动齿轮53同轴设置，操作者旋转调节按钮54做旋转运动时，主动齿轮53与调节按钮54同步同向旋转，传动齿轮55与主动齿轮53外啮合，传动齿轮55与主动齿轮53同步反向旋转并将动力传递到从动齿轮52，从动齿轮52与传动齿轮55同样也是外啮合，因此，从动齿轮52与主动齿轮53同步同向运动，从而带动套设在转轴51下端的旋转滑块30同步同向运动。
进一步地，主动齿轮53与从动齿轮52的传动比为1:1。调节按钮54上设有与旋转滑块30的长度方向平行的指针541。也就是说，主动齿轮53、从动齿轮52、调节按钮54和传动齿轮55旋转的角速度相同，从而使得调节按钮54上的指针541始终与旋转滑块30的指示方向一致，进而提高电磁超声换能器100的测量方向进行有效控制，从而板材的缺陷位置作出准确定位。
进一步地，电磁超声换能器100还包括壳体60。开口圆环状导磁合金带10安装在壳体60上且与壳体60共同限定出腔室61，多个开口金属环20、旋转滑块30、转轴51、传动齿轮55、从动齿轮52、主动齿轮53位于腔室61内且调节按钮54从壳体60露出，其中转轴51、传动齿轮55和调节按钮54安装在壳体60上。由此，使得了电磁超声换能器100结构布置简洁合理。
有利地，壳体60可以为有机玻璃壳体。由此，方便操作者从外面观察电磁超声换能器100内部，便于校对调节按钮54的指针541与旋转滑块30的指示方向。
进一步地，电磁超声换能器100还可以包括滑动轴承70。滑动轴承70的一端与旋转轴51相连且另一端与壳体60相连。由此，可以将整个调控组件50稳定固定在壳体60上。
从动齿轮52邻近轴承的上端，旋转滑块30邻近转轴51的下端，滑动轴承70在转轴51的轴向上位于从动齿轮52和旋转滑块30之间。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，每个导线40沿多个开口金属环20的共同径向延伸且长度大于相邻开口金属环20的间距。每个导线40位于相邻弧形凹槽31之间，相邻两个导线40中的一个邻近旋转滑块30的一侧且另一个邻近旋转滑块30的另一侧。也就是说，相邻的导线40在多个开口金属环20周向方向上错开设置，从而使得每个导线40连接形成蛇形路线。
优选地，开口金属环20的数量为偶数个。例如，4个、6个或8个等。
在本发明的再一些实施例中，相邻开口金属环20的间距为导波90波长的一半。
在本发明的再一些实施例中，如图3所示，开口圆环状导磁合金带10的朝向开口金属环20的表面涂有绝缘层21，多个开口金属环20粘接在绝缘层21上。由此，可以避免电流流向开口圆环导磁合金带10。其中，绝缘层21的厚度可以为0.01-0.1mm。其中，旋转滑块30和调控组件50可以为绝缘件。
进一步地，如图2所示，每个开口金属环20的开口101在开口圆环状导磁合金带10的周向上与开口圆环状导磁合金带10的开口对齐。由此，使开口圆环状导磁合金带10产生沿着圆周向的剩余磁场。
进一步地，开口圆环状导磁合金带10的厚度可以为0.2-0.5mm，开口圆环状导磁合金带10的开口的宽度可以为0.6-0.25mm。可以理解的是，以上仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限制。
如图2所示，多个开口金属环20中位于最外侧和最内侧的两个开口金属环20上分别设有接线端80，两个接线端80邻近开口圆环状导磁合金带10的开口设置。由此，可以使得多个开口金属环20绝大部分形成短路，电流仅在旋转滑块30范围内形成闭合回路。
现以检测钢板结构缺陷为例详细描述本发明实施例的可变发射角度范围的电磁超声换能器100工作过程：首先使用永磁体将开口圆环状导磁使用永磁体将开口圆环状导磁铁镍合金带10预磁化，且将永磁体的两个磁极分别与开口圆环导磁合金带10的开口的两端接触，使开口圆环状导磁铁镍合金带10产生沿着圆周向的剩余磁场。然后将4个开口金属圆环粘贴于开口圆环状导磁铁镍合金带10上，并采用胶带固定在待检测钢板结构之上，使得开口圆环状导磁铁镍合金带10与待测钢板结构表面建立良好的机械耦合；接着通过调节按钮54使旋转滑块30指向与调节按钮54上的指针541箭头指向一致；在开口金属环20中通过两个接线端80输入超声频率范围的交变电流作为激励。开口金属环20中通入的电流激励可以为6-10个周期正弦波形的短时猝发脉冲串，正弦波形频率可以取50-5000kHz。例如，所输入交流电流激励波形为经过汉宁窗调制的包含8个周期正弦波形的短时猝发脉冲串(即burst信号)，脉冲串中正弦波形的自身频率取为f＝250kHz，此频率即为所激发超声导波90的频率。
具体地，在钢板中以激励SH0模式的导波90为例，该模式的相速度为Cp＝3230m/s，f＝250kHz时有λ＝Cp/f＝0.01292m≈12.9mm，以此设计开口金属环20相邻导线40中心距离。在开口金属环20径向方向相邻两条导线40为0.5个空间周期数(如图2所示，d＝0.5λ)，在开口金属圆环的周向方向上相邻导线40为1.5空间周期数。可以理解的是，增加相邻导线40之间周期数将有助于生成更纯净的导波90模式，但可变发射角度范围的电磁超声换能器100尺寸也会随之增加。因此，在开口金属圆环的径向方向和周向方向上相邻两条导线40的空间周期数一般不高于4.5。
导线40中电流在旋转滑块30的范围内流动使得开口圆环状导磁铁镍合金带10的产生圆周方向的感应涡流，电流方向如图4所示，开口圆环状导磁铁镍合金带10提供的偏置磁场H0也在圆周方向上，因此开口圆环状导磁铁镍合金带10的感应涡流与偏置磁场平行，此时洛伦兹力为0，因而开口圆环状导磁铁镍合金带10中只存在磁致伸缩效应，可变发射角度范围的电磁超声换能器100激励产生的导波90，如图1所示。也就是说，可变发射角度范围的电磁超声换能器100仅产生旋转滑块30所指方向的导波90，且导波90方向与旋钮上的指针541指向一致。换言之，可变发射角度范围的电磁超声换能器100可以通过旋转调节按钮54以改变旋转滑块30的方向且获得与旋转滑块30指示方向一致的导波90。
此外，可变发射角度范围的电磁超声换能器100工作时可以自发自收(单换能器)或者一发一收(双换能器)两种方式下。导波90的接收基于逆磁致伸缩效应，板材结构存在缺陷时，导波90传播路径过程中将引起导波90散射，此时，由接收换能器信号可以判别缺陷的存在。或者可变发射角度范围的电磁超声换能器100以阵列的方式永久布置在待测板结构上，此时可以配合相应的硬件系统实现板材结构的长期健康监测，且因可变发射角度范围的电磁超声换能器100可随时改变导波90激发方向，对板材结构的健康监测产生了极大的便利。
根据本发明实施例的电磁超声换能器100的其他构成以及操作对于本领域技术人员来说是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“轴向”“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (19)
1.一种可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，包括：
开口圆环状导磁合金带；
多个开口金属环，多个所述开口金属环设在所述开口圆环状导磁合金带上且同心设置；
旋转滑块，所述旋转滑块可旋转地设在开口圆环状导磁合金带上且所述旋转滑块的旋转轴线穿过多个所述开口金属环的共同圆心，所述旋转滑块上设有多个弧形凹槽和随所述旋转滑块运动的若干导线，多个所述开口金属环分别配合在多个所述弧形凹槽内且每个所述导线与相邻两个所述开口金属环接触；
调控组件，所述调控组件与所述旋转滑块相连以控制所述旋转滑块旋转。
2.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述调控组件包括：
转轴，所述旋转滑块通过所述转轴可旋转地安装在所述开口圆环状导磁合金带上；
从动齿轮，所述从动齿轮传动连接在所述转轴上；
主动齿轮，所述主动齿轮通过传动齿轮与所述从动齿轮传动配合；
调节按钮，所述调节按钮与所述主动齿轮传动连接。
3.根据权利要求2所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述主动齿轮与所述从动齿轮的传动比为1：1。
4.根据权利要求2所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述调节按钮上设有与所述旋转滑块的长度方向平行的指针。
5.根据权利要求2所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，还包括：
壳体，所述开口圆环状导磁合金带安装在所述壳体上且与所述壳体共同限定出腔室，多个所述开口金属环、所述旋转滑块、所述转轴、所述传动齿轮、所述从动齿轮、所述主动齿轮位于所述腔室内且所述调节按钮从所述壳体露出，其中所述转轴、所述传动齿轮和所述调节按钮安装在所述壳体上。
6.根据权利要求5所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述壳体为有机玻璃壳体。
7.根据权利要求5所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，还包括：
滑动轴承，所述滑动轴承的一端与所述旋转轴相连且另一端与所述壳体相连。
8.根据权利要求7所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述从动齿轮邻近所述轴承的上端，所述旋转滑块邻近所述转轴的下端，所述滑动轴承在所述转轴的轴向上位于所述从动齿轮和所述旋转滑块之间。
9.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述开口圆环状导磁合金带为铁镍合金。
10.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，每个所述导线沿多个所述开口金属环的共同径向延伸且长度大于相邻所述开口金属环的间距。
11.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，每个所述导线位于相邻所述弧形凹槽之间，相邻两个所述导线中的一个邻近所述旋转滑块的一侧且另一个邻近所述旋转滑块的另一侧。
12.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述开口金属环的数量为偶数个。
13.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，相邻所述开口金属环的间距为导波波长的一半。
14.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述开口圆环状导磁合金带的朝向所述开口金属环的表面涂有绝缘层，多个所述开口金属环粘接在所述绝缘层上。
15.根据权利要求14所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为0.01-0.1mm。
16.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，每个所述开口金属环的开口在所述开口圆环状导磁合金带的周向上与所述开口圆环状导磁合金带的开口对齐。
17.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述开口圆环状导磁合金带的厚度为0.2-0.5mm，所述开口圆环状导磁合金带的开口的宽度为0.6-0.25mm。
18.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，多个所述开口金属环中位于最外侧和最内侧的两个开口金属环上分别设有接线端，两个所述接线端邻近所述开口圆环状导磁合金带的开口设置。
19.根据权利要求1所述的可变发射角度范围的电磁超声换能器，其特征在于，所述旋转滑块和所述调控组件为绝缘件。
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