CN107064311A - 一种全向型a0模态兰姆波电磁超声换能器 - Google Patents

Abstract

一种全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，解决了现有A0模态兰姆波电磁超声换能器的模式单一性差、换能效率低和激发兰姆波强度小的问题。所述换能器：圆柱形磁铁与第一～第N空心圆柱形磁铁均通过背板竖直、同轴且同形心地由内向外地设置在壳体的内部。相邻的两个磁铁极性相反设置。在壳体的开口端上、沿着圆柱形磁铁的外缘和空心圆柱形磁铁的内、外缘设置有宽度相等的环形子线圈。同一空心圆柱形磁铁内、外缘的两个环形子线圈同向绕制，相邻的两个空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制，圆柱形磁铁外缘和第一空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制。第一环形子线圈的内径为λ‑W，相邻环形子线圈的最小间距为0.5λ‑W。

Description

一种全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器

技术领域

本发明涉及一种电磁超声换能器，属于电磁超声检测技术领域。

背景技术

无损检测是在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，采用射线、超声、红外和电磁等原理技术并结合仪器对材料、零件、设备进行缺陷、化学和物理参数检测的技术。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。

近年来，超声层析成像技术作为一种新兴的无损检测技术而逐步受到了关注。与传统的无损检测技术相比，超声层析成像技术能够获得被检测样品的大量直观信息。这些信息是对物体缺陷进行定性和定量分析的有效依据。

现有的超声层析成像方法主要分为电磁超声层析成像法和压电超声层析成像法。相比于压电超声层析成像法，电磁超声层析成像法因无需使用耦合剂而更适合用于高温、高速和被检测样品粗糙等检测场合。除此之外，压电超声层析成像法因耦合剂的使用而易增大走时信息的测量误差，进而影响后续的成像质量。

电磁超声层析成像法基于能够激发兰姆波的电磁超声换能器实现。然而，现有的A0模态兰姆波电磁超声换能器的模式单一性较差，即易同时激发A0模态兰姆波和S0模态兰姆波。除此之外，现有的A0模态兰姆波电磁超声换能器还存在换能效率低和所激发兰姆波强度小的问题。

发明内容

本发明为解决现有A0模态兰姆波电磁超声换能器的模式单一性差、换能效率低和所激发兰姆波强度小的问题，提出了一种全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器。

本发明所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器用于对各向同性的非铁磁金属板材进行超声层析成像；

所述电磁超声换能器包括壳体、背板、圆柱形磁铁、第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁和线圈；

圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁等高，第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁的端面均为环形，所述环形的环宽相等且内径依次等差增大；

壳体的一端开口，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁均通过背板竖直、同轴且同形心地设置在壳体的内部，圆柱形磁铁位于第一空心圆柱形磁铁的内部，圆柱形磁铁远离背板的一端与壳体的开口端平齐，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁极性相反设置，相邻的两个空心圆柱形磁铁极性相反设置；

所述线圈包括第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈同形心地设置在壳体的开口端上，并分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布，圆柱形磁铁与第一环形子线圈同轴设置；

第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈的宽度相等；

分布在同一空心圆柱形磁铁内、外缘的两个环形子线圈同向绕制；

分布在相邻的两个空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

分布在圆柱形磁铁外缘和第一空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

第一环形子线圈的内径D0＝λ-W，其中，λ为所述电磁超声换能器激发的A0模态兰姆波的波长，W为环形子线圈的宽度；

相邻的两个环形子线圈的最小间距d＝0.5λ-W。

所述电磁超声换能器至少包含一个空心圆柱形磁铁。

对于第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈，前者的结束端依次与后者的起始端相连；

第一环形子线圈的起始端为电流输入端，第2N+1环形子线圈的结束端为电流输出端；

或者第2N+1环形子线圈的结束端为电流输入端，第一环形子线圈的起始端为电流输出端。

作为优选的是，圆柱形磁铁和第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁的材质均为钕铁硼磁铁。

作为优选的是，壳体的材质为铝合金。

作为优选的是，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁的间隙和相邻的两个空心圆柱形磁铁的间隙设置有灌封胶，所述线圈通过灌封胶固定设置在壳体的开口端上。

进一步的是，所述灌封胶为环氧树脂。

作为优选的是，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈均采用0.08mm漆包线绕制，宽度均为2mm。

进一步的是，圆柱形磁铁的直径为8mm，高度为12mm，第一空心圆柱形磁铁的环形端面的环宽为3mm，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁的最小间距和相邻的两个空心圆柱形磁铁的最小间距均为5mm。

本发明所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布。由于圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁边缘处的水平磁场与垂直磁场比值最大，因此将环形子线圈设置在此位置，利用磁铁边缘处的水平磁场为线圈提供偏置磁场，激发垂直力源，增大A0模态兰姆波的强度和纯度，同时抑制S0模态兰姆波的产生，有利于激发较为纯净的A0模态兰姆波，进而提高所述电磁超声换能器的模式单一性。

本发明所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，为了使所激发的A0模态兰姆波发生相长干涉，将第一环形子线圈的内径D0设置为λ-W，将相邻的两个环形子线圈的最小间距d设置为0.5λ-W。如此设计，不仅磁铁激发的A0模态兰姆波会发生相长干涉，磁铁边缘处的线圈激发的A0模态兰姆波也会相互叠加，因此所述电磁超声换能器的换能效率高，所激发的兰姆波强度大。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器的剖面图；

图2为实施例提及的线圈绕制示意图，点表示电流方向垂直向外，叉表示电流方向垂直向内，包围点或叉的矩形为环形子线圈的截面；

图3为实施例提及的线圈的结构示意图；

图4为实施例提及S0～S3和A0～A3模态兰姆波群速度频散曲线图；

图5为实施例提及的组合磁铁的水平磁场分布图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器作进一步说明。

实施例：下面结合图1至图5详细地说明本实施例。

本实施例所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，用于对各向同性的非铁磁金属板材进行超声层析成像，所述非铁磁金属板材的厚度为2mm。

所述电磁超声换能器包括壳体1、背板2、圆柱形磁铁3、空心圆柱形磁铁4和线圈；

圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4等高，空心圆柱形磁铁4的端面为环形；

壳体1的一端开口，圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4均通过背板2竖直、同轴且同形心地设置在壳体1的内部，圆柱形磁铁3位于空心圆柱形磁铁4的内部，圆柱形磁铁3远离背板2的一端与壳体1的开口端平齐，圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4极性相反设置；

所述线圈包括第一环形子线圈5～第三环形子线圈7，第一环形子线圈5～第三环形子线圈7同形心地设置在壳体1的开口端上，并分别紧密地沿着圆柱形磁铁3的外缘以及空心圆柱形磁铁4的内、外缘分布，圆柱形磁铁3与第一环形子线圈5同轴设置；

第一环形子线圈5与第二环形子线圈6和第三环形子线圈7反向绕制且宽度相等；

第一环形子线圈5的内径D0＝λ-W，相邻的两个环形子线圈的最小间距d＝0.5λ-W，其中，λ为所述电磁超声换能器激发的A0模态兰姆波的波长，W为环形子线圈的宽度，λ＝8.12mm，W＝2mm；

第一环形子线圈5～第三环形子线圈7均采用0.08mm漆包线绕制，圆柱形磁铁3和空心圆柱形磁铁4的材质均为钕铁硼磁铁，壳体1的材质为铝合金；

圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4的间隙设置有灌封胶8，所述线圈通过灌封胶8固定设置在壳体1的开口端上，灌封胶8为环氧树脂。

本实施例所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器的设计流程包括以下步骤：

步骤一、选取电磁超声换能器的工作模式和工作点，并验证所选工作点下模式超声的可激发性。

根据兰姆波激发方程，得到兰姆波群速度频散曲线，如图4所示。本实施例选择A0模态兰姆波群速度对待检测样品厚度变化敏感的区域作为电磁超声换能器的工作区域，并在该工作区域内确定工作点。

本实施例选择的工作区域为0.3～0.5MHz·mm，工作点初步设定为0.4MHz·mm。待检测样品为2mm厚的非铁磁金属板。因此，电磁超声换能器的工作频率为200kHz，其所激发的A0模态兰姆波的理论波长值约为8.72mm。在待检测样品的另一侧分别计算兰姆波的面内、面外位移及其波包传播速度，并与所选工作点下A0模态兰姆波的群速度理论值进行比较，当波包传播速度与A0模态兰姆波的群速度理论值相等时，判定该工作点能够有效地激发A0模态兰姆波。

步骤二：设计电磁超声换能器的磁铁结构，结合激发模式超声波，选择组合磁铁并求解磁场分布。

本实施例选择全指向型螺旋线圈激发兰姆波。全指向型螺旋线圈的指向角适合于对板材进行大范围检测和缺陷层析成像。建立全向型电磁超声换能器的结构场三维有限元模型。在待检测样品的一侧施加工作频率为200kHz的点力源，并使点力源的施加角度从0°均匀增大到90°，分别提取A0模态兰姆波和S0模态兰姆波的面内和面外位移，并绘制施加角度与A0模态兰姆波和S0模态兰姆波的面内和面外位移的关系图。根据该关系图可知：当点力源的施加角度为90°时，该工作点下A0模态兰姆波的位移和纯度均达到最大值，同时抑制S0模态兰姆波。根据线圈感生的涡流在磁场中的受力分析可知：磁铁需提供水平磁场才能产生垂直力源。本实施例采用圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的组合磁铁，利用磁场仿真求解该组合磁铁的磁场分布，并得到其水平磁场分布图，如图5所示。根据该图可知，圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的边缘区域的水平磁场强度较强，远离其边缘区域后水平磁场强度迅速减弱。由于所选A0模式工作点对应波长为8.72mm，考虑到静磁场的水平分量主要集中在圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的边缘。因此，本实施例采用磁铁边缘区域产生的水平磁场为线圈提供偏置磁场。

步骤三、根据组合磁铁的磁场分布，设计与组合磁铁相匹配的线圈结构。

根据步骤二、选择圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁边缘磁场提供水平偏置磁场，即将线圈布置在磁铁的边缘处。本实施例的第一环形子线圈～第三环形子线圈分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘以及空心圆柱形磁铁的内、外缘分布，圆柱形磁铁与第一环形子线圈同轴设置。

步骤四、初步设计线圈参数，保证各个环形子线圈下方产生超声有效相长干涉。

为了使各环形子线圈下方产生的超声能够有效形成相长干涉，本实施例的第一环形子线圈与第二环形子线圈和第三环形子线圈反向绕制。第一环形子线圈的内径D0＝λ-W，相邻的两个环形子线圈的最小间距d＝0.5λ-W。

步骤五、设计组合磁铁的参数，根据市场上常见磁铁的规格参数，选择圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的尺寸。

本实施例的圆柱形磁铁的直径为8mm，高度为12mm，空心圆柱形磁铁的内径为18mm，外径为24mm。

步骤六、微调电磁超声换能器的线圈参数，根据磁场水平分量特点微调各个环形子线圈的间距和宽度，使线圈与组合磁铁实现最佳配合。

使用有限元方法求取组合磁铁的磁场分布，根据磁场水平分量的特点微调环形子线圈的宽度。使得线圈全部分布在磁场水平分量较为集中且垂直分量较为弱的区域，在保证A0模态导波强度的同时降低S0模态导波的强度。微调后换能器工作点最终选取为0.45MHz·mm，波长λ理论计算值为8.12mm，宽度为2mm。

本实施例采用圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁边沿磁场为线圈提供静磁场，充分利用磁铁边沿水平磁场强度大的特点，提高A0模态兰姆波激发和接收效率。本实施例将环形子线圈设置在磁铁的边缘处，为使兰姆波发生相长干涉能量最强，合理设计环形子线圈间距。此外，根据市面上常见磁铁尺寸，通过微调线圈参数提高换能器性能。通过实验验证，本换能器能够在360度方向上有效激发和接收A0模态兰姆波。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，所述电磁超声换能器用于对各向同性的非铁磁金属板材进行超声层析成像；

所述电磁超声换能器包括壳体、背板、圆柱形磁铁、第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁和线圈；

圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁等高，第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁的端面均为环形，所述环形的环宽相等且内径依次等差增大；

壳体的一端开口，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁均通过背板竖直、同轴且同形心地设置在壳体的内部，圆柱形磁铁位于第一空心圆柱形磁铁的内部，圆柱形磁铁远离背板的一端与壳体的开口端平齐，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁极性相反设置，相邻的两个空心圆柱形磁铁极性相反设置；

所述线圈包括第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈同形心地设置在壳体的开口端上，并分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布，圆柱形磁铁与第一环形子线圈同轴设置；

第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈的宽度相等；

分布在同一空心圆柱形磁铁内、外缘的两个环形子线圈同向绕制；

分布在相邻的两个空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

分布在圆柱形磁铁外缘和第一空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

第一环形子线圈的内径D0＝λ-W，其中，λ为所述电磁超声换能器激发的A0模态兰姆波的波长，W为环形子线圈的宽度；

相邻的两个环形子线圈的最小间距d＝0.5λ-W。

2.如权利要求1所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，圆柱形磁铁和第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁的材质均为钕铁硼磁铁。

3.如权利要求1所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，壳体的材质为铝合金。

4.如权利要求1所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁的间隙和相邻的两个空心圆柱形磁铁的间隙设置有灌封胶，所述线圈通过灌封胶固定设置在壳体的开口端上。

5.如权利要求4所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，所述灌封胶为环氧树脂。

6.如权利要求1所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈均采用0.08mm漆包线绕制，宽度均为2mm。

7.如权利要求6所述的全向型A0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，圆柱形磁铁的直径为8mm，高度为12mm，第一空心圆柱形磁铁的环形端面的环宽为3mm，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁的最小间距和相邻的两个空心圆柱形磁铁的最小间距均为5mm。