CN107655981A - 一种电磁超声相控阵换能器 - Google Patents
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Abstract
一种电磁超声相控阵换能器，涉及电磁超声无损检测领域，为了解决现有的电磁超声换能器检测效率较低以及操作复杂的问题。本发明所述的一种电磁超声相控阵换能器，包括永磁铁、多通道线圈、屏蔽导线和插头；所述多通道线圈固定在永磁铁的下方；所述屏蔽导线的一端与多通道线圈相连，屏蔽导线的另一端与插头相连。有益效果为极大地缩小了换能器的体积，并且降低了磁铁回波对接收回波的干扰，因此本发明结构简单、体积小，可实现相控声束控制功能，方便缺陷的检测及成像。
Description
技术领域
本发明涉及电磁超声无损检测领域。
背景技术
超声无损检测技术是一种工业上常用的金属板材缺陷检测技术，但传统的压电超声技术依赖于耦合剂，并且其应用受到高温以及检测体表面光滑度的限制，同时也无法实现在线检测；而新型的电磁超声技术是一种非接触检测方式，无需耦合剂，突破了压电超声的应用限制。然而现有的电磁超声换能器只有一个通道的发射、接收线圈，其声束控制能力弱，在定点检测时，只能实现A扫描检测，此外在焊缝检测过程中，单通道电磁超声换能器需沿焊缝方向锯齿形移动实现焊缝的缺陷检测，因此其检测效率较低、检测范围较窄、检测结果不够直观、且难以应对复杂结构试件的缺陷检测要求。
近年来，国内也有人对电磁超声相控阵换能器进行研究，如专利申请号为20161070277.6，发明名称为《相控阵电磁超声方法和装置》的发明专利，设计了由多个常规的单通道电磁超声换能器组成的阵列，通过通道选择器顺序激励阵列中的换能器，因此此发明并非属于真正的相控阵技术。又如专利申请号为201410289724.2，发明名称为《一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法》的发明专利，在小径管的外部放置通电螺线管并由其提供径向偏置磁场，内部需要放置多个径向排列的圆环状发射线圈和周向排列的扁平状接收线圈，操作及其复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的电磁超声换能器检测效率较低以及操作复杂的问题，提出了一种电磁超声相控阵换能器。
本发明所述的一种电磁超声相控阵换能器，包括永磁铁、多通道线圈、屏蔽导线和插头；
所述多通道线圈固定在永磁铁的下方；
所述屏蔽导线的一端与多通道线圈相连，屏蔽导线的另一端与插头相连。
优选的是，所述多通道线圈由多个单根线圈构成；
每个单根线圈作为相控阵的一个阵元；
每个单根线圈的一端通过插头与对应的发射电路和接收电路相连，另一端接地。
优选的是，多通道线圈分为PCB线圈和手绕线圈两种形式。
优选的是，所述插头为八芯插头；
PCB线圈包括九根单匝线圈，其中，第一根单匝线圈至第八根单匝线圈等间距的布置在PCB板的一面的八个通道内，且第一根单匝线圈至第八根单匝线圈的一端与插头的八个引脚分别相连；第九根单匝线圈布置在PCB板的另一面，且第九根单匝线圈的一端同时与第一根单匝线圈至第八根单匝线圈的另一端相连，其另一端与插头的地线相连。
优选的是，所述插头为八芯插头；
所述手绕线圈包括八个通道的单根导线绕制的多匝线圈；
插头的八个引脚分别与八个通道的单根导线的一端相连；八个通道的单根导线的另一端同时与插头的地线相连。
优选的是，手绕线圈的骨架采用3D打印技术制成，且在骨架的正面依据阵元的间距开槽；
手绕线圈的布局方式包括垂直布局和水平布局；
垂直布局的手绕线圈骨架开槽数与发射通道数相等，且每个通道的线圈沿骨架垂直方向绕制；每根导线绕制的多匝线圈占据骨架正面的一个槽；
水平布局的手绕线圈骨架开槽数为发射通道数的两倍，且每个通道的线圈沿骨架水平方向绕制，每根导线绕制的多匝线圈占据骨架正面的两个槽。
优选的是，还包括屏蔽层；
所述屏蔽层粘贴在永磁铁是的表面；
所述多通道线圈粘贴在永磁铁下方的屏蔽层上。
优选的是，还包括外壳；
所述永磁铁、多通道线圈、屏蔽导线均设置在外壳内部；
所述插头固定在外壳表面。
优选的是，所述永磁铁为实心长方体，磁场主要集中在该永磁铁的下部，且磁力线的方向垂直于永磁铁的表面，同时对永磁铁的表面进行粗糙处理。
本发明的有益效果是通过利用单根线圈作为相控阵的一个阵元，并且多个通道共用一个永磁铁的方法，极大地缩小了换能器的体积，并且降低了磁铁回波对接收回波的干扰，因此本发明结构简单、体积小，可实现相控声束控制功能，方便缺陷的检测及成像。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵换能器的结构示意图；
图2为具体实施方式四中PCB线圈的结构示意图；
图3为具体实施方式六中手绕线圈垂直布局的结构示意图；
图4为具体实施方式六中手绕线圈水平布局的结构示意图；
图5为具体实施方式六中八阵元PCB线圈结构或垂直手绕线圈结构的电磁超声换能器的声场分布时域方针结果示意图；
图6为具体实施方式六中八阵元水平手绕线圈结构的电磁超声换能器的声场分布时域方针结果示意图；
图7为具体实施方式六中PCB线圈和手绕线圈的八阵元电磁超声相控阵换能器的声束指向性曲线对比结果示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种电磁超声相控阵换能器，包括永磁铁1、多通道线圈3、屏蔽导线4和插头5；
所述多通道线圈3固定在永磁铁1的下方；
所述屏蔽导线4的一端与多通道线圈3相连，屏蔽导线4的另一端与插头5相连。
在本实施方式中，多通道线圈3共用一个永磁铁1极大地缩小了换能器的体积，并且降低了磁铁回波对接收回波的干扰，因此本实施方式所述的一种电磁超声相控阵换能器结构简单、体积小，可实现相控声束控制功能，方便缺陷的检测及成像。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，所述多通道线圈3由多个单根线圈构成；
每个单根线圈作为相控阵的一个阵元；
每个单根线圈的一端与插头5相连；每个单根线圈的另一端连接在一起，并与地线相连。
在本实施方式中，为了验证用单根线圈作为相控阵的一个阵元的有效性，建立用单根线圈构成的八阵元电磁超声相控阵换能器的声场分布仿真模型；如图2所示，电磁超声相控阵换能器在信号激励10μs后的30°偏转声束传播情况，仿真结果表明换能器可以实现声束相控功能，验证了单根线圈作为电磁超声相控阵换能器的一个振元的可行性。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，多通道线圈3分为PCB线圈和手绕线圈两种形式。
在本实施方式中，PCB线圈信号较弱，但阵元宽度参数、间距参数控制精度高；手绕线圈阵元宽度参数、间距参数控制精度较低，但信号较强。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，所述插头5为八芯插头；
PCB线圈包括九根单砸线圈，其中，第一根单砸线圈至第八根单砸线圈等间距的布置在PCB板的一面的八个通道内，且第一根单砸线圈至第八根单砸线圈的一端与对应通道的发射电路分别相连；同时，第一根单砸线圈至第八根单砸线圈的一端与插头5的八个引脚分别相连；第九根单砸线圈布置在PCB板的另一面，且第九根单砸线圈的一端同时与第一根单砸线圈至第八根单砸线圈的另一端相连，第一根单砸线圈至第八根单砸线圈的另一端与插头5的地线相连。
在本实施方式中，第一根单砸线圈至第八根单砸线圈的长度参数、宽度参数和厚度参数均相同。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，所述插头5为八芯插头；
所述手绕线圈包括八个通道的单根导线绕制的多匝线圈；
插头5的八个引脚分别与八个通道的单根导线的一端相连，同时八个通道的单根导线的一端与其对应的发射电路分别相连；八个通道的单根导线的另一端同时与插头5的地线相连。
具体实施方式六：结合图3至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，手绕线圈的骨架采用3D打印技术制成，且在骨架的正面依据阵元的间距开槽；
手绕线圈的布局方式包括垂直布局和水平布局；
垂直布局的手绕线圈骨架开槽数与发射通道数相等，且每个通道的线圈沿骨架垂直方向绕制；每根导线绕制的多匝线圈占据骨架正面的一个槽；
水平布局的手绕线圈骨架开槽数为发射通道数的两倍，且每个通道的线圈沿骨架水平方向绕制，每根导线绕制的多匝线圈占据骨架正面的两个槽。
在本实施方式中，为了验证用单根线圈作为相控阵的一个阵元的有效性，建立用单根线圈构成的八阵元电磁超声相控阵换能器的声场分布仿真模型；如图5和图6所示，电磁超声相控阵换能器在信号激励10μs后的30°偏转声束传播情况；其中图5对应PCB线圈结构或垂直手绕线圈结构的电磁超声换能器，图6对应水平手绕线圈结构的电磁超声换能器；由图5可知，水平手绕线圈结构的电磁超声换能器的声场强度约为垂直手绕线圈结构的电磁超声换能器的两倍；仿真结果表明换能器可以实现声束相控功能，验证了单根线圈作为电磁超声相控阵换能器的一个振元的可行性，并且说明了水平结构手绕线圈的电磁超声换能器的信号强度更强。
如图7所示，进一步提取声压在以电磁超声相控阵换能器中心为圆心的半圆上的分布，并做归一化处理得到换能器的声束指向性曲线；其中(c)对应PCB线圈结构或垂直手绕线圈结构的电磁超声换能器，(d)对应水平手绕线圈结构的电磁超声换能器。由图6可知，水平手绕线圈结构的电磁超声换能器和垂直手绕线圈结构的电磁超声换能器的声束指向性基本一致；结果表明，两种手绕线圈结构的电磁超声换能器的声束偏转性能基本一致，验证了两种线圈结构设计的合理性。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，还包括屏蔽层2；
所述屏蔽层2粘贴在永磁铁1是的表面；
所述多通道线圈3粘贴在永磁铁1下方的屏蔽层2上。
在本实施方式中，屏蔽层2包括铜胶带和透明胶带，铜胶带和透明胶带的作用为减小永磁铁1回波对接收回波的干扰。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，还包括外壳6；
所述永磁铁1、多通道线圈3、屏蔽导线4均设置在外壳6内部；
所述插头5固定在外壳6表面。
在本实施方式中，外壳6的作用是保护其内部的永磁铁1、多通道线圈3、屏蔽导线4，防止永磁铁1、多通道线圈3、屏蔽导线4损坏，同时对插头5起到固定作用。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵换能器进一步限定，在本实施方式中，所述永磁铁1为实心长方体，磁场主要集中在该永磁铁1的下部，且磁力线的方向垂直于永磁铁1的表面，同时对永磁铁1的表面进行粗糙处理。
在本实施方式中，对永磁铁1的表面进行粗糙处理目的是为了减小永磁铁1回波对接收回波的干扰。
Claims (9)
1.一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，包括永磁铁(1)、多通道线圈(3)、屏蔽导线(4)和插头(5)；
所述多通道线圈(3)固定在永磁铁(1)的下方；
所述屏蔽导线(4)的一端与多通道线圈(3)相连，屏蔽导线(4)的另一端与插头(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，所述多通道线圈(3)由多个单根线圈构成；
每个单根线圈作为相控阵的一个阵元；
每个单根线圈的一端通过插头(5)与对应的发射电路和接收电路相连，另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，多通道线圈(3)分为PCB线圈和手绕线圈两种形式。
4.根据权利要求3所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，所述插头(5)为八芯插头；
PCB线圈包括九根单匝线圈，其中，第一根单匝线圈至第八根单匝线圈等间距的布置在PCB板的一面的八个通道内，且第一根单匝线圈至第八根单匝线圈的一端与插头(5)的八个引脚分别相连；第九根单匝线圈布置在PCB板的另一面，且第九根单匝线圈的一端同时与第一根单匝线圈至第八根单匝线圈的另一端相连，其另一端与插头(5)的地线相连。
5.根据权利要求3所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，所述插头(5)为八芯插头；
所述手绕线圈包括八个通道的单根导线绕制的多匝线圈；
插头(5)的八个引脚分别与八个通道的单根导线的一端相连；八个通道的单根导线的另一端同时与插头(5)的地线相连。
6.根据权利要求5所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，手绕线圈的骨架采用3D打印技术制成，且在骨架的正面依据阵元的间距开槽；
手绕线圈的布局方式包括垂直布局和水平布局；
垂直布局的手绕线圈骨架开槽数与发射通道数相等，且每个通道的线圈沿骨架垂直方向绕制；每根导线绕制的多匝线圈占据骨架正面的一个槽；
水平布局的手绕线圈骨架开槽数为发射通道数的两倍，且每个通道的线圈沿骨架水平方向绕制，每根导线绕制的多匝线圈占据骨架正面的两个槽。
7.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，还包括屏蔽层(2)；
所述屏蔽层(2)粘贴在永磁铁(1)是的表面；
所述多通道线圈(3)粘贴在永磁铁(1)下方的屏蔽层(2)上。
8.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，还包括外壳(6)；
所述永磁铁(1)、多通道线圈(3)、屏蔽导线(4)均设置在外壳(6)内部；
所述插头(5)固定在外壳(6)表面。
9.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵换能器，其特征在于，所述永磁铁(1)为实心长方体，磁场主要集中在该永磁铁(1)的下部，且磁力线的方向垂直于永磁铁(1)的表面，同时对永磁铁(1)的表面进行粗糙处理。
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