CN109967333A - 一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，包括磁致伸缩棒支撑外壳，所述磁致伸缩棒支撑外壳内安装有六个缠绕有铜漆包线的磁致伸缩棒；所述磁致伸缩棒支撑外壳外套接有可与其发生相对转动的永磁铁支撑外壳，所述永磁铁支撑外壳内安装有两个对称设置的永磁铁，所述永磁铁支撑外壳侧壁上安装有顶丝，所述永磁铁支撑外壳的顶部加工有呈箭头型的指示槽；所述永磁铁支撑外壳的底部不超过所述磁致伸缩棒的底部。本发明提供的一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器可与产生能量更大的超声波，且可以旋转永磁铁的方式来改变静磁场方向，进而改变合磁场的方向，对换能器所产生的超声波高密度区域进行方位控制。

Description

一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器。

背景技术

无损检测技术是工业领域上不可或缺的一部分，而超声检测是无损检测领域一个重要的分支，超声检测具有无污染，设备便捷，可行性强等优点，得到了广泛的应用。超声检测所用的换能器如今最普遍的是压电换能器，以及电磁换能器。磁致伸缩换能器近些年来才火热的一种换能器，磁滞伸缩材料受到交变磁场的影响，材料内部磁畴产生位移，导致材料的晶格变化，产生微小的振动，激励出超声波。这种换能器较压电换能器和电磁换能器具有极大的功率，是目前实验者们比较青睐的一种换能器。

磁致伸缩超声检测不同于传统的压电超声检测，起源于20世纪70年代，美A.E.Clacrk发现的稀土合金，具有磁致伸缩效应，该合金由磁致伸缩引起的最大应变比传统的压电效应大6-20倍，能量密度为压电效应的10-20倍，具有很高的发展前景。

磁致伸缩超声换能器常用于板中检测，超声监测在板中声波以LAMB和水平剪切SH波的形式传播，具有只延水平传播，传播距离远特点，可以实现远距离探测。LAMB传播会产生频散现象，会产生A0、S0、A1、S1等模态，在监测过程一般靠选择一定的激发频率来降低模态。SH波为表面波，存在于板的表面，我们进行检测时分析SH波，由于SH波的模态单一，这样分析的难度会大大减小。实验中，普通换能器发射声波，都是均匀的向四周发射，想要的发射有能量并且声束集中的声波，大多数都依靠相控阵来控制单元延时发射声波，达到聚焦声波以及偏转声波聚焦方向的目的。

常用的磁致伸缩换能器，多数为绕线式换能器，将铜漆包线缠绕磁滞伸缩棒或磁滞伸缩圆环，利用缠绕励磁线圈通入交变电流而产生交变磁场，作用到磁滞伸缩材料，产生魏德曼效应，激励出超声波。缠绕圆柱形磁致伸缩换能器，圆柱材料需要考虑直径与长度比，以缠绕合适的线圈来激励更高能量的声波，设计有一定难度。而缠绕圆环式磁滞伸缩换能器，利用扭转磁场作用在磁致伸缩材料上，使磁致伸缩材料扭曲变形，大范围的材料磁畴位移，充分的利用了材料的特性，激励出更高能量的超声波。但环形磁滞伸缩换能器，线圈缠绕，不利于接触被测板，不得不在环形磁滞伸缩材料上开槽，这会减小换能器与被测板的总体面积。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器。

本发明采用的技术手段如下：

一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，包括磁致伸缩棒支撑外壳，所述磁致伸缩棒支撑外壳的底部加工有六个向所述磁致伸缩棒支撑外壳顶部竖直延伸的磁致伸缩棒容纳槽，多个磁致伸缩棒容纳槽围绕所述磁致伸缩棒支撑外壳的轴线均匀分布，所述磁致伸缩棒容纳槽内设有呈圆柱形的磁致伸缩棒，所述磁致伸缩棒由铁镓合金制成；所述磁致伸缩棒的顶部与所述磁致伸缩棒容纳槽的槽底接触连接，所述磁致伸缩棒的长度大于所述磁致伸缩棒容纳槽的槽深；所述磁致伸缩棒上均缠绕有铜包漆线，且多个所述磁致伸缩棒上的铜包漆线依次串联，所述磁致伸缩棒支撑外壳的外部套设有永磁体支撑外壳，所述铜包漆线与可发射脉冲电流的电源连接形成闭合回路；

所述磁致伸缩棒支撑外壳设有中心通孔，且在所述中心通孔的顶部加工有台阶；

所述永磁铁支撑外壳的内壁上安装有对称设置的两个呈半圆环形的永磁铁，所述永磁铁正对所述磁致伸缩棒支撑外壳的外壁，且所述永磁铁与所述磁致伸缩棒支撑外壳之间具有间隙；所述永磁铁支撑外壳的顶板中心下表面固定有设有竖直向下延伸的转动轴，所述转动轴伸入所述中心通孔内，且所述转动轴的长度不超过所述中心通孔的深度，所述永磁铁支撑外壳的顶部下表面与所述磁致伸缩棒支撑外壳的上表面接触连接，且所述永磁铁支撑外壳可通过所述转动轴与所述磁致伸缩棒支撑外壳发生相对转动；

所述永磁铁支撑外壳的侧壁在两个所述永磁铁之间的间隙所对应处加工有螺纹孔，所述螺纹孔内设有与所述螺纹孔相配合的顶丝，所述顶丝伸入所述螺纹孔的一端可与所述磁致伸缩棒支撑壳体的侧壁接触连接；

所述永磁铁支撑外壳的顶部加工有呈箭头型的指示槽；

所述永磁铁支撑外壳的底部不超过所述磁致伸缩棒的底部。

所述磁致伸缩棒支撑外壳的底部加工有导线槽，导线槽用于隐藏从磁致伸缩棒支撑壳体中引出的铜漆包线，使结构更加紧凑。

铜漆包线的缠绕方式，是以等距密集的方式缠绕在磁致伸缩材料棒上，确保电流所产生的磁场强度大，密度高。

所述磁致伸缩棒的长度与外径比为1.9～2.1。

所述铜漆包线环形缠绕在所述磁致伸缩棒外壁，且缠绕紧密，铜线通过交变电流后，由于电流的磁效应，为所述磁致伸缩棒提供与所述磁致伸缩棒轴线平行的且具有一定频率的交变磁场；所述永磁铁提供了静态磁场，交变磁场与静态磁场构成方向随时间改变的合磁场，磁致伸缩棒在合磁场的作用下发生魏德曼效应，产生磁致伸缩力，进而磁致伸缩棒发生具有一定频率的反复变形，进而激发出超声波。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的换能器可以直接接触试件表面，相比于圆环绕线换能器，不用破环磁致伸缩材料来接触被测试件。而绕线圈的磁致伸缩棒产生的磁场强度由下式计算，

式(1)中H为铜漆包线形成的线圈的线圈中心磁场强度，P为铜漆包线形成的线圈的铜损耗，ρ为铜漆包线的电阻率，G为几何形状因子，F为预紧力。

其中G与线圈的内外径比α以及磁致伸缩棒的长度与外径比β有关，所以要选择合适的线圈缠绕方式以及磁致伸缩材料棒外形尺寸，本换能器所采用圆阵列6个小圆柱形磁致伸缩棒，通过仿真计算，每个磁致伸缩棒的长度与外径径比β为1.9～2.1，使影响线圈磁场强度的几何形状因子最大，能最好的发挥磁致伸缩材料的性能。相比单个单元大圆柱磁致伸缩材料的换能器，空间占据较小，磁致伸缩材料利用率大，更充分的发挥磁致伸缩材料的特性，同样产生能量更大的超声波。

普通磁致伸缩换能器固定后，交变磁场与静态磁场变换趋势不会做任何改变，本设计的换能器，可以旋转永磁铁的方式来改变静磁场方向，进而改变合磁场的方向，对换能器所产生的超声波高密度区域进行方位控制。

本发明的换能器整体体积小，空间利用率大，使用方便功能灵活，可以在各种平面物件上进行检测使用。

基于上述理由本发明可在无损检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器仰视结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器俯视结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中磁致伸缩棒支撑外壳俯视图。

图4是图3中A-A向剖面图。

图5是本发明具体实施方式中一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器工作原理图。

图6是本发明具体实施方式中铜漆包线缠绕示意图。

图7是本发明具体实施方式中一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器在材料板上的工作图。

图8是本发明具体实施方式中几何形状因子与比例α、β的等高线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-8所示，一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，包括磁致伸缩棒支撑外壳1，所述磁致伸缩棒支撑外壳1的底部加工有六个向所述磁致伸缩棒支撑外壳1顶部竖直延伸的磁致伸缩棒容纳槽11，多个磁致伸缩棒容纳槽11围绕所述磁致伸缩棒支撑外壳1的轴线均匀分布，所述磁致伸缩棒容纳槽11内设有呈圆柱形的磁致伸缩棒2，所述磁致伸缩棒2由铁镓合金制成；所述磁致伸缩棒2的顶部与所述磁致伸缩棒容纳槽11的槽底接触连接，所述磁致伸缩棒2的长度大于所述磁致伸缩棒容纳槽11的槽深；所述磁致伸缩棒2上均缠绕有铜包漆线3，且多个所述磁致伸缩棒2上的铜包漆线3依次串联，所述磁致伸缩棒支撑外壳1的外部套设有永磁体支撑外壳4，所述铜包漆线3与可发射脉冲电流的电源31连接形成闭合回路；

所述磁致伸缩棒支撑外壳1设有中心通孔12，且在所述中心通孔12的顶部加工有台阶13；

所述永磁铁支撑外壳4的内壁上安装有对称设置的两个呈半圆环形的永磁铁5，所述永磁铁5正对所述磁致伸缩棒支撑外壳1的外壁，且所述永磁铁5与所述磁致伸缩棒支撑外壳1之间具有间隙；所述永磁铁支撑外壳4的顶板中心下表面固定有设有竖直向下延伸的转动轴41，所述转动轴41伸入所述中心通孔12内，且所述转动轴41的长度不超过所述中心通孔12的深度，所述永磁铁支撑外壳4的顶部下表面与所述磁致伸缩棒支撑外壳1的上表面接触连接，且所述永磁铁支撑外壳4可通过所述转动轴41与所述磁致伸缩棒支撑外壳1发生相对转动；所述永磁铁支撑外壳4的侧壁在两个所述永磁铁5之间的间隙所对应处加工有螺纹孔42，所述螺纹孔42内设有与所述螺纹孔42相配合的顶丝6，所述顶丝6伸入所述螺纹孔42的一端可与所述磁致伸缩棒支撑壳体1的侧壁接触连接；

所述永磁铁支撑外壳4的顶部加工有呈箭头型的指示槽43，所述指示槽43用于指示方向；

所述永磁铁支撑外壳4的底部不超过所述磁致伸缩棒2的底部。

所述磁致伸缩棒支撑外壳1的底部加工有导线槽14，导线槽14用于隐藏从磁致伸缩棒支撑壳体1中引出的铜漆包线3，使结构更加紧凑。

铜漆包线3的缠绕方式是以等距密集的方式缠绕在磁致伸缩材料棒2上，确保电流所产生的磁场强度大，密度高。

所述磁致伸缩棒2的长度与外径比为1.9～2.1。

磁致伸缩棒2产生的磁场强度由下式计算：

式(1)中H为铜漆包线形成的线圈的线圈中心磁场强度，P为铜漆包线形成的线圈的铜损耗，ρ为铜漆包线的电阻率，G为几何形状因子，F为预紧力。

如图8所示，G与线圈的内外径比α以及磁致伸缩棒的长度与外径比β有关，所以要选择合适的线圈缠绕方式以及磁致伸缩材料棒外形尺寸，本换能器所采用圆阵列6个小圆柱形磁致伸缩棒，通过仿真计算，每个磁致伸缩棒的长度与外径径比β为1.9～2.1，使影响线圈磁场强度的几何形状因子最大，能最好的发挥磁致伸缩材料的性能。相比单个单元大圆柱磁致伸缩材料的换能器，空间占据较小，磁致伸缩材料利用率大，更充分的发挥磁致伸缩材料的特性，同样产生能量更大的超声波。

如图6所示，所述铜漆包线3环形缠绕在所述磁致伸缩棒2外壁，且缠绕紧密；如图5所示，铜漆包线3通过交变电流后，由于电流的磁效应，为所述磁致伸缩棒2提供与所述磁致伸缩棒2轴线平行的且具有一定频率的交变磁场；所述永磁铁提供了静态磁场，交变磁场与静态磁场构成方向随时间改变的合磁场，磁致伸缩棒在合磁场的作用下发生魏德曼效应，产生磁致伸缩力，进而磁致伸缩棒发生具有一定频率的反复变形，进而激发出超声波。

使用状态下，本发明提供的换能器可以直接接触试件表面，如图7所示，通过转动所述电磁铁支撑外壳4使所述指示槽43指向待检测方向，之后拧紧所述顶丝6，将所述电磁铁支撑外壳4与所述磁致伸缩棒2固定，使其不转动，接通电源31使铜漆包线3通入一定大小的交流电流，此时会激励一定角度的超声波，超声波进入测试板7中一部分会入射，还有另一部分会折射，折射与入射声波共同在测试板7中传导形成兰姆波，我们可以通过接收分析在测试板7中传输的兰姆波来检测板的缺陷。接收从测试板7中传输的兰姆波可使用另外一个不通电的自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器作为接收端换能器，由于逆魏德曼效应，接收端换能器的磁致伸缩材料圆柱棒2的振动引起周围磁场的变化，接收端换能器的未通电的铜漆包线3的两端产生感应电势，通过判断接收端换能器的铜漆包线3电势波形可达到检测到缺陷的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，其特征在于，包括磁致伸缩棒支撑外壳，所述磁致伸缩棒支撑外壳的底部加工有偶数个向所述磁致伸缩棒支撑外壳顶部竖直延伸的磁致伸缩棒容纳槽，多个磁致伸缩棒容纳槽围绕所述磁致伸缩棒支撑外壳的轴线均匀分布，所述磁致伸缩棒容纳槽内设有呈圆柱形的磁致伸缩棒，所述磁致伸缩棒的顶部与所述磁致伸缩棒容纳槽的槽底接触连接，所述磁致伸缩棒的长度大于所述磁致伸缩棒容纳槽的槽深；所述磁致伸缩棒上均缠绕有铜包漆线，且多个所述磁致伸缩棒上的铜包漆线依次串联，所述磁致伸缩棒支撑外壳的外部套设有永磁体支撑外壳，所述铜包漆线与可发射脉冲电流的电源连接形成闭合回路；

所述磁致伸缩棒支撑外壳设有中心通孔，且在所述中心通孔的顶部加工有台阶；

所述永磁铁支撑外壳的内壁上安装有对称设置的两个呈半圆环形的永磁铁，所述永磁铁正对所述磁致伸缩棒支撑外壳的外壁，且所述永磁铁与所述磁致伸缩棒支撑外壳之间具有间隙；所述永磁铁支撑外壳的顶板中心下表面固定有设有竖直向下延伸的转动轴，所述转动轴伸入所述中心通孔内，且所述转动轴的长度不超过所述中心通孔的深度，所述永磁铁支撑外壳的顶部下表面与所述磁致伸缩棒支撑外壳的上表面接触连接，且所述永磁铁支撑外壳可通过所述转动轴与所述磁致伸缩棒支撑外壳发生相对转动；

所述永磁铁支撑外壳的侧壁在两个所述永磁铁之间的间隙所对应处加工有螺纹孔，所述螺纹孔内设有与所述螺纹孔相配合的顶丝，所述顶丝伸入所述螺纹孔的一端可与所述磁致伸缩棒支撑壳体的侧壁接触连接；

所述永磁铁支撑外壳的顶部加工有呈箭头型的指示槽；

所述永磁铁支撑外壳的底部不超过所述磁致伸缩棒的底部。

2.根据权利要求1所述的一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，其特征在于：所述磁致伸缩棒支撑外壳的底部加工有导线槽。

3.根据权利要求1所述的一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，其特征在于：所述磁致伸缩棒由铁镓合金制成。

4.根据权利要求1所述的一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，其特征在于：所述永磁铁为铷磁铁。

5.根据权利要求1所述的一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，其特征在于：所述磁致伸缩棒支撑外壳的底部加工有六个所述磁致伸缩棒容纳槽。

6.根据权利要求1所述的一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，其特征在于：所述磁致伸缩棒的长度与外径比为1.9～2.1。