CN110496768B - 一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，其包括外壳，及设置在其内的主永磁体、辅永磁体、磁轭、主激励线圈、辅激励线圈、隔板。所述主永磁体与辅永磁体并排放置，主永磁体与辅永磁体的极性相反，且与磁轭形成连通的磁路。主激励线圈与辅激励线圈均为回折线圈，主激励线圈置于主永磁体正下方，辅激励线圈置于辅永磁体正下方。主激励线圈与辅激励线圈反向串联连接。本发明在不影响超声波激发效果的条件下，通过辅激励线圈产生反向交变电磁场，可以有效消除主激励线圈产生的电磁干扰。

Description

一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器
技术领域
本发明涉及电磁超声换能器技术设置领域，具体涉及一种新型的双线圈的电磁超声换能器结构与技术，它可有效消除换能器在超声激发时产生的电磁干扰。
背景技术
电磁超声换能器(Electro Magnetic Acoustic Transducer, EMAT)无需耦合剂，无需对待测试件进行表面预处理，可以适应高温高压等特殊的检测环境；因此EMAT已广泛应用于钢板或者铝板的测厚、火车轮轨道的探伤、输油管道探伤等领域。
根据EMAT的工作原理，需要在其内部的激发线圈中通以高强度交变电流。所以EMAT在激发超声的同时，也会向周边的空间中发射交变电磁场。该交变电磁场会对超声信号的接收造成影响，属于EMAT系统的电磁干扰。因此，如何消除EMAT工作时的电磁干扰，提高EMAT信噪比，是目前亟需解决的问题。
针对EMAT的电磁干扰问题，相关学者进行了大量的研究。中国专利CN206373042U所公开的一种低噪声的收发一体电磁超声换能器，通过改变EMAT线圈结构形式，增加线圈导线的长度，改变线圈相邻半波长的导线回折部分的形状，使得线圈侧面的回折部分所产生的电涡流不受永磁铁的静态偏置磁场影响，从而降低由于侧面线圈产生的超声杂波干扰，提高信噪比。该EMAT只能消除超声杂波干扰，未消除激励线圈产生的电磁干扰。
中国专利CN103226630A所公开的电磁超声表面波接收换能器设计方法，用以解决EMAT设计中接收噪声强以及加工复杂的问题。该设计方法主要通过对结构场和电磁场的有限元求解，计算不同电磁超声换能器参数对接收信号强度的影响，从而获得最优的换能器参数组合。该方法只是优化相关参数以提高信噪比，没有从源头上消除EMAT的电磁干扰。
中国专利206177901U所公开的一种用于棒材探伤的多通道表面波电磁超声换能器，设置金属屏蔽保护板并与EMAT主壳体通过螺丝固定。该EMAT是通过金属屏蔽，削弱电磁干扰的传输途径，也没有从源头上消除EMAT的电磁干扰。
发明内容
本发明的目的是发明了一种双线圈的电磁超声换能器，它能够在保证超声波激发效果不变的情况下，从源头上减小交变电磁场的产生，还可消除电磁干扰。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，包括外壳，主永磁体，辅永磁体，磁轭，主激励线圈，辅激励线圈，隔板；其特征在于：
所述主永磁体，辅永磁体，磁轭，主激励线圈，辅激励线圈，隔板均置于外壳内；
所述主永磁体与辅永磁体并排放置；主永磁体为上N极、下S极并且辅永磁体为上S极、下N极；或者主永磁体为上S极、下N极并且辅永磁体为上N极、下S极；
所述磁轭置于主永磁体与辅永磁体的顶部；主永磁体、磁轭和辅永磁体形成连通的磁路；
所述主激励线圈置于主永磁体正下方；辅激励线圈置于辅永磁体正下方；
所述隔板为不导电不导磁的绝缘材料板，置于主激励线圈与辅激励线圈下部，并与外壳配合起到封闭及保护作用。
所述主激励线圈为回折线圈，其齿数为n，可取3~8；所述辅激励线圈为回折线圈，其齿数为m，且满足m<n，m和n均为自然数；
所述主激励线圈的齿距d与辅激励线圈的齿距相同，所述齿距d为所激发超声波波长的1/2；
所述主激励线圈与辅激励线圈平行放置，相邻两线圈间距为1个齿距d；
所述主激励线圈与辅激励线圈采用单匝线圈或多匝线圈。
主激励线圈与辅激励线圈反向串联连接，使辅激励线圈的激励电流与主激励线圈中的激励电流始终反相。
该双线圈电磁超声换能器工作时，在主激励线圈和辅激励线圈上施加激励电流。辅激励线圈的激励电流方向虽然始终与主激励线圈中的激励电流方向反相，但辅永磁体的磁场方向也刚好与主永磁体的磁场方向反相。因此，在被测金属板内，辅激励线圈激发的质点振动方向与主激励线圈之间，仍满足超声波相长干涉的匹配关系，因此，辅激励线圈不会影响该EMAT超声波的激发效果。
但是，激励线圈在激发超声波的同时，不可避免地还会在周边的空间辐射交变电磁场，形成电磁干扰。该电磁干扰会对EMAT拾取线圈及接收电路造成严重影响。由于EMAT拾取线圈与主激励线圈（或辅激励线圈）处于同一平面上，因此可以将主激励线圈（或辅激励线圈）的每一个齿视为独立的电磁干扰源。距该电磁干扰源中心
Figure DEST_PATH_IMAGE001
处的超声波拾取点处，产生的电磁感应强度
Figure 637639DEST_PATH_IMAGE002
可近似表达为：
Figure 298428DEST_PATH_IMAGE004
(1)
其中，
Figure 440696DEST_PATH_IMAGE005
固定系数，取值与“齿”的尺寸及激励电流强度有关。
若EMAT拾取线圈置于辅激励线圈一侧的超声波拾取点处，且与辅激励线圈第一个齿的中心距为
Figure 325476DEST_PATH_IMAGE006
。则距离关系并根据电磁场叠加原理，辅激励线圈（含有m个齿）在超声波拾取点产生的电磁感应强度为：
Figure 654826DEST_PATH_IMAGE008
(2)
同样可计算主激励线圈（含有n个齿）在超声波拾取点产生的电磁感应强度为：
Figure 119305DEST_PATH_IMAGE010
(3)
由于辅激励线圈的激励电流始终与主激励线圈中的激励电流反相，则
Figure 850501DEST_PATH_IMAGE012
方向相反，所以辅激励线圈能有效抑制主激励线圈产生的电磁干扰。特别当
Figure 171761DEST_PATH_IMAGE014
时，辅激励线圈能彻底消除该EMAT在超声激发时产生的电磁干扰。
根据条件
Figure 988407DEST_PATH_IMAGE014
可建立求解方程：
Figure 990998DEST_PATH_IMAGE016
(4)
式中m为辅激励线圈的齿数，且满足m<n，n为主激励线圈的齿数，取3~8，所述d为主激励线圈的齿距，其与辅激励线圈的齿距相同，所述的齿距d为所激发超声波波长的1/2；
在该方程中，m和n均为已知自然数，且有n>m，则变量s一定有正解。因此，本发明的EMAT在靠辅激励线圈一侧的电磁干扰可以得到有效抑制，而在靠主激励线圈的一侧无电磁干扰抑制效果。特别是：在距辅激励线圈第一个齿中心的中心距
Figure 576700DEST_PATH_IMAGE006
的区域放置超声波拾取线圈，可消除EMAT电磁干扰的影响，其中变量s可通过公式(4)求解。
本发明的有益效果是：在不影响EMAT激发效果的条件下，通过辅激励线圈产生反向交变电磁场，可以有效抑制电磁干扰的产生，在特定区域，还可以消除EMAT的电磁干扰。
附图说明
图1是本发明一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器的一个较佳实施例的平面结构剖视图；
图2是本发明一个较佳实施例中主激励线圈与辅激励线圈放置的俯视图；
图3是本发明一个较佳实施例中主激励线圈与辅激励线圈连接方式及激励电流方向的示意图；
图4是本发明激励超声时的质点振动方向的示意图；
图5是激励线圈中单个齿所产生电磁干扰分布的示意图；
图6是激励线圈中不同齿到超声波拾取点的距离示意图；
图中各部件的标记说明：1、外壳；2、主永磁体；3、辅永磁体；4、磁轭；5、主激励线圈；6、辅激励线圈；7、隔板，8、被测金属板，9、齿，10、电磁干扰，11、超声波拾取点处。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述发明内容做进一步说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
参见图1，为本发明实施例的平面结构剖视图，提供一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，其包括外壳1，主永磁体2，辅永磁体3，磁轭4，主激励线圈5，辅激励线圈6，隔板7组成；主永磁体2，辅永磁体3，磁轭4，主激励线圈5，辅激励线圈6，隔板7均置于外壳1内。
主永磁体2为长方形钕铁硼永磁体，上部为N极、下部为S极，外形尺寸为：长75mm、宽45mm、高40mm；辅永磁体3为长方形钕铁硼永磁体，上部为S极、下部为N极，外形尺寸为：长75mm、宽35mm、高40mm；磁轭4为高磁导率的铁氧体材料，外形尺寸为：长75mm、宽85mm、高20mm；磁轭4置于主永磁体2和辅永磁体3的顶部，并与主永磁体2和辅永磁体3形成连通的磁路。
本发明的主激励线圈5为回折线圈，其齿数记为n，一般取3~8；辅激励线圈6为回折线圈，其齿数为m，且满足n>m。主激励线圈5的齿距d与辅激励线圈6的齿距d相同，齿距d为所激发超声波波长的1/2。主激励线圈5置于主永磁体2正下方。辅激励线圈6置于辅永磁体3正下方。主激励线圈5与辅激励线圈6平行放置，两线圈间距为1个齿距d，如图2所示。主激励线圈5和辅激励线圈6可以是单匝线圈，也可以是多匝线圈。实施例中主激励线圈5为单匝的回折线圈，其齿数为5，齿距为5mm。该线圈用PCB制作，平面尺寸：长70mm、宽45mm。主激励线圈5置于主永磁体2正下方。辅激励线圈6为单匝的回折线圈，其齿数为4，齿距为5mm。该线圈用PCB制作，平面尺寸：长70mm、宽35mm。辅激励线圈6置于辅永磁体3正下方。
主激励线圈5与辅激励线圈6平行放置，相邻两线圈间距5mm。如图3所示，将主激励线圈5与辅激励线圈6反向串联连接，使辅激励线圈6的激励电流与主激励线圈5中的激励电流始终反相。
隔板7为长75mm、宽90mm、厚2mm的玻璃钢绝缘板，置于主激励线圈5与辅激励线圈6下部，并与外壳1密闭配合起到封闭及保护作用。
本发明的双线圈电磁超声换能器工作时，在主激励线圈5和辅激励线圈6上施加激励电流。辅激励线圈6的激励电流方向虽然始终与主激励线圈5中的激励电流方向反相，但辅永磁体3的磁场方向（图4中的磁化场）也刚好与主永磁体2的磁场方向（图4中的磁化场）反相。因此，在被测金属板8内，辅激励线圈6激发的质点振动方向与主激励线圈5之间，仍满足超声波相长干涉的匹配关系，如图4所示。因此，辅激励线圈6不会影响该EMAT超声波的激发效果。
但是，激励线圈在激发超声波的同时，不可避免地还会在周边的空间辐射交变电磁场，形成电磁干扰。该电磁干扰10会对EMAT拾取线圈及接收电路造成严重影响。由于EMAT拾取线圈与主激励线圈5（或辅激励线圈6）处于同一平面上，因此可以将主激励线圈5（或辅激励线圈6）的每一个齿9视为独立的电磁干扰源。则如图5所示，距该电磁干扰源中心
Figure 334441DEST_PATH_IMAGE001
处的超声波拾取点处11，产生的电磁感应强度
Figure 638383DEST_PATH_IMAGE002
可近似表达为：
Figure 179086DEST_PATH_IMAGE004
(1)
其中，
Figure 150453DEST_PATH_IMAGE005
固定系数，取值与齿9的尺寸及激励电流强度有关。
若EMAT拾取线圈置于辅激励线圈6一侧的超声波拾取点处，且与辅激励线圈6第一个齿的中心距为
Figure 547936DEST_PATH_IMAGE006
。则由图6所示的距离关系并根据电磁场叠加原理，辅激励线圈6（含有m个齿）在超声波拾取点产生的电磁感应强度为：
Figure 542437DEST_PATH_IMAGE008
(2)
同样可计算主激励线圈5（含有n个齿）在超声波拾取点产生的电磁感应强度为：
Figure 949147DEST_PATH_IMAGE010
(3)
由于辅激励线圈6的激励电流始终与主激励线圈5中的激励电流反相，则
Figure 712704DEST_PATH_IMAGE012
方向相反，所以辅激励线圈6能有效抑制主激励线圈5产生的电磁干扰。特别当
Figure 546668DEST_PATH_IMAGE014
时，辅激励线圈6能彻底消除该EMAT在超声激发时产生的电磁干扰。
根据条件
Figure 825203DEST_PATH_IMAGE014
可建立求解方程：
Figure 973287DEST_PATH_IMAGE016
(4)
式中m为辅激励线圈6的齿数，且满足m<n，n为主激励线圈5的齿数，取3~8，所述d为主激励线圈5的齿距，其与辅激励线圈6的齿距相同，所述的齿距d为所激发超声波波长的1/2；
在该方程中，m和n均为已知自然数，且有n>m，则变量s一定有正解。因此，本发明的EMAT在靠辅激励线圈6一侧的电磁干扰可以得到有效抑制，而在靠主激励线圈5的一侧无电磁干扰抑制效果。特别是：在距辅激励线圈6第一个齿中心的中心距
Figure 653667DEST_PATH_IMAGE006
的区域放置超声波拾取线圈，可消除EMAT电磁干扰的影响，其中变量s可通过公式(4)求解。
当本发明实施例工作时，主激励线圈5在激发超声波的同时，亦会向周边发射电磁干扰。由于辅激励线圈6激发的质点振动方向与主激励线圈5之间满足超声波相长干涉的匹配关系，因此辅激励线圈6不会影响超声波的激发效果。辅激励线圈6的激励电流方向却与主激励线圈5中的激励电流方向反相。所以主激励线圈5所发出的电磁场能对主激励线圈5产生的电磁干扰起到抵消作用。
由于本实施例中，辅激励线圈6的齿数小于主激励线圈5，因此上述的电磁干扰的抵消效果仅在EMAT靠辅激励线圈6的一侧有效。而在EMAT靠主激励线圈5的一侧，本发明起不到对电磁干扰进行抑制的效果。
在本实施例中，由公式（4）及相关参数可得到求解方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
求解上述方程，可得本实施中变量s的近似解为73。那么，本实施中靠辅激励线圈6一侧，且距第一个齿中心的中心距
Figure 189691DEST_PATH_IMAGE006
为365mm的区域上放置超声波拾取线圈，可彻底消除EMAT电磁干扰的影响。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，包括外壳(1)，主永磁体(2)，辅永磁体(3)，磁轭(4)，主激励线圈(5)，辅激励线圈(6)，隔板(7)；其特征在于：
所述主永磁体(2)，辅永磁体(3)，磁轭(4)，主激励线圈(5)，辅激励线圈(6)，隔板(7)均置于外壳(1)内；
所述主永磁体(2)与辅永磁体(3)并排放置；主永磁体(2)为上N极、下S极并且辅永磁体(3)为上S极、下N极；或者主永磁体(2)为上S极、下N极并且辅永磁体(3)为上N极、下S极；
所述磁轭(4)置于主永磁体(2)与辅永磁体(3)的顶部；主永磁体(2)、磁轭(4)和辅永磁体(3)形成连通的磁路；
所述主激励线圈(5)置于主永磁体(2)正下方；辅激励线圈(6)置于辅永磁体(3)正下方；
所述隔板(7)为不导电不导磁的绝缘材料板，置于主激励线圈(5)与辅激励线圈(6)下部，并与外壳(1)配合起到封闭及保护作用；
所述主激励线圈(5)为回折线圈，其齿数为n，取3～8；所述辅激励线圈(6)为回折线圈，其齿数为m，且满足m<n，m和n均为自然数；
所述主激励线圈(5)与辅激励线圈(6)平行放置，相邻两线圈间距为1个齿距d。
2.根据权利要求1 所述的一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，其特征在于：主激励线圈(5)与辅激励线圈(6)反向串联连接，使辅激励线圈(6)的激励电流与主激励线圈(5)中的激励电流始终反相。
3.根据权利要求1所述的一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，其特征在于：能对主激励线圈(5)和辅激励线圈(6)两侧检测区域均实现电磁干扰抑制，能对靠辅激励线圈(6)一侧的检测区域有最佳的电磁干扰抑制效果，最佳消除电磁干扰的位置在距辅激励线圈(6)第一个齿中心的中心距为s×d的检测区域，该变量s通过如下方程求解：
Figure FDA0002756691800000011
式中m为辅激励线圈(6)的齿数，且满足m<n，n为主激励线圈(5)的齿数，取3～8，m和n均为自然数。
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