CN110702789A - 电磁超声换能器 - Google Patents

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田文斌
孙江涛
徐立军
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Beijing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本申请提供一种电磁超声换能器，包括永磁体、第一回折线圈及第二回折线圈，所述第一回折线圈和所述第二回折线圈设置于所述永磁体上；所述第一回折线圈和所述第二回折线圈均包括多根导线，所述第一回折线圈的多根导线及所述第二回折线圈的多根导线均分为多组长短不一的导线组。本申请电磁超声换能器，通过双回折线圈及不同长短的导线，使得电磁超声换能器在被测件内激发的瑞利波沿单一方向传播，并且抑制瑞利波的旁瓣，提高电磁超声换能器的信噪比，以此提升电磁超声换能器对被测件的表面缺陷检测能力。

Description

电磁超声换能器
技术领域
本申请涉及换能器技术领域，具体而言，涉及一种电磁超声换能器。
背景技术
电磁超声换能器(EMAT)是一种新型的利用电动力学法在导电金属中产生超声波的装置，其具有无损检测、非接触检测、不需要耦合介质、可应用于自动、高速检测、危险环境下(例如，高温工况)的检测等特点。
目前，电磁超声换能器已应用于对被测件的厚度测量、表面缺陷检测及材料微结构表征等方面。
在表面缺陷检测方面，电磁超声换能器在对被测件进行表面缺陷检测时会在被测件内激发瑞利波，从而实现对被测件近表面缺陷的检测。然而，在实际应用中，现有的大部分电磁超声换能器激发的超声波会沿着两个方向传播，此种宽辐射模式限制了电磁超声换能器的应用，电磁超声换能器需要在至少两个不同的点进行测量才能确定缺陷的位置；或者是，电磁超声换能器的旁瓣效应显著，导致电磁超声换能器的信噪比较低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种电磁超声换能器，通过双回折线圈及不同长短的导线，使得电磁超声换能器在被测件内激发的瑞利波沿单一方向传播，并且抑制瑞利波的旁瓣，提高电磁超声换能器的信噪比，以此提升电磁超声换能器对被测件的表面缺陷检测能力。
本申请实施例提供了一种电磁超声换能器，包括永磁体、第一回折线圈及第二回折线圈，
所述第一回折线圈和所述第二回折线圈设置于所述永磁体上；
所述第一回折线圈和所述第二回折线圈均包括多根导线，所述第一回折线圈的多根导线及所述第二回折线圈的多根导线均分为多组长短不一的导线组。
在上述实现过程中，本申请实施例的电磁超声换能器应用于被测件的表面缺陷检测时，激励信号会加到第一回折线圈和第二回折线圈，并在被测件中产生洛伦兹力，洛伦兹力会激发瑞利波，第一回折线圈和第二回折线圈激发的超声波之间会存在相干干涉，因此激发的双向瑞利波在一个方向加强，在另一个方向衰弱，因而使得电磁超声换能器在被测件内激发的瑞利波沿单一方向传播，并且，第一回折线圈和第二回折线圈导线的长短不同，使得激发的瑞利波的旁瓣会受到抑制，提高了电磁超声换能器的信噪比，从而提升电磁超声换能器对被测件的表面缺陷检测能力，使得电磁超声换能器有更好的应用效果。
进一步地，所述第一回折线圈和所述第二回折线圈通过PCB板设置于所述永磁体上。
在上述实现过程中，PCB板便于第一回折线圈和第二回折线圈设置于永磁体上，并且，PCB板易于制作、成本低、设置效果好，保障了电磁超声换能器的生产制作成本及使用效果。
进一步地，所述PCB板为四层板，所述四层板包括第一层、第二层、第三层及第四层；
所述第一回折线圈设于所述四层板的第一层及第二层，所述第二回折线圈设于所述四层板的第三层及第四层。
在上述实现过程中，PCB板采用四层板，极其便于第一回折线圈及第二回折线圈的布置。
进一步地，所述PCB板包括第一双层板及第二双层板，
所述第一回折线圈设于所述第一双层板上，所述第二回折线圈设于所述第二双层板上。
在上述实现过程中，PCB板采用两个双层板，便于第一回折线圈及第二回折线圈的布置。
进一步地，所述第一回折线圈的导线组和所述第二回折线圈的导线组均包括第一导线组、第二导线组和第三导线组，
所述第二导线组的导线以所述第一导线组为基准，分布于所述第一导线组的两侧；
所述第三导线组的导线以所述第一导线组为基准，分布于所述第一导线组的两侧，并位于第二导线组的导线的外侧；
所述第一导线组导线的长度大于所述第二导线组导线的长度，所述第二导线组导线的长度大于所述第三导线组导线的长度。
在上述实现过程中，第一回折线圈及第二回折线圈导线组的布置方式及布置长度，较为合理及科学，较好地激发了沿单一方向传播的瑞利波，并且较好地抑制了瑞利波的旁瓣。
进一步地，所述第一导线组导线的长度与所述第二导线组导线的长度的差值，和所述第二导线组导线的长度与所述第三导线组导线的长度的差值相等。
在上述实现过程中，不同导线组导线长度差值的限定，能更好地抑制瑞利波的旁瓣。
进一步地，所述第一导线组导线的长度与所述第二导线组导线的长度的差值为7-10mm；
所述第二导线组导线的长度与所述第三导线组导线的长度的差值为7-10mm。
在上述实现过程中，不同导线组导线长度的差值的取值范围的限定，使得对瑞利波的旁瓣的抑制效果更佳。
进一步地，所述电磁超声换能器用于在被测件内激发瑞利波，以对所述被测件进行表面缺陷检测；
所述第一回折线圈与所述第二回折线圈的间距为所述瑞利波波长的四分之一。
在上述实现过程中，两个回折线圈的间距的限定较为合理及科学，使得电磁超声换能器在被测件内激发的瑞利波能更集中地沿单一方向传播。
进一步地，所述电磁超声换能器用于在被测件内激发瑞利波，以对所述被测件进行表面缺陷检测；
所述第一回折线圈相邻导线之间的间距为所述瑞利波波长的二分之一，所述第二回折线圈相邻导线之间的间距为所述瑞利波波长的二分之一。
在上述实现过程中，相邻导线之间间距的限定，使得电磁超声换能器在被测件内激发的超声波为瑞利波。
进一步地，所述第一回折线圈与所述第二回折线圈激励电流的相位差为90°。
在上述实现过程中，两个回折线圈激励电流的相位差较为合理及科学，使得电磁超声换能器在被测件内激发的瑞利波能更好地沿单一方向传播。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的永磁体与被测件的示意图；
图2为本申请实施例提供的第一回折线圈与第二回折线圈的PCB电路示意图。
图标：11-永磁体；12-第一回折线圈；13-第二回折线圈；20-被测件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
参见图1和图2，其中，图1为本申请实施例提供的永磁体11与被测件20的示意图，图2为本申请实施例提供的第一回折线圈12与第二回折线圈13的PCB电路示意图。
本申请实施例的电磁超声换能器，包括永磁体11、第一回折线圈12及第二回折线圈13，
第一回折线圈12和第二回折线圈13设置于永磁体11上；
第一回折线圈12和第二回折线圈13均包括多根导线，第一回折线圈12的多根导线及第二回折线圈13的多根导线均分为多组长短不一的导线组。
具体地，在本实施例中，第一回折线圈12和第二回折线圈13设置于永磁体11的底部。在图1的示意图中，虚线部分用于示意回折线圈，并非用于表示回折线圈的结构。
永磁体11的底部有效覆盖第一回折线圈12和第二回折线圈13的有效工作区域。
本申请实施例的电磁超声换能器，应用于被测件20的表面缺陷检测时，激励信号会加到第一回折线圈12和第二回折线圈13，并在被测件20中产生洛伦兹力，洛伦兹力会激发瑞利波，第一回折线圈12和第二回折线圈13激发的超声波之间会存在相干干涉，因此激发的双向瑞利波在一个方向加强，在另一个方向衰弱，因而使得电磁超声换能器在被测件20内激发的瑞利波沿单一方向传播，并且，第一回折线圈12和第二回折线圈13导线的长短不同，使得激发的瑞利波的旁瓣会受到抑制，提高了电磁超声换能器的信噪比，从而提升电磁超声换能器对被测件20的表面缺陷检测能力，使得电磁超声换能器有更好的应用效果。
参见图1和图2，在本实施例中，第一回折线圈12和第二回折线圈13通过PCB板设置于永磁体11上。
PCB板便于第一回折线圈12和第二回折线圈13设置于永磁体11上，并且，PCB板易于制作、成本低、设置效果好，保障了电磁超声换能器的生产制作成本及使用效果。
具体地，PCB板为四层板，四层板包括第一层、第二层、第三层及第四层；
第一回折线圈12设于四层板的第一层及第二层，第二回折线圈13设于四层板的第三层及第四层。
在图2的示意图中，第一回折线圈12中颜色较深的为布置于第一层的导线，第一回折线圈12中颜色较浅的为布置于第二层的导线；第二回折线圈13中宽度较细的为布置于第三层的导线，第二回折线圈13中宽度较粗的为布置于第四层的导线。
需要说明的是，上述宽度较细和宽度较粗的线仅是为了区分不同的导线，并非表示不同导线的粗、细。
在四层板中，不同层之间可以通过过孔相连接。在本实施例中，图2右边中间位置的两个小圆点表示两个加工于四层板内部的埋孔，其中，颜色较浅的埋孔置于四层板的第一层和第二层，用于连接第一回折线圈12在四层板第一、二层的导线；颜色较深的埋孔置于四层板的第三层和第四层，用于连接第二回折线圈13在四层板第三、四层的导线；图2左边的四个小圆点表示四个通孔，用于连通四层板的第一、二、三、四层。
在上述过程中，PCB板采用四层板，极其便于第一回折线圈12及第二回折线圈13的布置。
需要说明的是，在其他实施例中，PCB板还可以采用其他结构，例如，PCB板包括第一双层板及第二双层板，第一回折线圈12设于第一双层板上，第二回折线圈13设于第二双层板上。
在此种方式下，第一双层板及第二双层板是上下拼接的结构。第一回折线圈12的导线在第一双层板上的布置方式及第二回折线圈13的导线在第二双层板上的布置方式可适当参照上述四层板的方式。
在图2的示意图中，第一回折线圈12和第二回折线圈13均包括12根导线。从图2可知，第一回折线圈12和第二回折线圈13的多根导线均分为三组，每组四根导线，也即第一回折线圈12的导线组和第二回折线圈13的导线组均包括第一导线组、第二导线组和第三导线组，
其中，第一导线组为布置于中间的导线；第二导线组的导线以第一导线组为基准，分布于第一导线组的两侧；第三导线组的导线以第一导线组为基准，分布于第一导线组的两侧，并位于第二导线组的导线的外侧；
并且，从图2可知，第一导线组导线的长度大于第二导线组导线的长度，第二导线组导线的长度大于第三导线组导线的长度。
在上述过程中，第一回折线圈12及第二回折线圈13导线组的布置方式及布置长度，较为合理及科学，较好地激发了沿单一方向传播的瑞利波，并且较好地抑制了瑞利波的旁瓣。
需要说明的是，在其他实施例中，第一回折线圈12的导线组和第二回折线圈13的导线组还可以均为两组或四组，三组会较为合适，且较为适用。
具体地，在本实施例中，第一导线组导线的长度与第二导线组导线的长度的差值，和第二导线组导线的长度与第三导线组导线的长度的差值相等。
不同导线组导线长度差值的限定，能更好地抑制瑞利波的旁瓣。
可选地，第一导线组导线的长度与第二导线组导线的长度的差值为7-10mm；
第二导线组导线的长度与第三导线组导线的长度的差值为7-10mm。
不同导线组导线长度的差值的取值范围的限定，使得对瑞利波的旁瓣的抑制效果更佳。
示例性地，第一导线组导线的长度可为50mm，第二导线组导线的长度为42mm，第三导线组导线的长度为34mm，在该示例中，导线组导线长度递减步长为8mm，即相邻导线组导线的长度的差值为8mm。
作为一种可选的实施方式，第一回折线圈12与第二回折线圈13的间距为瑞利波波长的四分之一，该瑞利波为本申请实施例的电磁超声换能器在被测件20内激发的瑞利波。
两个回折线圈的间距的限定较为合理及科学，使得电磁超声换能器在被测件20内激发的瑞利波能更集中地沿单一方向传播。
在本实施例中，第一回折线圈12相邻导线之间的间距为瑞利波波长的二分之一，第二回折线圈13相邻导线之间的间距为瑞利波波长的二分之一，该瑞利波为本申请实施例的电磁超声换能器在被测件20内激发的瑞利波。
相邻导线之间间距的限定，使得电磁超声换能器在被测件20内激发的超声波为瑞利波。
需要说明的是，图2仅为示意图，第一回折线圈12与第二回折线圈13的间距及相邻导线之间的间距并非如图2所示。
可选地，在将激励信号加到第一回折线圈12和第二回折线圈13时，可使第一回折线圈12与第二回折线圈13激励电流的相位差为90°。
两个回折线圈激励电流的相位差较为合理及科学，使得电磁超声换能器在被测件20内激发的瑞利波能更好地沿单一方向传播。
在上述所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。
应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电磁超声换能器，其特征在于，包括永磁体、第一回折线圈及第二回折线圈，
所述第一回折线圈和所述第二回折线圈设置于所述永磁体上；
所述第一回折线圈和所述第二回折线圈均包括多根导线，所述第一回折线圈的多根导线及所述第二回折线圈的多根导线均分为多组长短不一的导线组。
2.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述第一回折线圈和所述第二回折线圈通过PCB板设置于所述永磁体上。
3.根据权利要求2所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述PCB板为四层板，所述四层板包括第一层、第二层、第三层及第四层；
所述第一回折线圈设于所述四层板的第一层及第二层，所述第二回折线圈设于所述四层板的第三层及第四层。
4.根据权利要求2所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述PCB板包括第一双层板及第二双层板，
所述第一回折线圈设于所述第一双层板上，所述第二回折线圈设于所述第二双层板上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述第一回折线圈的导线组和所述第二回折线圈的导线组均包括第一导线组、第二导线组和第三导线组，
所述第二导线组的导线以所述第一导线组为基准，分布于所述第一导线组的两侧；
所述第三导线组的导线以所述第一导线组为基准，分布于所述第一导线组的两侧，并位于第二导线组的导线的外侧；
所述第一导线组导线的长度大于所述第二导线组导线的长度，所述第二导线组导线的长度大于所述第三导线组导线的长度。
6.根据权利要求5所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述第一导线组导线的长度与所述第二导线组导线的长度的差值，和所述第二导线组导线的长度与所述第三导线组导线的长度的差值相等。
7.根据权利要求6所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述第一导线组导线的长度与所述第二导线组导线的长度的差值为7-10mm；
所述第二导线组导线的长度与所述第三导线组导线的长度的差值为7-10mm。
8.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述电磁超声换能器用于在被测件内激发瑞利波，以对所述被测件进行表面缺陷检测；
所述第一回折线圈与所述第二回折线圈的间距为所述瑞利波波长的四分之一。
9.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述电磁超声换能器用于在被测件内激发瑞利波，以对所述被测件进行表面缺陷检测；
所述第一回折线圈相邻导线之间的间距为所述瑞利波波长的二分之一，所述第二回折线圈相邻导线之间的间距为所述瑞利波波长的二分之一。
10.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，所述第一回折线圈与所述第二回折线圈激励电流的相位差为90°。
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