CN111871747B - 一种感容式电磁超声波换能器 - Google Patents

一种感容式电磁超声波换能器 Download PDF

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Abstract

一种感容式电磁超声波换能器，属于超声换能器技术领域，本发明为解决现有技术方案中电磁超声换能器激发纵波的强度受试件材料电磁性能影响较大，无法满足检测需求的问题。它包括：永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层和水膜；在金属试件的上方，依次堆叠有水膜、介质层、线圈、绝缘介质和永磁体，铜极板设置在线圈中心处；永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层、水膜和金属试件的中心线重合；永磁体用于提供静磁场，使金属试件表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；线圈用于提供电场；铜极板作为导体用于引导电场的空间分布；水膜用于排除换能器和金属试件之间的空气。本发明用于金属构件的超声无损检测。

Description

一种感容式电磁超声波换能器
技术领域
本发明涉及一种感容式电磁超声波换能器，属于超声换能器技术领域。
背景技术
螺栓是工业现场极为重要的零件，同时也是工业设备安全最薄弱的环节，螺栓轴力的检测与监测是保证工业设备健康长时间服役的重要手段。目前，螺栓的轴力测量主要依赖超声法。为对已安装的螺栓进行超声应力测量，通常采用横纵波结合的方法。电磁超声技术作为一种非接触、无须耦合剂的超声技术，在应力检测方面有极大优势。然而，传统的电感式电磁超声换能器受限于工作原理，激发纵波的强度受试件材料的电磁性能影响巨大。在铁磁性材料中激发的纵波强度远低于横波强度，无法满足检测需求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术方案中电磁超声换能器激发纵波的强度受试件材料电磁性能影响较大，无法满足检测需求的问题，提供了一种感容式电磁超声波换能器。
本发明所述一种感容式电磁超声波换能器，包括永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层和水膜；
在金属试件的上方，依次堆叠有水膜、介质层、线圈、绝缘介质和永磁体，铜极板设置在线圈中心处；永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层、水膜和金属试件的中心线重合；
永磁体用于提供静磁场，使金属试件表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；
绝缘介质用于隔绝永磁体和铜极板，使永磁体不带电；
线圈用于提供电场；
铜极板作为导体用于引导电场的空间分布；
介质层用于将电场传递至金属试件；
水膜用于排除换能器和金属试件之间的空气，提高传递至金属试件的电场强度。
本发明的优点：本发明在保留传统电磁超声无须耦合剂优势的同时，为弥补电感式电磁超声换能器的不足，提出了一种感容式电磁超声波换能器。该换能器在保留电感式电磁超声换能器非接触、无需耦合剂优势的前提下，具备可同时激励与接收比例可调的横波和纵波的能力。
本传感器结构上优点包括：
1、提出感容式电磁超声波换能器：本传感器结构上电感式换能器和电容式换能器互为对称，合理组合了电容式和电感式电磁超声换能器，具有灵活可配置的多种激励与接收超声信号的方式，同时激励比例可调的横波和纵波，针对不同应用场合，合理组合两种EMAT(电磁超声换能器)，可以获得性能更为丰富的电磁超声换能器。
2、能够同时激发比例可调节的横纵波：受限于换能机理，传统的电感式电磁超声换能器激励纵波的强度强烈依赖于试件的电磁性能，在铁磁性材料当中，纵波的激励强度受到极大的抑制，远远低于横波的激励强度。本发明提出的感容式电磁超声换能器可以使得纵波和横波的强度比例为任意需求值，而不受制于测试试件。即使在电感式EMAT难以应用的铁磁性材料也可以激发出强度较大的纵波。也可以作为纯纵波换能器或纯横波换能器使用。
3、试件本身即为声源：由于声波是在试件表面产生的，声波的传播范围仅是试件内部，不存在耦合界面。因而不会因为耦合剂的引入对测量结果产生误差。这对应力测量和高精度测厚是非常重要的。因为MPa级别的应力一般产生的形变等级仅为10μm级。常规压电超声耦合剂的使用使得每次测量结果一致性不好，测量精度也不够高。而本传感器由于具有上述特征，可以完全消除上述误差，进一步提高超声应力测量和厚度测量的精度。
4、测量结果受外界因素影响低：由于不需要耦合剂，应用本传感器进行应力测量，操作流程可以大大简化。测量时，不需要对试件进行打磨、不需要通过施加一定的压力使得耦合剂厚度一致，测量完毕后只需要简单地清理掉水膜即可，检测效率有望大大提高。
本发明提出的一种感容式电磁超声波换能器，能够准确测量已安装螺栓的轴力，操作简便，提高检测效率，不仅能够用于金属构件的超声无损检测，还适用于其他使用纵横波法测量应力且要求非接触的场合。
附图说明
图1是本发明所述一种感容式电磁超声波换能器的结构示意图；
图2是本发明所述感容并联激励电感接收工作模式的原理图；
图3是本发明所述感容并联激励感容接收工作模式的原理图；
图4是本发明所述感容串联激励电感接收工作模式的原理图；
图5是本发明所述感容串联激励感容接收工作模式的原理图；
图6是本发明所述电容激励电感接收工作模式的原理图；
图7是本发明所述电容激励感容接收工作模式的原理图；
图8是本发明所述电感激励电容接收工作模式的原理图；
图9是本发明所述电感激励感容接收工作模式的原理图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种感容式电磁超声波换能器，包括永磁体1、绝缘介质2、线圈3、铜极板4、介质层5和水膜6；
在金属试件7的上方，依次堆叠有水膜6、介质层5、线圈3、绝缘介质2和永磁体1，铜极板4设置在线圈3中心处；永磁体1、绝缘介质2、线圈3、铜极板4、介质层5、水膜6和金属试件7的中心线重合；
永磁体1用于提供静磁场，使金属试件7表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；
绝缘介质2用于隔绝永磁体1和铜极板4，使永磁体1不带电；
线圈3用于提供电场；
铜极板4作为导体用于引导电场的空间分布；
介质层5用于将电场传递至金属试件7；
水膜6用于排除换能器和金属试件7之间的空气，提高传递至金属试件7的电场强度。
本实施方式中，铜极板4也可以采用金极板、银极板或铝极板。直径10mm,厚0.5mm。铜极板4与介质层5结合方式为真空镀膜工艺。
本实施方式中，所述绝缘介质2采用氧化铝陶瓷，直径30mm，厚度2mm，与永磁体1同轴放置，通过胶粘方式紧密结合。
进一步的，所述永磁体1的充磁方向垂直于线圈3所在平面。
本实施方式中，永磁体1采用直径30mm，高30mm的钕铁硼永磁体，充磁方向为厚度方向。
再进一步的，所述线圈3为密绕平面线圈，铜极板4与线圈3处于同一平面内。
本实施方式中，线圈3采用螺旋线圈，使用线径0.5mm铜漆包线紧密绕制，外径30mm，内径12mm。
再进一步的，所述介质层5采用钛酸钡、掺铁钛酸锶、碳酸铜钙中至少一种。
本实施方式中，介质层5厚度0.15mm，直径30mm，与线圈3结合方式为真空镀膜工艺或粘胶。
再进一步的，所述水膜6采用纯水或水质量分数大于50％的水溶液。
本实施方式中，水膜6采用纯水或水质量分数大于50％的水溶液制成的，而水是一种容易获得的具有较大介电常数的液体(相对介电常数约8 1)，不能将其认为是压电超声传感器中耦合剂，起到耦合声波的作用。
具体实施方式二、下面结合图2-图9说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一作进一步限定，所述铜极板4、介质层5、水膜6和金属试件7构成一个换能器电容；
换能器工作模式包括：
感容并联激励电感接收工作模式、感容并联激励感容接收工作模式、感容串联激励电感接收工作模式、感容串联激励感容接收工作模式、电容激励电感接收工作模式、电容激励感容接收工作模式、电感激励电容接收工作模式和电感激励感容接收工作模式。
进一步的，参见图2，感容并联激励电感接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容(EMAT电容)与匹配电感串联，线圈3(EMAT线圈)与匹配电容串联，换能器电容串联回路与线圈3串联回路并联；
激励过程：换能器电容和线圈3并联作为独立的激励源；
通过调整换能器电容的大小，控制换能器激励横波的强度；或通过调整外磁场的分布，控制换能器激励纵波的强度；
接收过程：由线圈3完成横波或纵波的接收；
本实施方式中，由于电容式换能器适合用于激励纵波，电感式EMAT适合激励横波，该工作方式适用于在铁磁性材料(碳钢等)中同时激励纵横波，可用于应力测量。
再进一步的，参见图3，感容并联激励感容接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与匹配电感串联，线圈3与匹配电容串联，换能器电容串联回路与线圈3串联回路并联；
激励过程：换能器电容和线圈3并联作为独立的激励源；
通过调整换能器电容的大小，控制换能器激励横波的强度；或通过调整外磁场的分布，控制换能器激励纵波的强度；
接收过程：由换能器电容和线圈3同时完成横波或纵波的接收。
本实施方式中，这种工作模式适合用于纵波信号微弱的情况，原因是电容式EMAT的接收灵敏度比EMAT高。
再进一步的，参见图4，感容串联激励电感接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与线圈3串联；
激励过程：换能器电容与线圈3互为匹配元件，线圈3正常工作则串联回路中流经的电流使换能器电容产生横波；
接收过程：线圈3完成横波的接收。
本实施方式中，这种工作模式巧妙地利用了感容式电磁换能器的结构特点，使EMAT电容和EMAT电感互为匹配元件，达到了激励网络的最简化。此时为了EMAT线圈正常工作，串联回路中必须流过较大强度的电流，EMAT电容势必会产生强度客观的横波。而EMAT电容产生横波引起的质点振动方向与EMAT线圈平行，EMAT线圈不能接收此部分的横波。因此可以实现单纯的纵横波激励与接收而不会造成由于声源多样而造成信号混叠的复杂情况。
再进一步的，参见图5，感容串联激励感容接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与线圈3串联；
激励过程：换能器电容与线圈3互为匹配元件，线圈3正常工作则串联回路中流经的电流使换能器电容产生横波；
接收过程：线圈3完成横波的接收，同时采用换能器电容对纵波进行检测。
本实施方式中，采用换能器电容对纵波进行检测，能够增强纵波的接收强度，此时外磁场在线圈范围内的磁场切向分量必须足够小以至于可以忽略EMAT线圈接收到的纵波。
再进一步的，参见图6，电容激励电感接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：换能器电容产生横波或纵波；
接收过程：线圈3完成横波或纵波的接收。
本实施方式中，该工作模式中利用电容式换能器激励纵波不受金属试件电磁性质的影响，激励出强度可观的纵波后，采用换能器线圈接收。换能器线圈可为接收器提供差分信号，提高传感器的抗干扰能力。
再进一步的，参见图7，电容激励感容接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：换能器电容产生横波或纵波；
接收过程：线圈3完成横波或纵波的接收，同时采用换能器电容对纵波进行检测。
再进一步的，参见图8，电感激励电容接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：线圈3产生横波或纵波；
接收过程：换能器电容完成横波或纵波的接收。
本实施方式中，该工作模式中，使用换能器线圈在非铁磁性物质中激励纵波，利用换能器电容对纵波敏感性高的特点进行纵波接收，是一种较为理想的纯纵波换能器。
再进一步的，参见图9，电感激励感容接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：线圈3产生横波或纵波；
接收过程：换能器电容完成横波或纵波的接收，同时采用线圈3对纵波进行检测。
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 (9)

1.一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，包括永磁体(1)、绝缘介质(2)、线圈(3)、铜极板(4)、介质层(5)和水膜(6)；
在金属试件(7)的上方，依次堆叠有水膜(6)、介质层(5)、线圈(3)、绝缘介质(2)和永磁体(1)，铜极板(4)设置在线圈(3)中心处；永磁体(1)、绝缘介质(2)、线圈(3)、铜极板(4)、介质层(5)、水膜(6)和金属试件(7)的中心线重合；
永磁体(1)用于提供静磁场，使金属试件(7)表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；
绝缘介质(2)用于隔绝永磁体(1)和铜极板(4)，使永磁体(1)不带电；
线圈(3)用于提供电场；
铜极板(4)作为导体用于引导电场的空间分布；
介质层(5)用于将电场传递至金属试件(7)；
水膜(6)用于排除换能器和金属试件(7)之间的空气，提高传递至金属试件(7)的电场强度；
所述铜极板(4)、介质层(5)、水膜(6)和金属试件(7)构成一个换能器电容；
换能器工作模式包括：
感容并联激励电感接收工作模式、感容并联激励感容接收工作模式、感容串联激励电感接收工作模式、感容串联激励感容接收工作模式、电容激励电感接收工作模式、电容激励感容接收工作模式、电感激励电容接收工作模式和电感激励感容接收工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述永磁体(1)的充磁方向垂直于线圈(3)所在平面。
3.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述线圈(3)为密绕平面线圈，铜极板(4)与线圈(3)处于同一平面内。
4.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述介质层(5)采用钛酸钡、掺铁钛酸锶、碳酸铜钙中至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述水膜(6)采用纯水或水质量分数大于50％的水溶液。
6.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，感容并联激励电感接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与匹配电感串联，线圈(3)与匹配电容串联，换能器电容串联回路与线圈(3)串联回路并联；
激励过程：换能器电容和线圈(3)并联作为独立的激励源；
通过调整换能器电容的大小，控制换能器激励横波的强度；或通过调整外磁场的分布，控制换能器激励纵波的强度；
接收过程：由线圈(3)完成横波或纵波的接收；
感容并联激励感容接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与匹配电感串联，线圈(3)与匹配电容串联，换能器电容串联回路与线圈(3)串联回路并联；
激励过程：换能器电容和线圈(3)并联作为独立的激励源；
通过调整换能器电容的大小，控制换能器激励横波的强度；或通过调整外磁场的分布，控制换能器激励纵波的强度；
接收过程：由换能器电容和线圈(3)同时完成横波或纵波的接收。
7.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，感容串联激励电感接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与线圈(3)串联；
激励过程：换能器电容与线圈(3)互为匹配元件，线圈(3)正常工作则串联回路中流经的电流使换能器电容产生横波；
接收过程：线圈(3)完成横波的接收；
感容串联激励感容接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与线圈(3)串联；
激励过程：换能器电容与线圈(3)互为匹配元件，线圈(3)正常工作则串联回路中流经的电流使换能器电容产生横波；
接收过程：线圈(3)完成横波的接收，同时采用换能器电容对纵波进行检测。
8.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，电容激励电感接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：换能器电容产生横波或纵波；
接收过程：线圈(3)完成横波或纵波的接收；
电容激励感容接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：换能器电容产生横波或纵波；
接收过程：线圈(3)完成横波或纵波的接收，同时采用换能器电容对纵波进行检测。
9.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，电感激励电容接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：线圈(3)产生横波或纵波；
接收过程：换能器电容完成横波或纵波的接收；
电感激励感容接收工作模式的工作过程包括：
激励过程：线圈(3)产生横波或纵波；
接收过程：换能器电容完成横波或纵波的接收，同时采用线圈(3)对纵波进行检测。
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