CN112050839A - 一种随形可变曲率的电磁超声探头及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超声测量技术领域，提供了一种随形可变曲率的电磁超声探头及其测量方法。该探头包括柔性激励线圈、柔性磁铁、柔性外壳和MMCX连接器。首先，设计出五种构型的柔性激励线圈；其次，设计五种对应的磁铁分布结构；然后，设计柔性硅胶外壳，并集成柔性线圈和柔性磁铁；最后，通过夹具控制电磁超声探头，保证自动化测量过程中始终与材料曲面紧密贴合。本发明设计出五种不同类型的随形可变曲率的电磁超声探头，其结构紧凑、空间测量分辨率高、无需耦合剂、操作简单快速；保证了超声声轴与被测曲面局部法式一致，提高了测量精度及信号信噪比；可以面向不同测量参数进行选择优化应用，实现厚度、应力和缺陷等多物理几何参数的超声测量。

Description

一种随形可变曲率的电磁超声探头及其测量方法
技术领域
本发明属于超声测量技术领域，特别涉及一种随形可变曲率的电磁超声探头及其测量方法。
背景技术
曲面零件是航空航天等领域高端装备中的一类典型件。为准确获取该类零件的制造质量、材料特性和安全寿命等关键信息，往往在加工过程或使役过程采用超声法对其进行定量评估。超声作为一种常用的无损检测手段，且具有适用范围广、测量快速、装置简单、成本低、安全无害等优点，已被广泛应用于厚度、缺陷和残余应力等多物理几何参数测量。
为了避免曲面零件的曲率对超声传播的影响，目前的研究大多面向形状平缓零件的检测。由于基于压电换能原理的超声造波方法易受耦合状态影响，为了获得稳定的耦合状态，往往将工件浸入到水中测量，受水槽尺寸限制无法满足大型结构件的无损测量要求；而且为了与工件曲率相同，通常采用特定曲率的楔块探头，该方法只能面向一种曲面零件测量，通用性较差。基于电磁感应原理的超声造波方法可以非接触、无耦合的方式对零件进行检测，但是其换能效率低，特别是面向曲面零件测量时探头与曲面间的空隙严重降低超声信噪比，且测量时难以确保探头平面垂直于被测局部曲面法矢，导致超声传播路径偏离及回波振幅衰减，引起较大测量误差。为此，针对探头适应性差及激发的信号信噪比低等难题，设计一种随形可变曲率的电磁超声探头，通过紧密贴合曲面，保证超声声轴始终与被测曲面局部法式一致，提高测量精度及信号强度。
2017年，廉国选等在发明专利CN201710229235.7中公开了一种柔性探头结构，该探头在正方形区域内等距布置64个振源体单元，各振源体固定在基盘上，于振源体与基盘间套入弹簧，根据表面状态的起伏大小自适应调整各个阵元的伸缩量，然而，此探头结构基于压电换能原理，只适用于非平整或大曲率表面；2018年，龙绍君等在发明专利CN201810874215.X中公开了一种可调节式柔性探头装置，该探头将陶瓷压电晶片设于柔性背材上，并在柔性背材上方设置缓冲垫，在柔性背材两侧设置张紧机构，使陶瓷压电晶片紧密贴合弧面工件，然而，此探头结构基于压电换能原理，仅能面向缺陷检测。
然而，上述均未提及一种随形可变曲率的电磁超声探头。
发明内容
为了解决现有方法中的问题，考虑曲面零件的超声测量需求，本发明提供了一种随形可变曲率的电磁超声探头及其测量方法。本发明将柔性电磁线圈、柔性磁铁和柔性壳体有机集成，创新设计了一种随形可变曲率的电磁超声探头，实现了探头各组件均可适应复杂曲面零件不同测量点的曲率变化，保证了超声声轴与被测曲面局部法式一致；并基于随形可变曲率的电磁超声探头特点，设计了一种探头夹具，保证超声自动化测量过程中电磁超声探头始终与曲面紧密贴合；所述的随形可变曲率的电磁超声探头可应用于曲面零件的厚度、应力和缺陷等多参量的超声测量。
本发明采用的技术方案是：
一种随形可变曲率的电磁超声探头，包括柔性激励线圈1、柔性磁铁2、柔性外壳3.1和MMCX连接器3.2。
所述的柔性磁铁2置于柔性激励线圈1正上方，使柔性激励线圈1覆盖的区域具有高的磁感应强度以保证产生高信噪比超声。所述的柔性外壳3.1由硅胶制成以满足大变形要求；柔性外壳3.1为壳体结构，其内部依据柔性激励线圈1与柔性磁铁2的结构尺寸设计空腔，柔性激励线圈1与柔性磁铁2固定在柔性外壳3.1的空腔中。MMCX连接器3.2安装在柔性外壳3.1预设的槽口中，且通过焊接方式与柔性激励线圈1相连，并通过同轴电缆连接脉冲系统。
所述柔性激励线圈1由柔性电路板制作，柔性电路板由聚酰亚胺或聚酯薄膜制成基材，具有可变形、厚度低，配线密度高且成本低等优点，赋予线圈柔性特征的同时保证高的信号强度，且线圈尺寸更紧凑。对于不同模式的超声信号采用的柔性激励线圈1不同，包括圆形螺旋线圈、跑道形螺旋线圈、回形螺旋线圈、正交D形螺旋线圈、正交跑道形螺旋线圈五种构型。五种构型均采用柔性电路板打样制作，且均为螺旋形线圈；不同之处为线圈形状不同，且产生的涡流方向不同：其中，圆形螺旋线圈、跑道形螺旋线圈和回形螺旋线圈均为单层结构，正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈为双层正交布置结构；特别地，圆形螺旋线圈在材料表面产生无数个径向方向的涡流，跑道形螺旋线圈和回形螺旋线圈在材料表面产生单一方向的涡流，正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈在材料表面产生正交方向的涡流。
所述的柔性磁铁2由橡胶钕铁硼制作。根据柔性激励线圈1的五种构型，对应的柔性磁铁2结构共有五种构型，分别为圆形螺旋线圈对应的柔性磁铁、跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁、回形螺旋线圈对应的柔性磁铁、正交D形螺旋线圈对应的柔性磁铁、正交跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁。五种构型的柔性激励线圈1均采用一块柔性磁铁2，且为单向充磁方式；不同之处为柔性磁铁2的尺寸和形状不同：考虑到超声信号的信噪比和电磁超声探头结构的紧凑性，柔性磁铁2所占据的区域与柔性线圈1的有效区域相同；特别地，圆形螺旋线圈对应的柔性磁铁和正交D形螺旋线圈对应的柔性磁铁均采用圆柱结构，跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁、回形螺旋线圈对应的柔性磁铁和正交跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁均采用长方体结构。
一种采用上述随形可变曲率的电磁超声探头进行测量的方法，首先，设计并制作柔性激励线圈；其次，设计并优化柔性磁铁结构；再次，设计柔性硅胶外壳，并集成柔性线圈和柔性磁铁；然后，基于组装后的电磁超声探头设计探头夹具；最后进行超声测量。具体包括以下步骤：
第一步，设计并制作柔性激励线圈
根据不同模式的超声信号制作不同构型的柔性激励线圈1，柔性激励线圈1的构型包括有圆形螺旋线圈、跑道形螺旋线圈、回形螺旋线圈、正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈。
所述的柔性激励线圈1由柔性电路板打样制作，柔性电路板由聚酰亚胺或聚酯薄膜制成基材。
第二步，设计并优化柔性磁铁结构
为保证磁铁兼顾柔性和高磁性两大特征，选择橡胶钕铁硼制作柔性磁铁2；柔性磁铁2采用单向充磁方式。根据柔性激励线圈1的五种结构形式，柔性磁铁2对应有五种构型。基于电磁感应原理，将柔性磁铁2放置于柔性激励线圈1正上方，使柔性激励线圈覆盖的区域具有高的磁感应强度以保证产生高信噪比超声。
第三步，设计并组装电磁超声探头
柔性外壳3.1由硅胶制成以满足大变形要求，其内部依据柔性激励线圈1与柔性磁铁2结构尺寸设计空腔；将柔性激励线圈1与柔性磁铁2通过胶水固定在柔性外壳3.1的空腔中。将MMCX连接器3.2通过焊接方式与柔性激励线圈1相连，并通过同轴电缆连接脉冲系统。
第四步，设计探头夹具
为实现曲面零件的自动化超声测量，基于电磁超声探头3的结构特点设计一种探头夹具4，包括支架4.1和内杆4.2。所述支架4.1为中空结构，内杆4.2下端与柔性外壳3.1上表面连接，内杆4.2和柔性外壳3.1一同置于支架4.1的空腔中。当电磁超声探头3测量凸面零件4.3时，内杆4.2自动缩回，由支架4.1对电磁超声探头两侧施加压力使其贴紧凸面零件；当电磁超声探头3测量凹面零件4.4时，内杆4.2前伸顶住电磁超声探头使其贴紧凹面零件。
第五步，连接脉冲系统
将第三步组装的电磁超声探头3经阻抗匹配网络5.6、双工器5.4、终端电阻5.5和超声脉冲收发器5.1依次顺序连接；接收信号经双工器5.4接收并通过放大器5.2放大后在示波器5.3显示；所述示波器5.3经USB线5.8与PC上位机5.7连接以传输和存储采集超声信号。将被测材料放置在电磁超声传感器3下方进行超声测量。
本发明的有益效果：本发明设计了一种随形可变曲率的电磁超声探头，该探头结构紧凑、空间测量分辨率高、无需耦合剂、操作简单快速；基于柔性材料制作的线圈、磁铁和外壳可以适应不同曲率的曲面零件，贴合紧密，保证了超声声轴与被测曲面局部法式一致，提高了测量精度及信号信噪比；本发明所述的电磁超声探头可实现厚度、应力和缺陷等多物理几何参数的超声测量，适用范围广。
附图说明
图1为柔性激励线圈示例图；其中，(a)圆形螺旋线圈，(b)跑道形螺旋线圈，(c)回形螺旋线圈，(d)正交D形螺旋线圈，(e)正交跑道形螺旋线圈。
图2为柔性磁铁示例图；其中，(a)圆形螺旋线圈对应的柔性磁铁，(b)跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁，(c)回形螺旋线圈对应的柔性磁铁，(d)正交D形螺旋线圈对应的柔性磁铁，(e)正交跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁。
图3为电磁超声探头示例图。
图4为探头夹具示例图。
图5为脉冲系统示例图。
图6为超声信号示例图。
图中：1柔性激励线圈；2柔性磁铁；3电磁超声探头；3.1柔性外壳；3.2MMCX连接器；4.1支架；4.2内杆；凸面零件4.3；凹面零件4.4；5.1超声脉冲收发器；5.2放大器；5.3示波器；5.4双工器；5.5终端电阻；5.6阻抗匹配网络；5.7PC上位机；5.8USB线。
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付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。
如图1-图2所示，根据五种不同的柔性激励线圈1选择不同结构的柔性磁铁2，共设计出五种面向曲面零件无损检测的电磁超声探头3。本实施例中，以第二种跑道形螺旋线圈(如图1中(b)所示)为例，并采用跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁(如图2中(b)所示)。
考虑到小尺寸柔性激励线圈1具有更高的测量分辨率，本实施例的跑道形螺旋线圈的主要参数为：有效区域面积为21mm×21mm，厚度0.13mm，线宽及线间距均为0.1mm，共24匝。
考虑到过厚的柔性磁铁2刚性更大，不利电磁超声探头3与曲面贴合，为此，基于跑道形螺旋线圈的结构尺寸，综合考虑磁铁的柔性和磁感应强度，设计的跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁2主要参数为：面积为21mm×21mm，厚度3mm，牌号为R7。
为集成柔性激励线圈1和柔性磁铁2并保证电磁超声探头3的变形能力，采用硅胶材质设计外壳3.1，内部依据跑道形螺旋线圈与柔性磁铁2结构尺寸设计空腔，外壳3.1的前部预设缺口以安装MMCX连接器3.2；MMCX连接器3.2通过焊接方式与跑道形螺旋线圈相连，再用胶水将跑道形螺旋线圈、柔性磁铁2和外壳3.1空腔内表面粘接以固定组件位置。
为实现曲面零件的自动化超声测量，基于电磁超声探头3的结构特点设计一种探头夹具4，其主要参数为：支架4.1尺寸为35mm×30mm，支架4.1的空腔尺寸为30mm×25mm，长度为5mm；内杆4.2直径为10mm。
为发射并接收电压信号，将组装的电磁超声探头3经阻抗匹配网络5.6、双工器5.4、终端电阻5.5与超声脉冲收发器5.1连接；接收信号于双工器5.4接出，经放大器5.2连接示波器5.3显示；示波器5.3经USB线5.8连接PC上位机5.7以传输并存储采集数据，并对铝合金板进行了测试，获得高质量超声信号，其中阻抗匹配为195pF，激励频率为5.5MHz。
本发明提出的电磁超声探头可自适应贴合不同曲率曲面零件，保证了超声声轴与被测曲面局部法式一致，提高了信噪比和测量精度；探头结构紧凑，空间测量分辨率高，无需耦合剂，操作简单快速，同时满足狭窄工况条件测量要求；创新设计的电磁超声探头可用于曲面零件的厚度、应力和缺陷等多参量的超声测量。
以上所述的具体实施案例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种随形可变曲率的电磁超声探头，其特征在于，该电磁超声探头包括柔性激励线圈(1)、柔性磁铁(2)、柔性外壳(3.1)和MMCX连接器(3.2)；
所述的柔性磁铁(2)置于柔性激励线圈(1)正上方，使柔性激励线圈(1)覆盖的区域具有高的磁感应强度以保证产生高信噪比超声；所述的柔性外壳(3.1)为壳体结构，其内部依据柔性激励线圈(1)与柔性磁铁(2)的结构尺寸设计空腔，柔性激励线圈(1)与柔性磁铁(2)固定在柔性外壳(3.1)的空腔中；所述MMCX连接器(3.2)安装在柔性外壳(3.1)预设的槽口中，且与柔性激励线圈(1)相连，并通过同轴电缆连接脉冲系统。
2.根据权利要求1所述的电磁超声探头，其特征在于，所述柔性激励线圈(1)包括圆形螺旋线圈、跑道形螺旋线圈、回形螺旋线圈、正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈五种构型；所述圆形螺旋线圈、跑道形螺旋线圈和回形螺旋线圈均为单层结构，正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈为双层正交布置结构；其中，圆形螺旋线圈在材料表面产生无数个径向方向的涡流，跑道形螺旋线圈和回形螺旋线圈在材料表面产生单一方向的涡流，正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈在材料表面产生正交方向的涡流。
3.根据权利要求1或2所述的电磁超声探头，其特征在于，所述柔性激励线圈(1)采用柔性电路板打样制作，柔性电路板由聚酰亚胺或聚酯薄膜制成基材。
4.根据权利要求2所述的电磁超声探头，其特征在于，根据柔性激励线圈(1)的五种构型，所述柔性磁铁(2)对应有五种构型；其中，圆形螺旋线圈对应的柔性磁铁和正交D形螺旋线圈对应的柔性磁铁均采用圆柱结构，跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁、回形螺旋线圈对应的柔性磁铁和正交跑道形螺旋线圈对应的柔性磁铁均采用长方体结构。
5.根据权利要求1、2或4所述的电磁超声探头，其特征在于，所述的柔性磁铁(2)由橡胶钕铁硼制作且为单向充磁方式；柔性磁铁(2)所占据的区域与柔性线圈(1)的有效区域相同。
6.根据权利要求3所述的电磁超声探头，其特征在于，所述的柔性磁铁(2)由橡胶钕铁硼制作且为单向充磁方式；柔性磁铁(2)所占据的区域与柔性线圈(1)的有效区域相同。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的电磁超声探头，其特征在于，柔性外壳(3.1)由硅胶制成。
8.一种采用权利要求1-7任一所述的电磁超声探头进行测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，设计并制作柔性激励线圈
根据不同模式的超声信号制作不同构型的柔性激励线圈(1)；所述柔性激励线圈(1)的构型包括有圆形螺旋线圈、跑道形螺旋线圈、回形螺旋线圈、正交D形螺旋线圈和正交跑道形螺旋线圈；
第二步，设计并优化柔性磁铁结构
根据柔性激励线圈(1)的五种结构形式，设计对应的柔性磁铁(2)结构；将柔性磁铁(2)放置于柔性激励线圈(1)正上方，使柔性激励线圈覆盖的区域具有高的磁感应强度以保证产生高信噪比超声；
第三步，设计并组装电磁超声探头
将柔性激励线圈(1)与柔性磁铁(2)通过胶水固定在柔性外壳(3.1)的空腔中；将MMCX连接器(3.2)通过焊接方式与柔性激励线圈(1)相连，并通过同轴电缆连接脉冲系统；
第四步，设计探头夹具
探头夹具(4)包括支架(4.1)和内杆(4.2)；所述支架(4.1)为中空结构，内杆(4.2)下端与柔性外壳(3.1)上表面连接，内杆(4.2)和柔性外壳(3.1)一同置于支架(4.1)的空腔中；当电磁超声探头(3)测量凸面零件(4.3)时，内杆(4.2)自动缩回，由支架(4.1)对电磁超声探头两侧施加压力使其贴紧凸面零件；当电磁超声探头(3)测量凹面零件(4.4)时，内杆(4.2)前伸顶住电磁超声探头使其贴紧凹面零件；
第五步，连接脉冲系统
将电磁超声探头(3)经阻抗匹配网络(5.6)、双工器(5.4)、终端电阻(5.5)和超声脉冲收发器(5.1)依次顺序连接；接收信号经双工器(5.4)接收并通过放大器(5.2)放大后在示波器(5.3)显示；所述示波器(5.3)经USB线(5.8)与PC上位机(5.7)连接以传输和存储采集超声信号；然后将被测材料放置在电磁超声传感器下方进行超声测量。
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