CN112684013B - 一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法 - Google Patents

Abstract

一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，解决了现有电磁超声换能器无法激励和接收多种波长超声导波的问题，属于电磁超声无损检测领域。本发明通过设计理想的多波长空间信号，使用脉冲调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲调制序列，进而得到电磁超声线圈参数，即：线圈导线的排布、线圈宽度和线圈间距，完成对线圈设计，本发明的脉冲调制序列为脉冲幅度调制脉冲序列、脉冲宽度调制脉冲序列和脉冲波数调制脉冲序列，可以分别制作出能激励和接收多种波长导波的脉冲幅度调制线圈、脉冲宽度调制线圈和脉冲波数调制线圈。

Description

一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法

技术领域

本发明涉及一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，属于电磁超声无损检测领域。

背景技术

相较于传统的压电换能器，电磁超声换能器使用时无需耦合剂。这种非接触式的检测技术使其非常适合应用于一些特殊的应用中，比如高温检测、高速在线扫描检测等。而且，电磁超声换能器在使用时不会受到耦合剂对测量精度的影响，在声时、衰减等方面的测量上具有更高的精度，因此，电磁超声换能器在结构健康监测、微观组织结构损伤、材料特性测量等方面也更有优势。

导波电磁超声换能器往往被用来激励单一波长的超声导波。但是，单一波长的导波对缺陷检测的灵敏度是有限的。使用多种波长的导波可以对材料中的损伤进行更加准确的评估。在非线性超声导波检测中，接收换能器也需要具有能同时接收两种波长超声波的能力。除此之外，能激励小波长导波的电磁超声换能器的制作难度也较高。因此，能激励和接收多种波长导波的电磁超声换能器是必要的。

目前，能同时激励和接收多种波长导波的单一电磁超声换能器还鲜有研究，更没有相应的电磁超声换能器设计方法。这大大限制了电磁超声换能器的检测灵敏度、对缺陷的评估准确度和应用范围。

发明内容

针对现有电磁超声换能器无法激励和接收多种波长超声导波的问题，本发明提供一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法。

本发明的一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，所述方法包括：

S1、设计理想的空间信号；

S2、使用脉冲幅度调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲幅度调制脉冲序列，所述脉冲幅度调制脉冲序列为单位冲击脉冲序列且各脉冲无宽度、幅值相等；

S3、根据脉冲幅度调制脉冲序列得到电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲幅度调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲幅度调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度根据需求进行设置，各导线采用串联或并联连接；

S4、根据线圈参数进行线圈制作。

本发明还提供一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，所述方法包括：

S1、设计理想的空间信号；

S2、使用脉冲宽度调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲宽度调制脉冲序列，所述脉冲宽度调制脉冲序列的各脉冲序列有宽度、宽度不一且幅值相等；

S3、根据脉冲宽度调制脉冲序列得到电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲宽度调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲宽度调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度等于各脉冲宽度调制脉冲序列的宽度，各导线采用串联或并联连接；

S4、根据线圈参数进行线圈制作。

本发明还提供一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，所述方法包括：

S1、设计理想的空间信号；

S2、使用脉冲波数调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲波数调制脉冲序列，所述脉冲波数调制脉冲序列为单位冲击脉冲序列且各脉冲无宽度、幅值相等；

S3、根据脉冲波数调制脉冲序列得到电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲波数调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲波数调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度根据需求进行设置，各导线采用串联或并联连接；

S4、根据线圈参数进行线圈制作。

本发明的有益效果：本发明通过设计理想的多波长空间信号，使用脉冲调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲调制序列，进而得到电磁超声线圈参数，即：线圈导线的排布、线圈宽度和线圈间距，完成对线圈设计，本发明的脉冲调制序列为脉冲幅度调制脉冲序列、脉冲宽度调制脉冲序列和脉冲波数调制脉冲序列，可以分别制作出能激励和接收多种波长导波的脉冲幅度调制线圈、脉冲宽度调制线圈和脉冲波数调制线圈。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为理想的空间信号；

图3为脉冲幅度调制脉冲序列获取过程；

图4为四个空间周期的脉冲幅度调制脉冲序列；

图5为脉冲宽度调制脉冲序列获取过程；

图6为脉冲波数调制脉冲序列获取过程；

图7为实际绘制的PCB线圈示例，其中图7(a)为PAM线圈，图7(b)为PWNM线圈，图7(c)为PWM线圈。

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。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本实施方式的一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，包括如下步骤：

步骤一、设计多波长的理想的空间信号；

步骤二、使用脉冲调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲调制序列；

步骤三、根据脉冲调制序列得到电磁超声线圈参数；

步骤四、根据线圈参数进行线圈制作。

本实施方式步骤一的理想空间信号g(x)的表达式为：

k_n＝nk₁

其中，x表示空间坐标，n为谐波阶数，是正数，k_n是第n阶谐波的波数，k₁是基波的波数，A_n是第n阶谐波的幅值，为第n阶谐波的相位。

本实施方式的空间信号是几个正弦波的组合，其谐波阶数可以根据设计要求进行选择，谐波阶数是正数，但可以不是整数。所述基波波数、谐波幅值和相位根据设计要求确定。

本实施方式步骤二的脉冲调制技术，包括脉冲幅度调制技术、脉冲宽度调制技术和脉冲波数调制技术。根据以上脉冲调制技术，可以分别得到脉冲幅度调制脉冲序列、脉冲宽度调制脉冲序列、脉冲波数调制脉冲序列。脉冲调制脉冲序列中各脉冲的幅值相等。根据脉冲幅度调制技术和脉冲波数调制技术得到的脉冲调制脉冲序列，是单位冲击脉冲序列，各脉冲无宽度。根据脉冲宽度调制技术得到的脉冲序列中，各脉冲有宽度但宽度不一。

本实施方式的步骤三中，电磁超声线圈的线圈参数根据脉冲调制脉冲序列确定。线圈中各导线按照脉冲调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度等于脉冲调制脉冲序列中各脉冲的宽度。由于根据脉冲幅度调制技术和脉冲波数调制技术得到的脉冲调制脉冲序列中的脉冲无宽度，对应的线圈导线宽度可以自行设计，一般情况下应尽可能小。然后再使用并联或串联的方式将导线连接起来。

本实施方式的步骤四中，电磁超声线圈制作可以使用PCB工艺加工，也可以使用漆包线绕制。电磁超声线圈与电磁铁或永磁铁构成电磁超声换能器，此换能器具有激励和接收多种波长导波的能力。

具体实施例1：本实施例以激励和接收等幅值的基波和二次谐波为例，对多波长电磁超声换能器线圈的设计方法包括：

步骤1、设计理想的空间信号：

能激励和接收等幅值基波和二次谐波的理想的空间信号的表达式为：

g(x)＝sin(kx)+sin(2kx)

理想的空间信号21如图2所示。

步骤2、使用脉冲幅度调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲幅度调制脉冲序列：

所述脉冲幅度调制技术，是指脉冲的幅值随理想空间信号的幅值变化，但是脉冲的间距保持不变。根据脉冲幅度调制技术获得脉冲幅度调制脉冲序列的过程如图3所示。具体过程为：构建一个周期性的单位冲击脉冲序列32，然后将该单位冲击脉冲序列32与理想空间信号31相乘，即可得到脉冲幅度调制脉冲序列33。周期性的单位冲击脉冲序列32的空间周期是理想空间信号空间周期的整数倍。

根据图3所述的脉冲幅度调制脉冲序列获取过程获得的脉冲幅度调制脉冲序列还不能直接应用。需要保证脉冲幅度调制脉冲序列中各脉冲的幅值相等并且可以确定脉冲序列的空间周期和第一个脉冲的空间坐标。第一个脉冲的空间坐标和脉冲序列的空间周期需要满足以下表达式：

g(x₁)＝C

|g(x₁+nX)|＝C or 0 n＝1,2,...,N

k(N+1)X＝2π

X≥x₁

其中，x₁为第一个脉冲的空间坐标，X为脉冲序列的空间周期，C为任意常数，N表示每个周期的最大脉冲数。

求解此方程可以求得第一个脉冲的空间坐标和脉冲序列的空间周期，从而得到脉冲幅值调制脉冲序列。绘制脉冲幅值调制脉冲序列41如图4所示。

步骤3、根据脉冲幅度调制脉冲序列获得电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲幅度调制脉冲序列进行排布，脉冲幅度调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距等于线圈中相邻导线的中心间距，由于脉冲幅度调制脉冲中的脉冲无宽度，对应的线圈导线宽度可以自行设计，一般情况下应尽可能小。然后再使用并联或串联的方式将导线连接起来。

步骤4、根据线圈参数进行线圈制作：

线圈制作可以使用PCB工艺加工，也可以使用漆包线绕制。根据脉冲幅度调制脉冲序列得到的线圈参数而制作的PCB线圈示例如图7(a)所示。根据脉冲幅度调制技术获得的线圈称为PAM线圈72。线圈中各导线使用串联的方式连接，通以交变电流71。线圈中各导线也可以使用并联的方式连接。

具体实施例2：本实施例以激励和接收等幅值的基波和二次谐波为例，对多波长电磁超声换能器线圈的设计方法包括：

步骤1、设计理想的空间信号：

能激励和接收等幅值基波和二次谐波的理想的空间信号的表达式为：

g(x)＝sin(kx)+sin(2kx)

理想的空间信号21如图2所示。

步骤2、使用脉冲宽度调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲宽度调制脉冲序列：

所述脉冲宽度调制技术，是指脉冲的宽度随理想空间信号的幅值变化，但是脉冲的幅度和脉冲的中心间距保持不变。根据脉冲幅度调制技术获得脉冲幅度调制脉冲序列的方式如图5所示。

图5所示方法为载波法，即正弦脉冲宽度调制(SPWM)法。具体过程为：构建一等腰三角波作为载波51，载波51的幅值比理想空间信号52的幅值略大。然后对空间信号52取绝对值，形成调制波53。对载波51和调制波53进行幅值对比。当载波51的幅值高时，输出信号为0；载波51的幅值低时，若调制波53幅值为正，则输出信号为1，否则，输出信号为-1。最后，输出信号即是脉冲幅度调制宽度调制脉冲序列54。

本实施例仅介绍了载波法获取脉冲宽度调制脉冲序列，也可以使用其他的方法(如等面积法)构建脉冲宽度调制脉冲序列。

步骤3、根据脉冲宽度调制脉冲序列获得电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲宽度调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲宽度调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度等于脉冲宽度调制脉冲序列中各脉冲的宽度。然后再使用并联或串联的方式将导线连接起来。

步骤4、根据线圈参数进行线圈制作：

线圈制作可以使用PCB工艺加工，也可以使用漆包线绕制。根据脉冲宽度调制脉冲序列得到的线圈参数而制作的PCB线圈示例如图7(b)所示。根据脉冲宽度调制技术获得的线圈称为PWM线圈74。线圈中各导线使用串联的方式连接，通以交变电流71。线圈中各导线也可以使用并联的方式连接。

具体实施例3：本实施例以激励和接收等幅值的基波和二次谐波为例，对多波长电磁超声换能器线圈的设计方法包括：

步骤1、设计理想的空间信号：

能激励和接收等幅值基波和二次谐波的理想的空间信号的表达式为：

g(x)＝sin(kx)+sin(2kx)

理想的空间信号21如图2所示。

步骤2、使用脉冲波数调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲波数调制脉冲序列：

所述脉冲波数调制技术，是指脉冲的波数随理想空间信号的幅值变化，即脉冲间距随理想空间信号的幅值变化，但是脉冲的幅度保持不变。获得脉冲序列的过程如图6所示。具体过程为：首先，根据调制信号表达式求得余弦形式的脉冲波数调制信号61。调制信号的表达式为：

s_m(x)＝cos[k_cx+K∫m(τ)dτ]

其中，K为灵敏度，k_c为载波波数，m(τ)为调制波62。调制波62是理想空间信号63求绝对值获得的。

然后，选择s_m(x)＝-1的点为采样点，s_m(x)＝-1处对应的坐标为脉冲波数调制脉冲序列中各脉冲的坐标。每个脉冲的幅值相等。这样即可得到单位冲击脉冲序列64。

本专利使用s_m(x)＝-1的点作为采样点，也可以使用s_m(x)＝A(A为任意小于1的常数)的点作为采样点。

步骤3、根据脉冲波数调制脉冲序列获得电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲波数调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲波数调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度等于脉冲调制脉冲序列中各脉冲的宽度。由于脉冲波数调制脉冲序列中的脉冲无宽度，对应的线圈导线宽度可以自行设计，一般情况下应尽可能小。然后再使用并联或串联的方式将导线连接起来。

步骤4、根据线圈参数进行线圈制作：

线圈制作可以使用PCB工艺加工，也可以使用漆包线绕制。根据脉冲波数调制脉冲序列得到的线圈参数而制作的PCB线圈示例如图7(c)所示。根据脉冲波数调制技术获得的线圈称为PWNM线圈73。线圈中各导线使用串联的方式连接，通以交变电流71。线圈中各导线也可以使用并联的方式连接。

上述三个实施例以激励和接收基波和二次谐波为例，但是本实施方式的设计方法也可以激励和接收任意两个波长、三个波长、四个波长甚至更多波长的电磁超声换能器线圈设计。也可以实现非整数倍谐波的激励，如1.5次谐波的激励。还可以改变激励的各谐波的幅值大小，比如二次谐波的幅值是基波幅值的两倍。因此，任意基于脉冲调制技术，通过改变线圈宽度、线圈间距的方式对连续信号进行模拟，从而得到的多波长电磁超声换能器线圈都属于本申请的保护范围。

本实施方式还适用对单一波数的标准正弦波进行模拟，可以得到能激励和接收纯净的单一波长导波的电磁超声换能器线圈。因此，任意基于脉冲调制技术，通过改变线圈宽度、线圈间距的方式对单一波数的标准正弦波信号进行模拟，从而得到能激励和接收纯净的单一波长导波或能抑制因谐波而产生的导波的电磁超声换能器线圈也属于本申请的保护范围。

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 (3)

1.一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、设计理想的空间信号；

S2、使用脉冲幅度调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲幅度调制脉冲序列，所述脉冲幅度调制脉冲序列为单位冲击脉冲序列且各脉冲无宽度、幅值相等；

S3、根据脉冲幅度调制脉冲序列得到电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲幅度调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲幅度调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度根据需求进行设置，各导线采用串联或并联连接；

S4、根据线圈参数进行线圈制作；

S1中的理想的空间信号g(x)：

k_n＝nk₁

其中，x表示空间坐标，n为谐波阶数，是正数，k_n是第n阶谐波的波数，k₁是基波的波数，A_n是第n阶谐波的幅值，为第n阶谐波的相位；

所述S2包括：

S21、构建一个周期性的单位冲击脉冲序列，然后与理想的空间信号相乘，得到脉冲幅度调制脉冲序列；

所述周期性的单位冲击脉冲序列的空间周期是理想空间信号空间周期的整数倍；

S22、求解S21得到脉冲幅度调制脉冲序列的第一个脉冲的空间坐标和脉冲序列的空间周期，根据第一个脉冲的空间坐标和脉冲序列的空间周期绘制出无宽度、幅值相等的单位冲击脉冲序列，绘制出的单位冲击脉冲序列为脉冲幅度调制脉冲序列；

S22中，第一个脉冲的空间坐标和脉冲序列的空间周期需要满足以下表达式：

g(x₁)＝C，

|g(x₁+nX)|＝C or 0n＝1,2,...,N，

k(N+1)X＝2π，

X≥x₁，

其中，x₁为第一个脉冲的空间坐标，X为脉冲序列的空间周期，C为任意常数，N表示每个周期的最大脉冲数。

2.一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、设计理想的空间信号；

S2、使用脉冲宽度调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲宽度调制脉冲序列，所述脉冲宽度调制脉冲序列的各脉冲序列有宽度、宽度不一且幅值相等；

S3、根据脉冲宽度调制脉冲序列得到电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲宽度调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲宽度调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度等于各脉冲宽度调制脉冲序列的宽度，各导线采用串联或并联连接；

S4、根据线圈参数进行线圈制作；

S1中的理想的空间信号g(x)：

k_n＝nk₁

其中，x表示空间坐标，n为谐波阶数，是正数，k_n是第n阶谐波的波数，k₁是基波的波数，A_n是第n阶谐波的幅值，为第n阶谐波的相位；

所述S2包括：

S21、构建等腰三角波作为载波，载波的幅值大于空间信号g(x)的幅值；

S22、对空间信号g(x)取绝对值，形成调制波；

S23、对S21的载波和S22的调制波进行幅值对比：

当载波的幅值高于调制波的幅值时，输出信号为0；

当载波的幅值低于调制波的幅值时，若调制波的幅值为正，则输出信号为1，否则，输出信号为-1；

输出信号为脉冲宽度调制脉冲序列。

3.一种多波长电磁超声换能器线圈设计方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、设计理想的空间信号；

S2、使用脉冲波数调制技术对空间信号进行模拟，得到脉冲波数调制脉冲序列，所述脉冲波数调制脉冲序列为单位冲击脉冲序列且各脉冲无宽度、幅值相等；

S3、根据脉冲波数调制脉冲序列得到电磁超声线圈参数：

线圈中各导线按照脉冲波数调制脉冲序列进行排布，线圈中相邻导线的中心间距等于脉冲波数调制脉冲序列中相邻脉冲的中心间距，线圈宽度根据需求进行设置，各导线采用串联或并联连接；

S4、根据线圈参数进行线圈制作；

S1中的理想的空间信号g(x)：

k_n＝nk₁

其中，x表示空间坐标，n为谐波阶数，是正数，k_n是第n阶谐波的波数，k₁是基波的波数，A_n是第n阶谐波的幅值，为第n阶谐波的相位；

S21、根据调制信号s_m(x)表达式求得余弦形式的脉冲波数调制信号；

s_m(x)＝cos[k_cx+K∫m(τ)dτ]

其中，K为灵敏度，k_c为载波波数，m(τ)为调制波，调制波m(τ)是空间信号g(x)求绝对值获得的，τ表示积分变量；

S22、选择s_m(x)＝A的点为采样点，s_m(x)＝A处对应的坐标为脉冲波数调制脉冲序列中各脉冲的坐标，每个脉冲的幅值相等，A为任意小于1的常数。