CN113092593A - 一种电磁超声导波换能器及相控阵阵列 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电磁超声导波换能器及相控阵阵列，电磁超声导波换能器包括电连接件、柱状永磁铁、螺旋线圈和屏蔽导线，电连接件用于将电磁超声导波换能器与市电进行电连接，使电磁超声导波换能器通电；柱状永磁铁的外径与螺旋线圈的外径相同；螺旋线圈为双层线圈，螺旋线圈固定在柱状永磁铁的下方，并靠近柱状永磁铁，使柱状永磁铁所产生的磁场方向垂直于所述螺旋线圈，以在通电的状态下产生超声导波；屏蔽导线的一端连接螺旋线圈，另一端连接电连接件。本申请电磁超声导波换能器在应用过程中能够提高检测精度和效率。

Description

一种电磁超声导波换能器及相控阵阵列

技术领域

本申请属于检测技术领域，具体涉及一种电磁超声导波换能器及相控阵阵列。

背景技术

超声导波检测技术是无损检测技术中的一种，因其激励方式的不同，可以细分为压电陶瓷、压电薄膜、磁致伸缩和电磁超声等检测技术。压电超声检测技术有着自己检测成本低且快速的优点，以此被广泛应用，但是预处理过程比较复杂并且严重依赖耦合剂，这在很大程度上对检测的精度、效率以及适用范围都产生了限制。电磁超声检测技术在检测时不需要耦合剂，并且过程中与物件不接触省去了物件表面复杂的预处理过程，即降低了检测的复杂度又提高了检测的效率。不过电磁超声技术也有一些自身的不足，比如换能器换能效率低，接收到的回波信号强度较弱，信号中噪声影响比较大，提离距离的限制等。

因此，需要提供一种针对上述现有技术中不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的是提供一种电磁超声导波换能器及相控阵阵列，用以克服上述现有技术中换能器效率低和监测精度低的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种电磁超声导波换能器，电磁超声导波换能器包括：

电连接件，用于将电磁超声导波换能器与市电进行电连接，使电磁超声导波换能器通电；

柱状永磁铁，柱状永磁铁的外径与螺旋线圈的外径相同；

螺旋线圈，螺旋线圈为双层线圈，螺旋线圈固定在柱状永磁铁的下方，并靠近柱状永磁铁，使柱状永磁铁所产生的磁场方向垂直于螺旋线圈，以在通电的状态下产生超声导波；

屏蔽导线，屏蔽导线的一端连接螺旋线圈，另一端连接电连接件。

优选地，电磁超声导波换能器还包括保护层，保护层粘贴在螺旋线圈下方。

优选地，电磁超声导波换能器还包括外壳，电连接件固定在外壳上，柱状永磁体、螺旋线圈和屏蔽导线固定在外壳内。

优选地，柱状永磁铁采用钕铁硼磁铁。

优选地，电连接件为插头。

优选地，螺旋线圈为PCB印制。

为了实现上述目的，本申请还提供如下技术方案：

一种基于电磁超声导波换能器的相控阵阵列，相控阵阵列包括：

阵元，阵元为上述的电磁超声导波换能器；

阵列载具，阵列载具内设置有阵元孔，阵元孔的直径大于阵元直径，阵元放置于所述阵元孔中。

优选地，阵列载具包括下部载体和上部端盖；下部载体上端面内置阵元孔；上部端盖的下端面与下部载体的上端面活动连接，能够将阵元固定在下部载体中。

优选地，阵列载具的形状为环形、L形或椭圆形。

有益效果：

本申请提出一种电磁超声导波换能器及相控阵阵列，螺旋线圈2和柱状永磁铁1的外径尺寸一致，使得线圈所处磁场的方向全部垂直，获得较为纯净的S0模态Lamb波。纯净的S0模态Lamb波使得电磁超声导波换能器激发模态单一，激发能量高，信号清晰；同时采用双层线圈极大的提高换能效率、形成周向一致的S0模态Lamb波，因此可以电磁超声导波换能器在应用过程中能够提高检测精度和效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为本发明的电磁超声导波换能器平面结构示意图；

图2为本发明电磁超声导波换能器在225KHz激发频率下的接收信号图；

图3为本发明相控阵阵列中阵列载具的圆形结构示意图；

图4为本发明相控阵阵列中阵列载具的L形结构示意图；

图5为本发明实施例中虚拟聚焦成像图。

附图说明：1、柱状永磁铁；2、螺旋线圈；3、屏蔽导线；4、保护层；5、插头；6、外壳；7、上部端盖；8、下部载体；9、阵元孔，10、插头孔。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示例为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

为实现解决现有存在的技术问题，本申请提出下技术方案：

电磁超声导波换能器作为电磁超声导波检测技术的核心元件，其性能的好坏直接决定了电磁超声导波检测技术的整体发展水平。但是现有技术中单体相控阵换能器存在效率低和检测精度低的问题，为此本申请提出一种电磁超声导波换能器及基于该电磁超声导波换能器的相控阵阵列。

电磁超声导波换能器实施例：

如图1所示为本申请的电磁超声导波换能器的结构示意图，以下结合附图1对本申请电磁超声导波换能器的结构、原理等做相关描述，但不作为对本申请权利要求的限值。

本申请的电磁超声导波换能器包括电连接件、柱状永磁铁1、螺旋线圈2和屏蔽导线3；电连接件用于将电磁超声导波换能器与市电进行电连接，使电磁超声导波换能器通电；柱状永磁铁1的外径与螺旋线圈2的外径相同；螺旋线圈2螺旋线圈2为双层线圈，固定在柱状永磁铁1的下方，并靠近柱状永磁铁，使柱状永磁铁所产生的磁场方向垂直于螺旋线圈，以在通电的状态下产生超声导波；屏蔽导线3的一端连接螺旋线圈2，另一端连接电连接件。

本申请的电磁超声导波换能器在设计时，使螺旋线圈2和柱状永磁铁1的外径尺寸一致，即尺寸匹配，使得线圈所处磁场的方向全部垂直，这样既能够有效抑制以离面位移为主的A0模态的超声导波(A0模态的Lamb波)，又便于激发S0模态Lamb波，有效避免在较低频率下同时激发A0与S0两种超声导波模态，也就是说可以获得想要的较为纯净的S0模态Lamb波。纯净的S0模态Lamb波使得电磁超声导波换能器激发模态单一，激发能量高，信号清晰；同时采用双层线圈极大的提高换能效率、形成周向一致的S0模态Lamb波，因此可以电磁超声导波换能器在应用过程中能够提高检测精度和效率。

对于电磁超声导波换能器来讲，S0模态和A0模态的幅值均受频率的影响很大，随着激发频率的变化，S0模态和A0模态的幅值也会发生相应的变化，因此，设置的激发频率会影响电磁超声导波换能器发出不同模态波的幅值。

在本申请实施例中，螺旋线圈2外径为28mm，设置电磁超声导波换能器的激发频率为225KHz，电磁超声导波换能器能够在该激发频率下，S0模态的幅值比较大，而A0模态的幅值则比较小，进而达到最大程度上抑制A0模态的激发的目的。本申请的电磁超声导波换能器在225KHz激发频率下的接收信号图如图2所示，可见能够形成周向一致的S0模态Lamb波，进一步提高电磁超声导波换能器的信号清晰度、检测精度。

优选地，电磁超声导波换能器还包括保护层4，在本申请中，保护层4为耐高温材质，将耐高温材质的保护层4粘贴在螺旋线圈2下方。其中，耐高温材料选用聚酰亚胺PI薄膜，通过耐高温材质可以增加电磁超声导波换能器的高温适用性，使用保护层能够保护螺旋线圈免受破坏。

优选地，电磁超声导波换能器还包括外壳6，电连接件固定在外壳6上，柱状永磁体、螺旋线圈2和屏蔽导线3固定包裹在外壳6内。也就是说，外壳6内设置柱状永磁体、螺旋线圈2以及连接螺旋线圈2和电连接件的屏蔽导线3，然后通过外壳6上固定的电连接件实现电磁超声导波换能器与市电电连接，使电磁超能换能器通电。在本申请中，外壳与其他结构的固定方式为胶黏。

进一步的，外壳6由铝合金等非铁磁性材质制成，柱状永磁铁1采用钕铁硼磁铁。

优选地，电连接件为插头5，具体采用单芯。采用插头5进行电连接，简单易操作，且成本简单。

优选地，螺旋线圈2为双层线圈，螺旋线圈2可以为PCB印制，作为其他实施方式，也可以为手工绕制。对于螺旋线圈2的直径，可以综合考虑电磁超声导波换能器的换能效果和电磁超声导波换能器的体积要求进行选取。

螺旋线圈的外径越大，在被检测物件中产生的涡流面积越大，产生的波的强度越大，采集到的电压信号的幅值也越大；但是螺旋线圈直径越大，选用的柱状永磁铁直径也会越大，相应的电磁超能导波换能器体积就会越大，不便于携带。在一实施例中，除螺旋线圈直径外其它条件均相同的情况下，螺旋线圈直径为12mm的电磁超声导波换能器信号幅值为21mv，螺旋线圈直径为20mm的电磁超声导波换能器信号幅值为50mv，螺旋线圈直径为28mm的换能器信号幅值为89mv。

相控阵阵列实施例：

基于电磁超声导波换能器的相控阵阵列，包括至少两个阵元和阵列载具，阵元为电磁超声导波换能器实施例中描述的电磁超声导波换能器；阵列载具内设置有阵元孔9，阵元孔9的直径大于阵元直径，阵元放置于阵元孔9中。

本申请的相控阵阵列将电磁超声导波换能器作为阵元，在相控阵阵列的应用中每个阵元均可作为激发阵元和接收阵元，例如选择其中一个阵元作为激发阵元，其余阵元作为接收阵元；然后对激发阵元施加激励信号，形成周向一致的S0模态Lamb波，接收阵元进行信号的接收，从而完成信号的激发和接收。然后根据相控聚焦原理，即可实现对损伤信号的精准聚焦，因此本申请的相控阵阵列换能效率高，探测更加灵敏，能够进行准确地损伤定位。

相控聚焦的原理是根据换能器阵元孔到虚拟焦点的距离，计算出时间差值，再将该差值赋予相对应的回波信号，在计算机中就可以实现信号的虚拟合成。合成后，如图5所示，虚拟焦点处会出现能量的聚集，极大的提高信号的信噪比，方便我们对有用信号的识别和分析，利用该方法我们可以使检测系统简单化，只需要在软件中编制程序即可实现时延的计算和波的聚焦合成。本申请的相控阵阵列换能效率高，探测更加灵敏，能够进行准确地损伤定位。

在本申请实施例中阵列载具包括下部载体8和上部端盖7；下部载体8上端面内置阵元孔9，阵元孔9的直径大于阵元直径，阵元放置于阵元孔9中；上部端盖7的下端面与下部载体8的上端面活动连接，能够将阵元固定在下部载体8中。上部端盖7上设置有对应的插头孔10，与插头5位置相对应。

本申请基于电磁超声导波换能器的相控阵阵列，将电磁超声导波换能器作为阵元，放置于下部载体8的阵元孔9中，然后上部端盖7盖在下部载体8上，将阵元即电磁超声导波换能器固定在下部载体8内，形成完整的相控阵阵列。

在本申请实施例中，阵列载具的形状为环形，作为其他实施方式，也可以为L形或椭圆形等其他形状，如图3所示为环形结构，图4为L形结构；本申请对阵列载具的形状不作限定，可以根据需要进行定制，便于实际应用即可。

本申请的相控阵阵列包括阵列载具，因此，相控阵阵列的形状与阵列载具的形状相同，因此相控阵阵列的形状也可以为环形、L形或者椭圆形等。

本申请提供不同形状的阵列载具组成相控阵阵列，不同于以往使用整体式传感器，能够适应多种检测情况的使用，而且探测更加灵敏，能够进行准确地损伤定位。

本发明的有益效果：

根据电磁超声检测技术的独特优势，可以看出利用电磁超声导波换能器激励超声导波的重要性。电磁超声导波换能器同时具备了电磁超声导波换能器和超声导波的双重优势，即能够完全消除耦合剂带来的负面效应，又具有非常高的检测效率。电磁超声导波换能器能够形成周向一致的S0模态Lamb波，能量较高，信号较好。

另外，相控阵技术是将多个换能器阵元组成相控阵阵列，通过电子控制系统调整声束、焦点方向，实现动态聚焦，能够克服单换能器能量分散、分辨率低、信号分析难度大等缺点，但是，由于相控阵对发射信号的同步和延时要求很高，电路制作非常复杂。而本申请将电磁超声导波换能器作为阵元，配以不同形状的阵列载具组成相控阵阵列，不同于以往使用整体式传感器，探测更加灵敏，能够进行准确地损伤定位；并且利用虚拟聚焦的方法，使应用过程中的检测系统更为简单。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本申请精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本申请的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电磁超声导波换能器，其特征在于，所述电磁超声导波换能器包括

电连接件，用于将所述电磁超声导波换能器与市电进行电连接，使所述电磁超声导波换能器通电；

柱状永磁铁，所述柱状永磁铁的外径与螺旋线圈的外径相同；

螺旋线圈，所述螺旋线圈为双层线圈，所述螺旋线圈固定在所述柱状永磁铁的下方，并靠近所述柱状永磁铁，使所述柱状永磁铁所产生的磁场方向垂直于所述螺旋线圈，以在通电的状态下产生超声导波；

屏蔽导线，所述屏蔽导线的一端连接所述螺旋线圈，另一端连接所述电连接件。

2.根据权利要求1所述的一种电磁超声导波换能器，其特征在于，所述电磁超声导波换能器还包括保护层，所述保护层粘贴在所述螺旋线圈下方。

3.根据权利要求1或2所述的一种电磁超声导波换能器，其特征在于，所述电磁超声导波换能器还包括外壳，所述电连接件固定在所述外壳上，所述柱状永磁体、所述螺旋线圈和所述屏蔽导线固定在所述外壳内。

4.根据权利要求1所述的一种电磁超声导波换能器，其特征在于，所述柱状永磁铁采用钕铁硼磁铁。

5.根据权利要求1所述的一种电磁超声导波换能器，其特征在于，所述电连接件为插头。

6.根据权利要求1所述的一种电磁超声导波换能器，其特征在于，所述螺旋线圈为PCB印制。

7.基于电磁超声导波换能器的相控阵阵列，其特征在于，所述相控阵阵列包括：

阵元，所述阵元为权利要求1-6任一项所述的电磁超声导波换能器；

阵列载具，所述阵列载具内设置有阵元孔，所述阵元孔的直径大于阵元直径，所述阵元放置于所述阵元孔中。

8.根据权利要求7所述的基于电磁超声导波换能器的相控阵阵列，其特征在于，所述阵列载具包括下部载体和上部端盖；所述下部载体上端面内置所述阵元孔；所述上部端盖的下端面与所述下部载体的上端面活动连接，能够将所述阵元固定在所述下部载体中。

9.根据权利要求7所述的基于电磁超声导波换能器的相控阵阵列，其特征在于，所述阵列载具的形状为环形、L形或椭圆形。

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