CN115365099A - 一种电磁超声换能器及测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电磁超声换能器，包括励磁器、线圈组件以及被测试件，其中，线圈组件包括与励磁器同轴设置的第一线圈和第二线圈，第二线圈为空心的环状结构，第一线圈的内径较第二线圈的内径小。当第一线圈中通以高频电流时，被测试件在集肤深度内感应出同频涡流，涡流在静磁场的作用下，使得铁磁性被测试件表面质点受到洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力的作用，在铁磁性材料中，磁化力和洛伦兹力切向分量相互加强，利于产生横波；本发明利用中空的第二线圈，减小换能器中心区域产生反相的磁化力，从而使得正向合力得到提高，以增强纵波信号。本发明还提供一种包含上述电磁超声换能器的测试系统，在被测试件表面同时产生横波和纵波。

Description

一种电磁超声换能器及测试系统
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种电磁超声换能器及测试系统。
背景技术
应用超声技术对螺栓轴力进行测量方法主要分为单波法和横纵波法。目前可采用压电超声技术和电磁超声技术实现横纵法。但是两种超声换能方法均不能同时产生足够强的横纵波信号。具体表现为：压电超声能产生高强度纵波，但横波信号弱；电磁超声能产生高强度横波，但在铁磁性材料中，纵波信号弱，而一般螺栓都是钢制的，属于铁磁性材料。
现有技术1(徐春广，李焕新，王俊峰，潘勤学，肖定国.残余应力的超声横纵波检测方法[J].声学学报，2017)中提供了一种可以同时激发横波和纵波的压电超声换能器。该换能器由一片产生纵波信号的压电陶瓷和一片产生横波信号的压电陶瓷构成，需要使用耦合剂把陶瓷片的振动传递到被测工件。但是，现有技术1中的压电超声换能器在使用时需要使用耦合剂，高精度测量声时的稳定性较差，降低螺栓轴力测量精度。
现有技术2(丁旭，武新军.在役螺栓轴力电磁超声测量系统的研制[J].无损检测，2016)中提供了一种利用模式转换产生纵波信号的电磁超声换能器。该换能器采用圆柱形永磁体和螺旋线圈构成，首先需要在工件表面产生横波，经过反射后利用模式转换把一部分横波能量转换为纵波。但是，现有技术2中提供的电磁超声换能器无法直接在铁磁性工件表面产生纵波。
因此，如何改变现有技术中，利用超声技术对铁磁性材料的螺栓轴力进行测试时，无法同时产生横纵波影响测试精度的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁超声换能器及测试系统，以解决上述现有技术存在的问题，使电磁超声换能器能够在被测试件中同时产生横波和纵波，提高测试精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种电磁超声换能器，包括：
励磁器，所述励磁器能够产生偏置磁场；
线圈组件，所述线圈组件包括与所述励磁器同轴设置的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈能够与激励装置相连所述第二线圈为空心的环状结构，所述第一线圈的内径较所述第二线圈的内径小；
被测试件，所述被测试件设置于所述线圈组件远离所述励磁器的一侧，所述被测试件为导体。
优选地，所述第一线圈和所述第二线圈均为密绕螺旋线圈。
优选地，所述第一线圈和所述第二线圈叠放设置。
优选地，所述第一线圈设置于所述第二线圈的中空部。
优选地，所述第一线圈的内径小于2mm，所述第二线圈的内径不小于2mm。
优选地，所述的电磁超声换能器还包括导磁片，所述导磁片设置于所述励磁器与所述线圈组件之间，所述导磁片由导磁材料制成。
优选地，所述的电磁超声换能器还包括耐磨片，所述耐磨片设置于所述线圈组件与所述被测试件之间。
优选地，所述励磁器为永磁体。
本发明还提供一种测试系统，包括上述的电磁超声换能器。
优选地，所述的测试系统还包括横波接收器和纵波接收器，所述横波接收器与所述第一线圈相连，所述第一线圈利用双工器与所述激励装置以及所述横波接收器相连，所述纵波接收器与所述第二线圈相连。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的电磁超声换能器中，线圈组件包括第一线圈和第二线圈，第二线圈的内径较第一线圈的内径大，第一线圈为“实心线圈”，第二线圈在绕制时预留中空部，为“空心线圈”。当第一线圈中通以高频电流时，被测试件在集肤深度内感应出同频涡流，涡流在静磁场的作用下，使得铁磁性被测试件表面质点受到洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力的作用，其中，洛伦兹力和磁化力起主要作用，在铁磁性材料中，磁化力和洛伦兹力切向分量相互加强，利于产生横波；现有技术中的电磁超声换能器，由洛伦兹力和磁化力所产生的纵波在空间上不重合，但相位相反，因此在探头接收阶段信号相互抵消，而本发明利用中空的第二线圈，减小换能器中心区域产生反相的磁化力，从而使得正向合力得到提高，以增强纵波信号，从而使得电磁超声换能器能够在被测试件表面同时产生横波和纵波。
本发明还提供一种包含上述电磁超声换能器的测试系统，利用上述电磁超声换能器在被测试件表面同时产生横波和纵波，以提高测试精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的电磁超声换能器的结构示意图；
图2为本发明的测试系统的部分结构示意图。
其中，1为励磁器，2为第一线圈，3为第二线圈，4为被测试件，5为导磁片，6为耐磨片，7为激励装置，8为横波接收器，9为纵波接收器，10为双工器。
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做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。
本发明的目的是提供一种电磁超声换能器及测试系统，以解决上述现有技术存在的问题，使电磁超声换能器能够在被测试件中同时产生横波和纵波，提高测试精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-图2，其中，图1为本发明的电磁超声换能器的结构示意图，图2为本发明的测试系统的部分结构示意图。
本发明提供一种电磁超声换能器，包括励磁器1、线圈组件以及被测试件4，其中，励磁器1能够产生偏置磁场；线圈组件包括与励磁器1同轴设置的第一线圈2和第二线圈3，第一线圈2能够与激励装置7相连，第二线圈3为空心的环状结构，第一线圈2的内径较第二线圈3的内径小；被测试件4设置于线圈组件远离励磁器1的一侧，被测试件4为导体。
本发明的电磁超声换能器中，线圈组件包括第一线圈2和第二线圈3，第二线圈3的内径较第一线圈2的内径大，第一线圈2为“实心线圈”，第二线圈3在绕制时预留中空部，为“空心线圈”。当第一线圈2中通以高频电流时，被测试件4在集肤深度内感应出同频涡流，涡流在静磁场的作用下，使得铁磁性被测试件4表面质点受到洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力的作用，其中，洛伦兹力和磁化力起主要作用，在铁磁性材料中，磁化力和洛伦兹力切向分量相互加强，利于产生横波；现有技术中的电磁超声换能器，由洛伦兹力和磁化力所产生的纵波在空间上不重合，但相位相反，因此在探头接收阶段信号相互抵消，而本发明利用中空的第二线圈3，减小换能器中心区域产生反相的磁化力，从而使得正向合力得到提高，以增强纵波信号，从而使得电磁超声换能器能够在被测试件4表面同时产生横波和纵波。此处需要解释说明的是，本发明中第一线圈2为实心线圈，是相对于第二线圈3而言，当第一线圈2以及第二线圈3均由导线绕制而成时，第二线圈3在绕制时预留中空部分，而第一线圈2在绕制时紧密绕制，并不预留中空结构，但是受实际绕制限制，紧密绕制的第一线圈2中心部仍然会有很小的空隙，第一线圈2这很小的空隙完全不同于第二线圈3单独预留的中空部，因此，本发明中，第一线圈2为“实心线圈”的描述以及第一线圈2“内径”的描述并不矛盾。
在实际应用中，第一线圈2和第二线圈3均为密绕螺旋线圈，可根据实际需要选择单层线圈或多层线圈的结构，提高电磁超声换能器的灵活适应性。
具体地，线圈组件中，第一线圈2和第二线圈3可选择叠放设置形式，亦或第一线圈2设置于第二线圈3的中空部，以节约占用空间，提高电磁超声换能器的使用场景。此处需要说明的是，第一线圈2和第二线圈3均由导线绕制而成，此处的导线为外包绝缘层的导线，例如漆包线，避免第一线圈2和第二线圈3相互影响，保证电磁超声换能器的正常使用，导线选用漆包线或其他类型，属于本领域技术人员的惯用手段，此处不再赘述。
另外，第一线圈2的内径小于2mm，第二线圈3的内径不小于2mm，以保证空心的第二线圈3能够发挥作用。
更具体地，电磁超声换能器还包括导磁片5，导磁片5设置于励磁器1与线圈组件之间，有利于提高磁导率，导磁片5由导磁材料制成，实际应用中，可利用导磁材料粉末经或烧结或压制或胶结而成。
另外，电磁超声换能器还包括耐磨片6，耐磨片6设置于线圈组件与被测试件4之间，耐磨片6由低导磁、低导电材质制成，耐磨片6可选择陶瓷片或塑料片，设置耐磨片6能够保护线圈组件，延长换能器使用寿命。
励磁器1可选择永磁体或电磁铁，实际应用中，可根据具体工况选择合适类型的励磁器1。
进一步地，本发明还提供一种测试系统，包括上述的电磁超声换能器。测试系统还包括横波接收器8和纵波接收器9，横波接收器8与第一线圈2相连，第一线圈2利用双工器10与激励装置7以及横波接收器8相连，纵波接收器9与第二线圈3相连。
本发明的测试系统，进行测试时，第一线圈2与横波接收器8相连，第二线圈3与纵波接收器9相连，本发明采用了单独的第一线圈2以接收横波，从而不会在加强纵波接收信号的同时对横波信号产生影响，在被测试件4表面同时产生横波和纵波的同时，进一步提高测试精度。
下面通过具体的实施例，对本发明的电磁超声换能器及测试系统，进行进一步地解释说明。
实施例一
本实施例提供一种电磁超声换能器，能够在铁磁性的被测试件4表面同时产生横纵波。
如图1所示，本实施例提供的电磁超声换能器包括作为励磁器1的永磁体，其可以产生偏置磁场，永磁体优选为圆柱形永磁体，永磁体直径为5mm-100mm,高度为5mm-100mm，厚度方向充磁；还包括线圈组件，其分别包括作为实心线圈的第一线圈2和作为空心线圈的第二线圈3，第一线圈2与第二线圈3层叠设置，且均与永磁体同轴设置；特别地，如图1所示，第一线圈2层叠设置在第二线圈3的上方；其中，第一线圈2适于连接至激励装置7和横波接收器8，以激励横纵波和接收横波；第二线圈3适于连接至纵波接收器9，以接收纵波。
另外，为了便于传递磁场，在线圈组件与永磁体之间，还可设置导磁片5，其设于第二线圈3与永磁体之间。可选择地，还包括耐磨片6，使用低导电和低导磁的陶瓷片或塑料片，起保护线圈的作用；在空间上，永磁体、导磁片5、第二线圈3同轴设置，相互紧密接触，在使用时，耐磨片6贴紧被测试件4，被测试件4可以是钢制螺栓，属于铁磁性材料，被测试件4置于第二线圈3的底部，在第一线圈2中通以高频电流时，被测试件4在集肤深度内感应出同频涡流。涡流在静磁场的作用下，使得铁磁性的被测试件4表面质点受电磁合力，从而激发超声波。当超声回波返回被测试件4表面时，金属表面由于机械振动而切割磁感线，产生感应电动势和涡流。涡流的交变磁场被线圈拾获，完成超声波的接收。
本实施例提供的电磁超声换能器通过横纵波收发分离的方式，单独采用空心的第二线圈3以提高纵波接收强度。
在电磁超声换能器工作过程中，由洛伦兹力和磁化力所产生的纵波在空间上不重合，但相位相反，因此在探头接收阶段信号相互抵消，由于磁化力主要分布在换能器中央，洛伦兹力法向力主要分布在换能器边沿，且洛伦兹力法向力比磁化力大，本实施例采用空心的第二线圈3能够极大减小中心区域产生反相的磁化力，使得正向合力得到提高，从而增强纵波信号。同时采用了单独的第一线圈2以接收横波，从而在加强纵波接收信号的同时不会对横波信号产生影响，以形成能够在铁磁性的被测试件4表面同时产生横纵波的电磁超声换能器。
实际应用中，第二线圈3可为单层或多层密绕螺旋线圈，导线的线径优选为0.05mm-2mm，第二线圈3外径优选为10mm-100mm，内径优选为2mm-90mm；该第二线圈3是指内径大于等于2mm的线圈，第一线圈2是指内径小于2mm，一般内径为0.5-1mm的线圈；对于一个直径为20mm的永磁铁而言，产生磁化力的区域在中央直径约3mm-5mm处，若采用实心线圈接收纵波信号，则法向电磁合力会大大衰减，不利于纵波信号的提升；而采用本实施例的分离的空心线圈方案，则能明显增强纵波信号；并且在本实施例中还采用了单独的第一线圈2以接收横波，从而不会在加强纵波接收信号的同时对横波信号产生影响。
另外，励磁器1还可以选择为电磁铁，同样可以实现希望的静磁场特征。
还需要说明的是，电磁超声换能器也可以不使用导磁片5构成换能器探头，直接采用空气层，或者永磁体和线圈直接接触。此时永磁体底端一般会粘贴一定层数的铜箔。
除此之外，第二线圈3可以采用PCB(印制电路板)工艺加工平面线圈，可以是柔性PCB也可以是常规PCB。
实施例二
本实施例提供的电磁超声换能器，如图2所示，第一线圈2和第二线圈3内外嵌套设置，构成的线圈组件；本实施例提供的电磁超声换能器其余结构均与实施例一中提供的电磁超声换能器结构相同。
实施例三
本实施例提供一种测试系统，其包括实施例一或实施二中的电磁超声换能器，还包括与第一线圈2连接的激励装置7和横波接收器8，以及与第二线圈3连接的纵波接收器9。第一线圈2通过双工器10分别与激励装置7和横波接收器8连接，以激励横纵波和接收横波；第二线圈3适于连接至纵波接收器9，以接收纵波。通过横纵波收发分离的方式，单独采用空心的第二线圈3以提高纵波接收强度。本实施例提供的的测试系统，能同时在铁磁性材料中产生足够强的横纵波信号，采用电磁超声技术，无须使用耦合剂，直接在被测试件4表面产生横纵波，能够稳定、高精度测量声时，提高测试精度，可应用于螺栓轴力测试中。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电磁超声换能器，其特征在于，包括：
励磁器，所述励磁器能够产生偏置磁场；
线圈组件，所述线圈组件包括与所述励磁器同轴设置的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈能够与激励装置相连所述第二线圈为空心的环状结构，所述第一线圈的内径较所述第二线圈的内径小；
被测试件，所述被测试件设置于所述线圈组件远离所述励磁器的一侧，所述被测试件为导体。
2.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述第一线圈和所述第二线圈均为密绕螺旋线圈。
3.根据权利要求2所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述第一线圈和所述第二线圈叠放设置。
4.根据权利要求2所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述第一线圈设置于所述第二线圈的中空部。
5.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述第一线圈的内径小于2mm，所述第二线圈的内径不小于2mm。
6.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于：还包括导磁片，所述导磁片设置于所述励磁器与所述线圈组件之间，所述导磁片由导磁材料制成。
7.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于：还包括耐磨片，所述耐磨片设置于所述线圈组件与所述被测试件之间。
8.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于：所述励磁器为永磁体。
9.一种测试系统，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的电磁超声换能器。
10.根据权利要求9所述的测试系统，其特征在于：还包括横波接收器和纵波接收器，所述横波接收器与所述第一线圈相连，所述第一线圈利用双工器与所述激励装置以及所述横波接收器相连，所述纵波接收器与所述第二线圈相连。
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CN117110437B (zh) * 2023-10-23 2024-01-30 沈阳仪表科学研究院有限公司 电磁超声涡流复合传感器及检测方法

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