CN116660368A - 改进式双簇回折线圈紧凑型sh0模态电磁超声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器,所述传感器包括周期型永磁铁阵列组合、传感器激励线圈和过孔，其中，传感器激励线圈采用双簇回折线圈设计，周期型永磁铁阵列组合置于双簇回折线圈长直导线位置处，且每组周期型永磁铁与每簇回折激励线圈相对应。周期永磁铁式电磁声传感器的磁铁阵列设计，适配目标激励频率下SH0模态超声波波长，同时将常规跑道式激励线圈发展为双层双簇回折线圈，缩减传感器激励线圈两端尺寸，优化紧凑SH0模态电磁超声传感器几何结构，减少起弧、落弧处焊缝检测盲区。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测领域，特别是改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器。
背景技术
钢结构装配式建筑形式，把工厂加工制作的钢构件和配件，运输到建筑施工现场，通过焊接方式在现场装配安装。根据现行国家标准《钢结构设计规范》和《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》，一级焊缝应进行100%的超声波检测。受焊接工艺参数、焊材和温度等影响，焊缝的起弧、落弧处，常因不能熔透而出现凹形的焊口（即弧坑)等缺陷，这些缺陷对承载力影响很大，受力后容易产生应力集中而出现裂纹。因此，起弧、落弧处的焊缝检测需要重点关注。
超声波检测是利用超声波在金属构件内部传播进而对缺陷进行检查的一种无损检测方法。超声波检测技术因超声波产生的原理不同分为压电超声波检测和电磁超声波检测。压电超声传感器中的压电材料在压电效应作用下产生机械振动，振动能量通过耦合剂传递给钢结构，并以超声波的形式在钢结构内部传播，因此压电超声波检测技术对试件表面要求较高，钢结构表面需打磨且涂覆耦合剂。采用压电超声检测技术进行钢结构焊缝缺陷检测时，构件表面打磨工序消耗大量的人工与时间成本。
电磁超声波检测技术基于电磁感应原理，通电线圈提供动磁场，磁铁提供静磁场。动、静磁场在试件内部作用产生应力波源，激发超声波，因此电磁超声波检测技术具有非接触、无需耦合的检测优点。电磁超声传感器可以通过磁铁和线圈的结构设计，实现目标模态超声波的激励与接收。其中SH0模态水平剪切波以其非频散、波速恒定、边界处无模态转换、与缺陷作用后不易发生模式转换的特征，具有检测信号易于分析识别的优点，适用于钢结构焊缝检测。
为了避免起弧、落弧处焊缝的超声检测盲区，减小端面反射回波的影响，减少接收直达波信号的分析难度，发展声场集中的SH0模态水平剪切模态电磁超声传感器，对于提高起弧、落弧处焊缝缺陷识别能力十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，要解决钢结构焊缝缺陷检测的技术问题，从传感器的结构优化设计出发，调整磁铁配置（宽度和数量）和激励线圈回折部位尺寸，激励声场集中的SH0模态水平剪切波，减少端面反射回波的影响，减小起弧、落弧处焊缝缺陷检测盲区。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明提供改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，所述传感器包括周期型永磁铁阵列组合、传感器激励线圈和过孔3，
其中，传感器激励线圈采用双簇回折线圈2设计，周期型永磁铁阵列组合置于双簇回折线圈2长直导线位置处，且每组周期型永磁铁与每簇回折激励线圈相对应。
进一步，周期型永磁铁的充磁方向为磁铁的厚度方向，且在放置时相邻单块永磁铁间的磁极方向相反。
进一步，周期型永磁铁阵列组合中单块永磁铁的宽度等于所设计的激励SH0模态导波波长的一半。
进一步，单个永磁铁高度为5mm，长度为18mm，宽度为10mm。
进一步，单簇由8根长直导线组成，导线间距1mm，单根长直导线长度32mm，有效工作长度30mm。
进一步，单簇回折线圈有效工作长度60mm。
进一步，周期型磁铁阵列组合位于双簇回折线圈2长直导线部位正上方。
本发明的有益效果体现在：
1，本发明提供的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，周期永磁铁式电磁声传感器的磁铁阵列设计，适配目标激励频率下SH0模态超声波波长，同时将常规跑道式激励线圈发展为双层双簇回折线圈，缩减传感器激励线圈两端尺寸，优化紧凑SH0模态电磁超声传感器几何结构，减少起弧、落弧处焊缝检测盲区。
2，本发明提供的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，属于超声无损检测领域，可在钢柱或钢梁的金属板内激励水平剪切模态超声波，该传感器具有较好的声场指向性，减少超声波干涉影响，提高钢柱和钢梁焊缝缺陷检测能力。
3，本发明提供的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，激励线圈采用双层双簇回折线圈设计，一方面减小传感器端部尺寸，另一方面提高感应涡流强度。
4，本发明提供的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，设计的传感器结构紧凑，激励线圈有效工作长度集中于永磁铁阵列正下方，有效集中了传感器激发的声场分布，抑制端面回波，提高了传感器的检测能力。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器结构示意图；
图2是单块永磁铁示意图；
图3a、3b是双簇回折线圈示意图；
图4是改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器有限元仿真模型；
图5是常规型周期永磁铁式电磁声传感器仿真模型；
图6是两种传感器声场分布对比示意图；
图7是改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器焊缝检测示意图。
附图标记：1-周期型永磁铁阵列组合，2-双簇回折线圈，3-过孔。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为对本发明技术方案的限制。
具体的，改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，周期型永磁铁阵列组合1、传感器激励线圈和过孔3，其中，传感器激励线圈采用双簇回折线圈2设计，周期型永磁铁阵列组合1置于双簇回折线圈2长直导线位置处，且每组周期型永磁铁与每簇回折激励线圈相对应。
周期型永磁铁的充磁方向为磁铁的厚度方向，且在放置时相邻单块永磁铁间的磁极方向相反。周期型永磁铁阵列组合1中单块永磁铁的宽度等于所设计的激励SH0模态导波波长的一半。
图1为改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁声传感器结构示意图，图2为单块磁铁，图3a和3b为双簇回折线圈2示意图。
图4为建立改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁声传感器三维有限元仿真模型。单块磁铁宽度尺寸等于目标频率下激励SH0模态导波波长的一半。选择激励频率为f=80kHz，幅值为1A的汉宁窗调制的正弦信号，且双簇回折线圈2上的电流相反。
单个永磁铁高度h为5mm，长度l为18mm，宽度w为10mm。周期型永磁铁阵列组合1共设置两排周期型永磁铁，每排由三块永磁铁组成周期型永磁铁阵列组合1，相邻永磁铁之间磁极相反。
双簇回折线圈2采用双层结构，单簇由8根长直导线组成，导线间距1mm，单根长直导线长度32mm。单簇回折线圈有效工作长度30mm。双簇长直导线长度62mm。有效工作长度60mm。
周期型磁铁阵列位于双簇回折线圈2长直导线部位正上方。
通过有限元仿真研究，得到改进式双簇回折线圈2紧凑SH0模态电磁声传感器声场分布。
建立常规型周期永磁铁式电磁声传感器仿真模型为图5。对比分析改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁超声传感器与传统常规SH0模态电磁超声传感器声场分布特征。
采集距离传感器中心100mm半圆周的直达波幅值最大值，两种传感器声场分布对比结果图，见图6。由声场分布可知，改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁超声传感器的声场辐射角度为±20°，常规型周期永磁铁式电磁声传感器的声场辐射角度为±30°，改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁超声传感器声场更为集中。
本发明设计的改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁声传感器，该传感器采用周期型永磁铁阵列和双簇回折线圈2组合，通过双簇回折线结构设计，缩短激励线圈非工作区域尺寸，减小起弧、落弧处焊缝缺陷检测盲区，改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁超声传感器焊缝检测示意图，见图7。通过改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁声传感器与常规型周期永磁铁式电磁声传感器声场分布对比发现，设计的改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁声传感器声场更为集中。SH0模态电磁超声传感器声场指向集中，减少构件端面回波干扰引起缺陷误判。
本发明提供的改进式双簇回折线圈2紧凑型SH0模态电磁超声传感器，双簇回折线圈2和周期型永磁铁阵列组合1，能够增强传感器产生的超声波能量，提高接收信号信噪比，提升超声波传播路径上缺陷识别能力。
使用时，可在钢柱或钢梁的金属板内激励水平剪切模态超声波，该传感器具有较好的声场指向性，减少超声波干涉影响，提高钢柱和钢梁焊缝缺陷检测能力。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于：所述传感器包括周期型永磁铁阵列组合（1）、传感器激励线圈和过孔（3），
其中，传感器激励线圈采用双簇回折线圈（2）设计，周期型永磁铁阵列组合（1）置于双簇回折线圈（2）长直导线位置处，且每组周期型永磁铁与每簇回折激励线圈相对应。
2.如权利要求1所述的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于，周期型永磁铁的充磁方向为磁铁的厚度方向，且在放置时相邻单块永磁铁间的磁极方向相反。
3.如权利要求1所述的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于，周期型永磁铁阵列组合（1）中单块永磁铁的宽度等于所设计的激励SH0模态导波波长的一半。
4.如权利要求1所述的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于，单个永磁铁高度为5mm，长度为18mm，宽度为10mm。
5.如权利要求1所述的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于，单簇由8根长直导线组成，导线间距1mm，单根长直导线长度32mm，有效工作长度30mm。
6.如权利要求1所述的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于，单簇回折线圈有效工作长度60mm。
7.如权利要求1所述的改进式双簇回折线圈紧凑型SH0模态电磁超声传感器，其特征在于，周期型永磁铁阵列组合（1）位于双簇回折线圈（2）长直导线部位正上方。
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