CN118106207A - 一种产生超声纵波的电磁超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生超声纵波的电磁超声换能器，包括线圈和磁体；所述线圈位于磁体的底部或内部，所述线圈在磁体产生的磁场内；所述线圈为螺旋形线圈或跑道形线圈；所述磁体为蹄形磁体。本发明的电磁超声换能器结构简单，操作方便，可以有效检测待测试件在高温、非耦合、非接触、高速等情况下检测材料内部存在的分层缺陷，且实现对穿透能力较差的试件材料中的缺陷进行检测，可以对试件材料进行检测、定量评定与评价，准确评估试件材料存在的质量风险，提高试件材料使用的安全可靠性，同时提高检测效率，节约人工和时间，具有广阔的应用前景。

Description

一种产生超声纵波的电磁超声换能器

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，尤其是一种产生超声纵波的电磁超声换能器。

背景技术

工业产品特别是铁磁性金属材料在制造、安装、使用过程中可能产生各种缺陷，如裂纹、孔洞、腐蚀、偏磨等。超声检测作为无损检测中一种重要的检测方法，在工业生产中具有广泛应用。传统超声检测采用压电传感器，由压电晶片振动带动检测试件振动，从而产生超声波，无法实现对管材或板材中存在的分层缺陷和穿透能力较差的材料中缺陷的检测。

大型常压储罐是目前用于储存油品及化工原料的主要设施，一旦发生损坏可能引起石油泄漏以及火灾和爆炸等重大事故，并带来严重的环境污染，对人们的生命财产安全带来重大威胁，因此必须进行定期检测。如储罐底板是储罐较难检测的部位之一，长期以来一直采用开罐停工检修的方法，常采用压电超声检测，需要将储罐内的石油等进行清空再进行常规检测，可能还会伴有储罐清洗等工作，整个检测过程费时费力。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种产生超声纵波的电磁超声换能器，可以有效检测试件中存在的分层缺陷，准确评估试件存在的质量风险，提高管材板材使用的安全可靠性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种产生超声纵波的电磁超声换能器，包括线圈和磁体；

所述线圈位于磁体的底部或内部，所述线圈在磁体产生的磁场内；

所述线圈为螺旋形线圈或跑道形线圈；

所述磁体为蹄形磁体。

进一步的，所述线圈为单匝线圈、双匝线圈或多匝线圈。

进一步的，所述磁体产生的磁场方向由磁体的N极指向S极，所述线圈与磁场方向平行。

进一步的，所述磁体为永磁铁或电磁铁。

进一步的，所述线圈和磁体均设置在换能器壳体内部。

进一步的，所述线圈表面设置有耐磨层，所述耐磨层位于换能器与被检测材料接触部位。

进一步的，所述线圈上开设有连接口，所述连接口通过导线与测试仪器信号连接。

进一步的，所述线圈的线径间距与电磁超声换能器的频率成反比例关系。

一种超声检测方法，采用所述的产生超声纵波的电磁超声换能器。

进一步的，所述电磁超声换能器中的线圈与试件的待测表面平行，所述试件的待测表面位于磁体的N极和S极之间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种产生超声纵波的电磁超声换能器，通过采用螺旋形线圈或跑道形线圈，磁体采用蹄形磁体，线圈位于磁体产生的磁场内，使电磁超声换能器可以产生超声纵波。本发明的电磁超声换能器结构简单，操作方便，可以有效检测待测试件在高温、非耦合、非接触、高速等情况下材料内部存在的分层缺陷，且实现对穿透能力较差的试件材料中的缺陷进行检测，可以对试件材料进行检测、定量评定与评价，准确评估试件材料存在的质量风险，提高试件材料使用的安全可靠性，同时提高检测效率，节约人工和时间成本，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的产生超声纵波电磁超声换能器图。

图2为本发明的电磁超声检测原理图。

图3为本发明的螺旋形线圈和跑道形线圈图。

图4为本发明的平行磁化换能器结构图。

图5为本发明的平行磁化换能器受力分析图。

其中：1-线圈，2-磁体，3-试件，4-电流，5-涡流，6-磁场，7-质点振动，8-超声纵波。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图5，本发明提供一种产生超声纵波的电磁超声换能器，包括线圈1和磁体2，线圈1选用螺旋形线圈或跑道形线圈，如图3所示，图3(a)为螺旋形线圈，图3(b)为跑道形线圈；磁体2选用蹄形磁体，线圈1位于蹄形磁体的底部或内部，磁体2选用永磁铁或电磁铁，线圈1在磁体2产生的磁场6内。线圈1按照匝数可以选用单匝线圈、双匝线圈或多匝线圈，线圈1与磁体2的磁场6方向平行且磁场6方向由N极指向S极，线圈1的线径间距与电磁超声换能器的频率成反比例关系。在线圈1和磁体2设置在换能器壳体内部，由金属换能器壳体将其包裹，换能器壳体在线圈1位置处开设有开口，在线圈1表面上设置有耐磨层，耐磨层设置在换能器与被检测材料接触部位。线圈1上开设有连接口，线圈1的连接口通过导线与测试仪器信号连接。在对待测试件3进行超声检测时，试件3的待测表面位于磁体2的N极和S极之间，线圈1与试件3待测表面平行，采用非接触式检测。

电磁超声(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)是在静态偏置磁场的作用下，对线圈1通以交变电流，从而在试件3表面产生涡流5，偏置磁场与涡流5共同作同，试件3会受到洛伦兹力或者发生磁致伸缩效应，从而产生振动。EMAT是在试件中直接产生振动，并且检测对象只能是铁磁性材料构件。EMAT相对于压电超声具有以下特点：

(1)不需要耦合剂。EMAT技术直接采用电磁耦合，在使用过程中不需要耦合剂，是一种非接触测量方式。因此该方法对待测构件表面要求不高，可以满足高温工况等特殊应用场合的检测。

(2)可灵活产生各种波型。EMAT满足一定激发条件可以产生表面波、垂直偏振剪切波(Shear Vertical Wave，SV波)、水平偏振剪切波(Shear Horizontal Wave，SH波)、Lamb波和超声纵波等超声波型。改变磁化结构和线圈型式即可产生不同形式超声波，改变激励电信号频率使之满足一定条件可以实现波型模式自由选择。

(3)检测范围大。使用EMAT进行板波或者表面波检测时，不需要调整传感器的位置即可实现较大区域检测。

(4)灵敏度高。由于EMAT是一种非接触检测，信号较稳定，不会受到如压电超声中耦合剂带来的干扰。灵活选择检测频率可以对不同类型和不同大小的缺陷进行检测。

电磁超声EMAT技术可用来进行超声测距、测厚、测速以及缺陷检测。EMAT检测基本原理是利用电磁效应来产生超声波。电磁超声换能器由线圈1和磁体2组成，通过不同线圈1与磁体2组合可激发出不同种类的超声波。检测板材时，通常使用SH波和表面波；检测管材时，通常使用SV、SH波、表面波和超声纵波等，其激发机理主要为洛伦兹力。

在EMAT线圈1内通以高频交变电流4，使金属表面感生出交变磁场6，进而在试件3表面产生同频涡流5。交变涡流5在磁体2的磁场6作用下产生洛伦兹力，使试件3内质点产生周期性振动。这种振动在试件内传播开来，最终形成不同类型超声波。接收声波原理即为上述逆过程。当被检测材料具有导磁性时，材料晶格还会受到磁致伸缩力和磁化力作用。材料中磁畴的磁化强度矢量会受外磁场影响而发生改变，磁化过程中磁畴间界限发生移动，产生机械变形，即为磁致伸缩效应。磁致伸缩力、磁化力和洛仑兹力相互耦合，进而加强了声波激发效应。EMAT工作原理如图2所示。

与传统超声检测相同，产生超声纵波换能器的工作方式可以是脉冲反射式也可以是一发一收式。线圈1由一个射频脉冲来激励，应使磁场6平行于试件3表面。线圈1的激励需要一个专门大功率射频发生器来激励线圈1，对于螺旋形线圈或跑道形线圈，激励信号是若干周期脉冲串。

激励信号频率控制：水平磁化的换能器结构可以激励出超声纵波，产生超声纵波的螺旋形线圈或跑道形线圈的线径间距：

式中，λ为声波波长，d为螺旋形线圈或跑道形线圈的线径间距，f为激励频率，c为声波波速。

通有激励信号的若干周期脉冲串的螺旋形线圈或跑道形线圈置于蹄形磁体N极S极中间位置，磁力线平行于线圈1表面，放置于待检测材料上，如图4所示，通过螺旋形线圈或跑道形线圈在导电材料内感应出涡流5。由于集肤效应，涡流5分布于材料表面，涡流5在蹄形磁体的磁场6作用下产生洛仑兹力，引起被检测材料局部质点振动7，在特定螺旋形线圈和跑道形线圈作用下将会激励出超声纵波8，如图5所示。当被检测材料具有导磁性时，材料晶格还会受到磁致伸缩力和磁化力作用。材料中磁畴的磁化强度矢量会受外磁场影响而发生改变，磁化过程中磁畴间界限发生移动，产生机械变形，即为磁致伸缩效应。磁致伸缩力、磁化力和洛仑兹力相互耦合，进而加强了声波激发效应。如图1所示，为设计产生超声纵波的电磁超声换能器，可以产生超声纵波8，主要用于在高温、非耦合、非接触、高速等情况下检测材料内部分层缺陷，可以对材料进行检测、定量评定与评价，具有广阔的应用前景。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，包括线圈(1)和磁体(2)；

所述线圈(1)位于磁体(2)的底部或内部，所述线圈(1)在磁体(2)产生的磁场(6)内；

所述线圈(1)为螺旋形线圈或跑道形线圈；

所述磁体(2)为蹄形磁体。

2.根据权利要求1所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(1)为单匝线圈、双匝线圈或多匝线圈。

3.根据权利要求1所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述磁体(2)产生的磁场(6)方向由磁体(2)的N极指向S极，所述线圈(1)与磁场(6)方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述磁体(2)为永磁铁或电磁铁。

5.根据权利要求1所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(1)和磁体(2)均设置在换能器壳体内部。

6.根据权利要求5所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(1)表面设置有耐磨层，所述耐磨层位于换能器与被检测材料接触部位。

7.根据权利要求1所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(1)上开设有连接口，所述连接口通过导线与测试仪器信号连接。

8.根据权利要求1所述的一种产生超声纵波的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(1)的线径间距与电磁超声换能器的频率成反比例关系。

9.一种超声检测方法，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述的产生超声纵波的电磁超声换能器。

10.根据权利要求9所述的一种超声检测方法，其特征在于，所述电磁超声换能器中的线圈(1)与试件(3)的待测表面平行，所述试件(3)的待测表面位于磁体(2)的N极和S极之间。