CN205949256U - 一种多磁铁结构的电磁超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多磁铁结构的电磁超声换能器，包括矩形金属外壳和线圈，所述矩形金属外壳的中部设有导磁性金属填充物，且金属外壳内以所述导磁性金属填充物为中心至少设有两个磁极相对且等夹角设置的永磁铁，金属外壳于所述导磁性金属填充物的正下方设有装置非金属填充物的形槽孔，所述形槽孔内设有非金属填充物；所述金属外壳外部下底面并于非金属填充物的正下方设有线圈。本实用新型使用多个N极(或S极)相对的条形磁铁或N、S极沿径向方向分布的管状磁铁，增强了垂直于线圈所在平面的磁场的强度，提高了电磁超声体波换能器的换能效率。该换能器结构简单、操作便捷，检测时只需沿试件表面移动换能器即可。
Description
技术领域
本实用新型属于无损检测技术领域，具体涉及一种多磁铁结构的电磁超声换能器，用于金属板材及管件等的无损检测。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展，金属板材、管件等的需求量也逐步上升。由于加工工艺限制，各种金属零件在生产过程中不可避免地存在缩孔、缩松、夹杂物、裂纹、折叠等缺陷。作为控制产品质量的必要环节，金属零件在生产、加工过程中必须通过无损检测技术及时剔除超标的残次品。采用缺陷检测结果作为改进金属零件制造工艺的重要依据，实时监测和控制缺陷，指导生产人员改进制造加工工艺，对存在可锻合的缺陷可通过提高锻压变形程度加以消除，提高金属零件的制造经济水平。且为了保证产品的安全运行和有效使用，目前，无损检测在许多领域已经成为一种强制性措施。
在众多无损检测技术中，电磁超声换能器利用电磁感应的原理，能直接在金属材料表面激发超声波，并沿着特定方向传播，具有非接触、无需耦合的特点，能用于高温、粗糙表面和移动金属材料的内部缺陷检测。电磁超声换能器的换能机理为磁化力、洛伦兹力和磁致伸缩三种机理，到底哪几种机理占激励超声的主导作用，主要取决于金属材料表面的电学参数(磁导率和电导率)。对于铝和铜等非铁磁性金属材料，通常是洛伦兹力起主导作用，但是对钢铁等铁磁性材料，通常是洛伦兹力和磁致伸缩力共同作用。
其中，电磁超声换能器作为电磁超声检测系统的核心部件，其性能直接影响了检测效果。因此，对换能器进行优化设计，并进一步提升用于金属板材、管件等检测的电磁超声换能器的性能，因此基于超声横波的换能器，需要提供强度较大、方向与线圈垂直的静磁场来提高检测质量，推动电磁超声检测技术的发展与应用具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种多磁铁结构的电磁超声换能器，使用多个N极(或S极)相对的条形磁铁或N、S极沿径向方向分布的管状磁铁，增强了垂直于线圈所在平面的磁场的强度，提高了电磁超声体波换能器的换能效率，从而解决了上述现有技术不足的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型提供了一种多磁铁结构的电磁超声换能器，包括矩形金属外壳和线圈，所述矩形金属外壳的中部设有导磁性金属填充物，且金属外壳内以所述导磁性金属填充物为中心至少设有两个磁极相对且等夹角设置的永磁铁，金属外壳于所述导磁性金属填充物的正下方设有装置非金属填充物的形槽孔，所述形槽孔内设有非金属填充物；所述金属外壳外部下底面并于非金属填充物的正下方设有线圈。
优选地，所述金属外壳内还可以导磁性金属填充物为中心设有磁极沿径向分布的管状的永磁铁。
优选地，所述线圈为蝶形线圈或跑道形线圈。
优选地，所述蝶形线圈为两个跑道形线圈于同一水平面内的叠加。
优选地，所述形槽孔为与所述蝶形线圈或跑道形线圈形状大小相配的矩形槽孔。
优选地，所述线圈为螺旋形线圈。
优选地，所述形槽孔为与所述螺旋形线圈形状大小相配的圆形槽孔。
优选地，所述金属填充物为导磁性材料，用于提供磁路，约束静磁场的分布，且其内部由永磁铁产生的磁场沿所述金属填充物高度方向分布，垂直于线圈所在的平面。
优选地，所述非金属填充物为不导磁固体材料，通过调节所述非金属填充物的厚度来改变线圈的提离距离。
相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型使用多个N极(或S极)相对的条形磁铁或N、S极沿径向方向分布的管状磁铁，增强了垂直于线圈所在平面的磁场的强度，提高了电磁超声体波换能器的换能效率。该换能器结构简单、操作便捷，检测时只需沿试件表面移动换能器即可。此外，该换能器可以根据需要选择线圈结构，提高检测质量，并且换能效率高，适用于金属板材、管件等的检测，具有重要的工程价值。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的结构示意图；
图2为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的双磁铁结构示意图；
图3为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的三磁铁结构示意图；
图4为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的四磁铁结构示意图；
图5为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的管状磁铁结构示意图；
图6为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的螺旋形线圈结构示意图；
图7为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的蝶形线圈结构示意图；
图8为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的跑道形线圈结构示意图；
图9为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的金属外壳底部的矩形槽孔结构示意图；
图10为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的金属外壳底部的矩形槽孔结构示意图；
图11为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的换能器内部条形磁铁分布示意图；
图12为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的换能器内部环形磁铁分布示意图；
图13为现有技术中存在的换能器单磁铁换能器静磁场分布图；
图14为本实用新型所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器的换能器双磁铁换能器静磁场分布图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
实施例1
参阅图1-10，一种多磁铁结构的电磁超声换能器，包括矩形金属外壳5和线圈4，所述矩形金属外壳5的中部设有用于提供磁路的导磁性金属填充物2，且金属外壳5内以所述导磁性金属填充物2为中心至少设有两个磁极相对且等夹角设置的永磁铁1，可以为三个磁极相对的等夹角设置的三磁铁结构，也可以为四个磁极相对的等夹角设置的四磁铁结构，金属外壳5于所述导磁性金属填充物2的正下方设有装置非金属填充物3的形槽孔，所述形槽孔内设有非金属填充物3；所述金属外壳5外部下底面并于非金属填充物3的正下方设有线圈4，通过将线圈4放置在金属填充物2下方，并用非金属填充物3隔开，保证所需的提离距离，且在使用时，将换能器下表面与试件表面平行，检测时，沿试件表面移动换能器即可。
值得注意的是，所述线圈4为矩形的蝶形线圈42或跑道形线圈43，所述蝶形线圈42为两个跑道形线圈43于同一水平面内的叠加，蝶形线圈中间的有效直导线内部电流方向相同，而单个跑道线圈直导线内部电流流向相反，需要加极性相反的磁场。因此，在本装置中，若使用单个跑道线圈，有效部分为跑道线圈的某一侧；或者使用两个跑道线圈串联，形成蝶形线圈。若蝶形线圈42或跑道形线圈43的有效矩形区域长、宽差异较大，可采用两个或四个N极(或S极)相对的条形磁铁提供静磁场；若有效区域近似为正方形，可采用多个N极(或S极)相对的条形磁铁或N、S极沿径向分布的管状磁铁提供静磁场。所述形槽孔为与所述蝶形线圈42或跑道形线圈43形状大小相配的矩形槽孔51。
在本实施例中，所述金属填充物2为导磁性材料，用于提供磁路，约束静磁场的分布，且其内部由永磁铁1产生的磁场沿所述金属填充物高度方向分布，垂直于线圈所在的平面。
在本实施例中，所述非金属填充物3为不导磁固体材料，通过调节所述非金属填充物3的厚度来改变线圈4的提离距离。
实施例2
同实施例1所不同的是，所述金属外壳5内还可以导磁性金属填充物2为中心设有磁极沿径向分布的管状的永磁铁1，管状磁铁可以等效为无穷多个条形磁铁，条形磁铁的个数越多，垂直磁场强度越大，结构也越复杂。所述线圈4为螺旋形线圈41。所述形槽孔为与所述螺旋形线圈41形状大小相配的圆形槽孔52。若有效区域近似为正方形或圆形，可采用N、S极沿径向分布的管状磁铁提供静磁场。
仿真试验：
磁铁参数通过静磁场仿真确定，步骤如下：
(1)根据线圈有效部分的尺寸，确定垂直于线圈所在平面的静磁场的分布范围，该范围与线圈有效部分的尺寸近似。静磁场范围为可表示为d1×d2。
(2)根据换能器体积要求，确定磁铁和金属填充物的尺寸。对于包含多个磁铁的换能器，磁铁体积越大，静磁场越强。换能器内部空间可表示为11×12×h。
磁铁产生的磁场被约束在金属导磁物质中，因此，能够确定导磁性金属填充物的尺寸为d1×d2×h。
磁铁尺寸的计算方式如图11所示，为了使静磁场分布均匀，将有效区域放置在换能器内部空间截面的中心，则A、B两磁铁尺寸相同，C、D两磁铁尺寸相同。因此，A、B两磁铁的尺寸为d1×[(11-d2)/2]×h，C、D两磁铁的尺寸为d2×[(12-d1)/2]×h。
此外，当静磁场区域为正方形或近似正方形时，可以使用N、S极沿径向分布的管状磁铁提供静磁场，磁体尺寸计算方式如图12所示。则管状磁铁的内径为，外径为min{11，12}，高度为h。
(3)根据上述要求，建立静磁场的三维模型，使用有Comsol Multiphysics等软件进行仿真，验证换能器设计方案的可行性。
设计实例：
以换能器内部空间为50mm×50mm×30mm，线圈有效区域尺寸为10mm×50mm为例，分别使用单个条形磁铁和两个条形磁铁提供静磁场，导磁性金属填充物为铁。双磁铁换能器中，磁铁的尺寸为20mm×50mm×30mm，铁芯尺寸为10mm×50mm×30mm；单磁铁换能器中磁铁尺寸为10mm×50mm×30mm。上述磁铁材料相同，沿垂直线圈平面方向施加的1.425T剩磁。
使用Comsol Multiphysics软件进行静磁场仿真，结果如图13-14所示，其中纵轴表示静磁场的磁感应强度B，横轴表示到线圈有效区域中心的距离x。单磁铁换能器产生的静磁场在蝶形线圈有效区域内，磁感应强度最大约为1T。在线圈有效区域内，距离线圈有效区域中心越远，磁感应强度越小，即磁场分布不均匀。而使用双磁铁结构的换能器，不仅将垂直磁场最大磁感应强度提升到2T，而且有效区域内各处磁感应强度大小相等，静磁场分布均匀。因此，使用上述方法设计的双磁铁结电磁超声体波换能器能够有效提高换能效率。
基于上述，本实用新型使用多个N极(或S极)相对的条形磁铁或N、S极沿径向方向分布的管状磁铁，增强了垂直于线圈所在平面的磁场的强度，提高了电磁超声体波换能器的换能效率。该换能器结构简单、操作便捷，检测时只需沿试件表面移动换能器即可。此外，该换能器可以根据需要选择线圈结构，提高检测质量，并且换能效率高，适用于金属板材、管件等的检测，具有重要的工程价值。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，包括矩形金属外壳(5)和线圈(4)，所述矩形金属外壳(5)的中部设有导磁性金属填充物(2)，且金属外壳(5)内以所述导磁性金属填充物(2)为中心至少设有两个磁极相对且等夹角设置的永磁铁(1)，金属外壳(5)于所述导磁性金属填充物(2)的正下方设有装置非金属填充物(3)的形槽孔，所述形槽孔内设有非金属填充物(3)；所述金属外壳(5)外部下底面并于非金属填充物(3)的正下方设有线圈(4)。
2.根据权利要求1所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述金属外壳(5)内还可以导磁性金属填充物(2)为中心设有磁极沿径向分布的管状的永磁铁(1)。
3.根据权利要求1所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(4)为蝶形线圈(42)或跑道形线圈(43)。
4.根据权利要求3所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述蝶形线圈(42)为两个跑道形线圈(43)于同一水平面内的叠加。
5.根据权利要求3或4所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述形槽孔为与所述蝶形线圈(42)或跑道形线圈(43)形状大小相配的矩形槽孔(51)。
6.根据权利要求1所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述线圈(4)为螺旋形线圈(41)。
7.根据权利要求6所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述形槽孔为与所述螺旋形线圈(41)形状大小相配的圆形槽孔(52)。
8.根据权利要求1所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述金属填充物(2)为导磁性材料，且其内部由永磁铁(1)产生的磁场沿所述金属填充物高度方向分布，垂直于线圈所在的平面。
9.根据权利要求1所述的一种多磁铁结构的电磁超声换能器，其特征在于，所述非金属填充物(3)为不导磁固体材料。
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