CN211856476U - 一种全向型sh波电磁超声换能器 - Google Patents
一种全向型sh波电磁超声换能器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种全向型SH波电磁超声换能器，包括PCB线圈、永磁体、绝缘层、导线和外壳，其特征是：永磁体放置在PCB线圈上，PCB线圈两端分别与导线相连，绝缘层覆盖在PCB线圈首尾两端与导线连接处，外壳套设在PCB线圈和永磁铁外面，导线从外壳上的孔引出，与外部电源相连。该换能器可以在板中产生周向洛伦兹力，从而激发周向SH波，也作为全向SH波的接收端，同时激发和接收对板进行无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域中的超声检测技术，具体是一种全向型SH波电磁超声换能器。
背景技术
在结构健康监测、导波层析成像和超声相控阵检测等领域中，将换能器阵列应用于大面积板检测具有极大的前景。由于换能器是阵列系统中的基础元件，因此在无损检测和结构健康监测领域，大量研究都聚焦于各种导波换能器的研制。
导波，即板中传播的Lamb波和SH波，相比于Lamb波，由于低阶的SH0模态具有非频散性，传播过程中不受流体载荷影响，使得SH波在无损检测方面的应用具有更多优势。因此在工业应用中利用SH波对板类结构进行无损检测具有较大的吸引力。全向SH波换能器是SH导波层析成像系统中重要的关键部件，最近几年才发现关于全向SH波换能器的研究，然而这些换能器都不是直接在板中激发SH波。这些换能器都是基于磁致伸缩片换能器(MPT)技术，先在一片具有较高磁致伸缩性能的材料(比如镍片)中产生SH波，再利用环氧树脂将换能器与待测试件粘接在一起，磁致伸缩片中的SH波通过环氧树脂耦合到被测试件。由于使用时需要使用粘接剂而不能移动，使得现有全向型MPT-SH换能器很难得到实际应用，目前尚没有可实现非接触测量的全向SH波换能器。
发明内容
针对上述现有技术中指出的问题，本发明提供了一种全向型SH波电磁超声换能器，该换能器可以在板中产生周向洛伦兹力，从而激发周向SH波，也作为全向SH波的接收端，同时激发和接收对板进行无损检测。
实现本发明目的的技术方案是：
一种全向型SH波电磁超声换能器，包括PCB线圈、永磁体、绝缘层、导线和外壳，与现有技术不同的是：永磁体放置在PCB线圈上，PCB线圈两端分别与导线相连，绝缘层覆盖在PCB线圈首尾两端与导线连接处，外壳套设在PCB线圈和永磁铁外面，导线从外壳上的孔引出，与外部电源相连。
所述PCB线圈是将线圈按照平面扇形射线结构，导线以由中心向径向延伸的形式印制在PCB电路板中，PCB线圈为两层或多层结构，各层之间通过过孔连接；线圈分为上下两部分，其中：
线圈上半部分，顶层线圈由外往内绕，在最内圈用过孔与底层连接，再由底层从内往处绕；
线圈下半部分，从底层延伸出来的导线由外往内绕，在最内圈用过孔与顶层连接，再由顶层线圈的内部往外绕；
绕圈上下两部分相互缠绕，形成扇形的螺旋线圈，当线圈通入电流时，整个线圈左半部分的导线中的电流从外部往扇形中心流入，然后从右半部分流出。
所述PCB线圈的层数为偶数层。
所述PCB线圈首末两端焊盘与导线焊接。
所述永磁体由两个半环形的磁铁组成，两个半环形磁铁按照极化方向相反的方向放置在PCB线圈上，其中一个半环形磁铁放置在电流流入的线圈上方，另一个半环形磁铁放置在电流流出的线圈上方。
所述磁铁内外半径尺寸根据波长而定，为了达到输出最大化，波长需满足λ＝2rm(1)，而磁铁外半径ro与磁铁内半径ri之间满足关系ro-ri＝λ/2(2)，磁铁内外半径根据上式确定。
所述外壳的最大直径与PCB线圈的直径相符，其高度可容下磁铁和PCB板。
所述换能器以非接触方式在被检测试件中产生周向洛伦兹力，通过洛伦兹力产生全向的SH波。
与传统的SH波超声换能器相比，本发明SH波电磁超声换能器在实际应用中具有以下优势：
1.不需要耦合剂即可通过换能器在待检测工件中激发SH波，通过移动换能器实现SH波在待检测工件不同位置进行激发和接收，以达到不同检测目的和要求，并实现非接触式检测；
2.通过改变中心频率和永磁体内外半径可以实现不同金属板材的检测，导波在不同金属板材中相速度不同，我能器达到转化效率最大、输出最大化需要根据频散曲线确定中心频率，确定中心频率和相速度后确定波长，根据式(1)(2)确定磁铁内外半径，从而实现全向SH波电磁超声换能器在不同金属板材中激发和接收超声波，因此具有较强的适应性。
附图说明
图1为本换能器的立体示意图；
图2为本换能器的爆炸立体示意图；
图3为永磁体和PCB线圈相对位置示意图；
图4为PCB线圈电流流向示意图；
图5为洛伦兹力示意图。
图中：1.永磁体、2.PCB线圈、3.绝缘层、4.导线、5.外壳、6.磁场方向、7.电涡流方向、8.洛伦兹力方向
具体实施方式
为了使全向SH波电磁超声换能器的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步的详细说明。
如图1、图2所示，一种全向型SH波电磁超声换能器，包括PCB线圈、永磁体、绝缘层、导线、外壳。线圈可以为两层或者多层，但必须为偶数层，偶数层时将线圈分为上下两部分，上半部分，顶层线圈从外往内绕，在最内圈用过孔与底层连接，再由底层从内往外绕。下半部分与上半部分相似，从底层出来的导线从外往内绕，在最内圈用过孔与顶层连接，再由顶层线圈的内部往外绕，该上下两部分线圈的本质都是一个在形状上变形为扇形的螺旋线圈(如图3所示)。这里所述的线圈所在的层及线圈的绕制方向仅为对工作原理的说明，改变层的顺序和线圈的方向也可达到相同的效果。
在PCB线圈首末两端设有焊盘，PCB线圈通过焊接与导线相连，焊接后在焊接处覆盖绝缘层，导线与外部电源相连(如图1所示)。
当通以电流时电流从线圈首末任意一端进入，按照图4所示方向通过线圈，按照这种线圈布置方式，保证上下两部分电流方向一致，且整个线圈电流分为左右两部分，如图4所示，在左半部分电流沿着靠近圆心方向流动，右半部分电流沿着远离圆心方向流动，使得左右两边电流朝同一方向，从而左右两部分在金属板中产生的电涡流在任意横截面上方向一致，如图5所示。
永磁体由两个半环形磁铁组成，磁铁内外半径尺寸根据波长而定，为了达到输出最大化，波长需满足λ＝2rm(1)，而磁铁外半径ro与磁铁内半径ri之间满足关系ro-ri＝λ/2(2)。磁铁内外半径根据上式确定。两块半环形磁铁按照极性相反的方向放置在PCB线圈上，如图1所示，其中两块半环形磁铁的接触面与线圈首末两端平行的直线垂直，即沿着整个线圈左右两半部分分界线，如图3所示。
使用时，先将磁铁按导线需从外壳孔引出关系和磁铁与线圈相对位置将磁铁放入外壳中，然后将导线通过外壳孔引出，再将PCB线圈放入外壳，如图1所示。将导线与外部电源相连，当电源输出交流电时，PCB线圈在金属板中会产生电涡流，电涡流在两块极性相反放置的磁铁所产生的磁场作用下产生洛伦兹力。左右两半部分任一截面如图5所示，电涡流方向一致，磁铁极性相反，因此产生方向相反的洛伦兹力，交变的洛伦兹力引起板内质点产生面内剪切振动，从而在金属板内激发全向SH波。
Claims (7)
1.一种全向型SH波电磁超声换能器，包括PCB线圈、永磁体、绝缘层、导线和外壳，其特征是：永磁体放置在PCB线圈上，PCB线圈两端分别与导线相连，绝缘层覆盖在PCB线圈首尾两端与导线连接处，外壳套设在PCB线圈和永磁体外面，导线从外壳上的孔引出，与外部电源相连。
2.根据权利要求1所述的全向型SH波电磁超声换能器，其特征是：所述PCB线圈是将线圈按照平面扇形射线结构，导线以由中心向径向延伸的形式印制在PCB电路板中，PCB线圈为两层或多层结构，各层之间通过孔连接；线圈分为上下两部分，其中：
线圈上半部分，顶层线圈由外往内绕，在最内圈用过孔与底层连接，再由底层从内往外绕；
线圈下半部分，从底层延伸出来的导线由外往内绕，在最内圈用过孔与顶层连接，再由顶层线圈的内部往外绕；
绕圈上下两部分相互连接，形成扇形的封闭线圈，当线圈通入电流时，整个线圈左半部分的导线中的电流从外部往扇形中心流入，然后从右半部分流出。
3.根据权利要求2所述的全向型SH波电磁超声换能器，其特征是：所述PCB线圈的层数为偶数层。
4.根据权利要求1所述的全向型SH波电磁超声换能器，其特征是：所述PCB线圈首末两端焊盘与导线焊接。
5.根据权利要求1所述的全向型SH波电磁超声换能器，其特征是：所述永磁体由两个半环形的磁铁组成，两个半环形磁铁按照极化方向相反的方向放置在PCB线圈上，其中一个半环形磁铁放置在电流流入的线圈上方，另一个半环形磁铁放置在电流流出的线圈上方。
6.根据权利要求1所述的全向型SH波电磁超声换能器，其特征是：所述外壳的最大直径与PCB线圈的直径相符，其高度可容下磁铁和PCB板。
7.根据权利要求1所述的全向型SH波电磁超声换能器，其特征是：所述换能器能以接触方式或者非接触方式在被检测试件中产生周向洛伦兹力，通过洛伦兹力产生全向的SH波。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020345619.7U CN211856476U (zh) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | 一种全向型sh波电磁超声换能器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202020345619.7U CN211856476U (zh) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | 一种全向型sh波电磁超声换能器 |
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| CN (1) | CN211856476U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111239262A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-06-05 | 桂林电子科技大学 | 一种全向型sh波电磁超声换能器 |
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2020
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