CN218885219U - 电磁超声传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电磁超声传感器，包括外壳和设置于外壳内的永磁体组件和第一空心线圈，永磁体组件包括第一永磁体和第二永磁体，所述第二永磁体与所述第一永磁体同轴线设置且套设于所述第一永磁体外，所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁场方向相反；第一空心线圈设置于第一永磁体下方，且与所述永磁体组件同轴线设置，所述第一空心线圈的外径小于或等于所述第一永磁体的外径；外壳套设于所述永磁体组件和所述第一空心线圈外，所述外壳设置有插接口，所述插接口与所述第一空心线圈电性连接。本实用新型提供的电磁超声传感器能够避免线圈形成方向相反的力源导致形成相位差，声波在试件中传播或者反射时，容易导致波形分叉畸变。

Description

电磁超声传感器

技术领域

本实用新型涉及工业检测技术领域，尤其涉及一种电磁超声传感器。

背景技术

螺栓是连接各种机械件常用的连接件，其使用扭矩法紧固时的轴力(或预紧力)控制精度通常在±20％～30％，难以对紧固工艺进行精准控制。此外，由于多个紧固件紧固先后不同、多个螺栓法兰面紧固先后不同等，导致螺栓轴力在螺栓紧固后会发生较大变化。对于在役运行的设备，螺栓紧固轴力也难以进行有效测量。上述因素会导致螺栓紧固存在较大的不确定性、不可测性，危害设备安全运行。

超声螺栓轴力测量方法是采用超声传感器在螺栓中激发超声波，通过测量超声波在螺栓中传播的时间，间接测量螺栓轴力。

电磁超声是一种无须超声耦合剂，能够方便进行超声激励、接收的技术，在螺栓轴力测量中具备显著优势。电磁超声螺栓轴力测量的超声方法分为单波法和双波法。

单波法的基本原理是：利用声波(横波或纵波均可)在螺栓的传播时间(Time offlight，TOF)与螺栓轴力之间的线性关系。通过事先标定TOF与轴力的直线，和TOF的测量去间接表征轴力。由于TOF对轴力不敏感，螺栓的长度公差导致的TOF差异远大于轴力对TOF的影响，为此每根螺栓在轴力测量前，都需要测定其初始状态。

双波法是同时在螺栓中激发横波和纵波的方法。它综合了横波和纵波的信息，能够解决单波法所面临的问题。双波法利用纵波和横波波速对于轴力的敏感性不同，通过比较和作差，在计算公式中消除了螺栓长度这一变量。通过一次标定，能够对在役状态的螺栓轴力进行测量，而无需测量螺栓初始状态。

电磁超声技术在铁磁性导体中较容易激发强度较大的横波信号，但是难以激发出纵波。目前采用的圆柱形永磁体+螺旋线圈的电磁超声探头结构产生纵波信号较小，难以实现精确测量轴力的效果。现有技术在永磁体远离线圈一端设置磁路闭合件，为增强磁场，但磁路闭合件效果不佳且会增加传感器的高度，影响使用时的高度限制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电磁超声传感器，能同时激发横波和较强的纵波，且使接收回波信号不畸变、不分叉，解决了现有技术中难以激发纵波且回波信号容易发生畸变和分叉的问题。

为了实现上述实用新型目的之一，本实用新型一实施方式提供一种电磁超声传感器，包括：

永磁体组件，包括第一永磁体和第二永磁体，所述第二永磁体与所述第一永磁体同轴线设置且套设于所述第一永磁体外，所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁场方向相反；

第一空心线圈，设置于第一永磁体下方，且与所述永磁体组件同轴线设置，所述第一空心线圈的外径小于或等于所述第一永磁体的外径；

外壳，套设于所述永磁体组件和所述第一空心线圈外，所述外壳设置有插接口，所述插接口与所述第一空心线圈电性连接。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述第一空心线圈的内径与外径之比为0.1～0.8。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，对于材质为钢的螺栓，所述第一空心线圈的内径与外径之比为0.2～0.6。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，还包括设置于所述永磁体组件下方的第二空心线圈，第二空心线圈的外径大于所述第二永磁体的内径，且所述第二空心线圈的内径小于所述第一永磁体的外径。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述第一永磁体的形状为实心的圆柱体或者沿所述第一永磁体长度方向空心的圆筒体。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述第一永磁体的形状为沿所述第一永磁体长度方向空心的圆筒体时，所述第一空心线圈的内径大于或等于所述第一永磁体的内径。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，还包括隔磁件，所述隔磁件设置于所述永磁体组件和所述第一空心线圈之间。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述隔磁件为1～6层铜箔或导磁片。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，还包括耐磨片，所述耐磨片设置于所述第一空心线圈下方。

作为本实用新型一实施方式的进一步改进，所述插接口设置于所述外壳沿所述永磁体组件长度方向的侧壁。

本实用新型提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型提供的电磁超声传感器将永磁体组件与空心线圈相配合，能够激发出较强的纵波；此外，将线圈设置为空心线圈，且其中的第一空心线圈的外径小于或等于第一永磁体的外径，由此，在高度方向上，第一空心线圈在第一永磁体范围内，能够避免线圈在第一永磁体范围内的部分和第一永磁体范围外的部分形成方向相反的力源，导致形成相位差，声波在试件中传播或者反射时，容易导致波形分叉、畸变。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的电磁超声传感器的结构示意图。

图2是图1中电磁超声传感器的俯视图。

图3是图2中沿A-A线的剖视示意图。

图4是无闭环磁路的试件表面磁场强度分布。

图5是有闭环磁路的试件表面磁场强度分布。

图6是设置有第一空心线圈和第二空心线圈时纵波和横波。

1、外壳；11、壳体；12、盖体；13、插接口；14、插接头；2、永磁体组件；21、第一永磁体；22、第二永磁体；3、第一空心线圈；4、第二空心线圈；5、隔磁件；6、耐磨片。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本文使用的例如术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。

例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一永磁体可以被称为第二永磁体，并且类似地第二永磁体也可以被称为第一永磁体，这并不背离本申请的保护范围。

本实用新型实施例提供了一种电磁超声传感器，如图1所示，包括：外壳1、永磁体组件2和第一空心线圈3。永磁体组件2包括第一永磁体21和第二永磁体22，第二永磁体22与第一永磁体21同轴线设置且套设于第一永磁体21外，第一永磁体21和第二永磁体22的磁场方向相反；第一空心线圈3设置于第一永磁体21下方，且与所述永磁体组件2同轴线，第一空心线圈3的外径小于或等于第一永磁体21的外径；外壳1套设于永磁体组件2和第一空心线圈3外，外壳1设置有插接口13，插接口13与第一空心线圈3电性连接。

本实用新型实施例提供的电磁超声传感器的线圈采用空心线圈，且第一空心线圈3的外径小于或等于第一永磁体21的外径，即，第一空心线圈3未横跨两个磁极，能够避免线圈下方的磁场的垂直分量方向发生反转而形成方向相反的力源，从而使声波旁瓣消除或者降低，减小旁瓣与主瓣的声线叠加，避免声波产生分叉和畸变。采用空心线圈能够极大减小线圈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。第二永磁铁的内径和第一永磁铁的外径相配合，能够在电磁超声传感器体积得到缩小的同时，保证激励较强的纵波。

具体的，外壳1形成有向上开口的壳体11和将壳体11上端开口覆盖的盖体12，壳体11远离盖体12一端的底部开设有一探测口，插接口13设置于外壳1沿永磁体组件2长度方向的侧壁，具体的，插接口13处固定有一插接头14，第一空心线圈3通过插接口13与插接头14电性连接。

在安装时，通过壳体11的开口将第一空心线圈3和永磁体组件2依次放入壳体11内，再将盖体12与壳体11合上。在测量时，设置于侧壁的插接口13相对于常规设置于顶部的插接口13，对测量时的使用场合高度限制较小。插接口13向内与第一空心线圈3电性连接，向外与为第一空心线圈3提供激励源的主机上的导线电性连接。

进一步的，第一空心线圈3的内径与外径之比为0.1～0.8。第一空心线圈3的内径和外径之比为0.1～0.8时，第一空心线圈3与永磁体组件2相配合能够使激励纵波的能力明显得到提升。优选的，对于材质为钢的螺栓，内径与外径之比为0.2～0.6的第一空心线圈3与永磁体组件2的配合，激励纵波的能力更佳。

进一步的，在永磁体组件2下方再设置一个空心线圈，即3图中的第二空心线圈4，第二空心线圈4与插接口13电性连接，且外径大于第二永磁体22的内径，内径小于第一永磁体21的外径。第二空心线圈4不仅能够与第一永磁体21相配合激发纵波，还能与第二永磁体22相配合激发纵波，即，第二空心线圈4能够激发出比第一空心线圈3更强的纵波，但同时也会存在横波分叉和畸变的问题，因此，第一空心线圈3和第二空心线圈4通过插接口13分别连接不同的激励源，以达到同时激发较强且不分叉、不畸变的横波和纵波，更好的实现对螺栓轴力的精确测量。

在本实施例中，第一空心线圈3设置于第二空心线圈4下方，但第一空心线圈3和第二空心线圈4的上下位置不受限制，也可将第一空心线圈3设置于第二空心线圈4上方，并不影响第一空心线圈3和第二空心线圈4产生的横波和纵波。

进一步的，第一永磁体21的形状为实心的圆柱体或者沿第一永磁体21长度方向空心的圆筒体。当第一永磁体21的形状为实心圆柱体时，第一空心线圈3的内径大小受所测量的螺栓的材质和直径的影响；第一永磁体21的形状为沿所述第一永磁体长度方向空心的圆筒体时，第一空心线圈3的内径大于或等于第一永磁体21的内径，以使在电磁超声传感器的高度方向上，第一空心线圈3始终在第一永磁体21的范围内，避免线圈下方的磁场的垂直分量方向发生反转。

优选的，第二永磁铁的内径与第一永磁体21的外径之差不超过1mm，由于第一空心线圈3的外径不超过第一永磁体21的外径，第二永磁铁的内径与第一永磁体21的外径之差可以不做特别限制，就能够达到本实用新型目的，因此，使第二永磁体22能够将第一永磁体21套设即可，但使第二永磁铁的内径与第一永磁体21的外径之差不超过1mm能够避免误差导致第一永磁体21和第二永磁体22二者无法结合。

进一步的，电磁超声传感器还包括隔磁件5和耐磨片6，隔磁件5设置于永磁体组件2和空心线圈之间，也即，隔磁件5将永磁体组件2和第一空心线圈3、第二空心线圈4分隔在隔磁件5两侧，能够隔绝大部分第一空心线圈3和第二空心线圈4在交变电流下产生的磁场，减少第一空心线圈3和第二空心线圈4在交变电流下产生的磁场对永磁体组件2产生的静磁场的影响。优选的，在永磁体组件2的高度方向上，第一空心线圈3和第二空心线圈4的投影在隔磁件5上。优选的，隔磁件5可为1～6层的铜箔或导磁片。

耐磨片6设置于空心线圈下方，也即，第一空心线圈3和第二空心线圈4设置于耐磨片6上方，防止在反复检测过程中螺栓对空心线圈进行磨损，起到保护空心线圈的作用，耐磨片6为低导电和低导磁的陶瓷片或塑料片。耐磨片6可设置两层，待靠近探测口一侧的耐磨片6磨损需要更换时，可将耐磨片6直接从探测口取出，延长电磁超声传感器更换耐磨片6的时间，减少更换次数。

进一步的，第一空心线圈3和第二空心线圈4可以采用漆包线绕制，也可以使用PCB工艺加工而成，其中PCB可以是柔性PCB也可以是常规PCB。

为了进一步优化本实用新型的实施效果，本实施例采用无闭合磁路(本实用新型方案)和有闭合磁路的方案进行仿真模拟实验，得到如图4、5所示的试件表面磁场强度分布图，图中可以看出有无闭合磁路对磁场强度几乎无影响。

除此之外，本实施例对设置有第一空心线圈3和第二空心线圈4的本实用新型的传感器进行实验，得到如图6所示的纵波和横波强度图，具体参考数值及测量数值如表1所示。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁超声传感器，其特征在于，包括：

永磁体组件，包括第一永磁体和第二永磁体，所述第二永磁体与所述第一永磁体同轴线设置且套设于所述第一永磁体外，所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁场方向相反；

第一空心线圈，设置于第一永磁体下方，且与所述永磁体组件同轴线设置，所述第一空心线圈的外径小于或等于所述第一永磁体的外径；

外壳，套设于所述永磁体组件和所述第一空心线圈外，所述外壳设置有插接口，所述插接口与所述第一空心线圈电性连接。

2.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述第一空心线圈的内径与外径之比为0.1～0.8。

3.根据权利要求2所述的电磁超声传感器，其特征在于，对于材质为钢的螺栓，所述第一空心线圈的内径与外径之比为0.2～0.6。

4.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，还包括设置于所述永磁体组件下方的第二空心线圈，第二空心线圈的外径大于所述第二永磁体的内径，且所述第二空心线圈的内径小于所述第一永磁体的外径。

5.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述第一永磁体的形状为实心的圆柱体或者沿所述第一永磁体长度方向空心的圆筒体。

6.根据权利要求5所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述第一永磁体的形状为沿所述第一永磁体长度方向空心的圆筒体时，所述第一空心线圈的内径大于或等于所述第一永磁体的内径。

7.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，还包括隔磁件，所述隔磁件设置于所述永磁体组件和所述第一空心线圈之间。

8.根据权利要求7所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述隔磁件为1～6层铜箔或导磁片。

9.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，还包括耐磨片，所述耐磨片设置于所述第一空心线圈下方。

10.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述插接口设置于所述外壳沿所述永磁体组件长度方向的侧壁。

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