CN219830966U - 空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头，所述探头包括外壳以及设于所述外壳中的换能线圈、磁体组件以及与所述换能线圈连接的电连接组件，所述磁体组件用于形成平行于换能线圈平面的偏置磁场；所述换能线圈包括并列设置的多个阵元线圈，每个阵元线圈包括由导线绕制形成的多圈并排导线，本实用新型可实现电磁超声相控阵成像检测。

Description

空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头

技术领域

本实用新型涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头。

背景技术

超声相控阵检测技术通过设置延时法则激励各阵元，控制声束进行扫查，可在不移动或少移动探头的情况下进行快速扫查，从而大大提高了检测效率。

传统超声相控阵探头的阵元为压电晶片，因此在检测时这种相控阵探头与常规的压电超声探头所遵循的条件相同，均属于接触式检测，探头与被检工件间需要耦合剂才能将超声波耦合到被检工件中，并且为了实现良好的超声波耦合，往往需要对被检工件表面进行打磨。从而，传统压电超声相控阵检测受耦合状态、表面状况等因素影响较大，并且现场检测时打磨工件表面会大大影响检测效率，此外受耦合剂的影响，导致其很难在高温在线检测上进行应用。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头，实现电磁超声相控阵成像检测。

为了达到以上目的，本实用新型一方面公开了一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头，包括外壳以及设于所述外壳中的换能线圈、磁体组件以及与所述换能线圈连接的电连接组件，所述磁体组件用于形成平行于换能线圈平面的偏置磁场；

所述换能线圈包括并列设置的多个阵元线圈，每个阵元线圈包括由导线绕制形成的多圈并排导线；

所述多圈并排导线包括与被检工件对应的有效部分、与电连接组件连接的输入输出引线部分以及连接所述有效部分和所述输入输出引线部分的连接部分。

优选的，所述磁体组件设于所述换能线圈的两侧。

优选的，所述磁体组件包括分别位于所述换能线圈的两侧的两个磁体，所述两个磁体的磁极设置方向相反。

优选的，所述每个阵元线圈的多圈并排导线中的电流方向相同。

优选的，所述磁体组件包括多个磁体，所述多个磁体对应所述换能线圈的两侧和相邻两个阵元线圈形成的间隙设置；或者

所述磁体组件包括分别设于所述换能线圈两侧的两个磁体。

优选的，所述多个磁体中相邻两个磁体的磁极的设置方向相反。

优选的，所述多个磁体中每个磁体两侧的阵元线圈的电流方向相反。

优选的，所述磁体组件进一步包括与磁体固定连接的衔铁。

优选的，所述磁体组件为U型磁体。

优选的，所述磁体组件的磁体为软质磁体或硬质磁体。

优选的，所述换能线圈对应于被检工件的一侧设置有保护板。

实用新型本实用新型通过将换能线圈分为多个阵元线圈，其中每个阵元线圈中设置由线圈导线绕制形成的多圈并排导线，通过磁体组件形成平行于换能线圈的偏置磁场，从而激励相控阵换能线圈在被检工件中激励产生超声纵波，提高电磁超声的检测效率和缺陷检测能力，实现电磁超声相控阵成像检测。本申请的探头可通过电磁超声对被检工件进行非接触式检测，无需耦合剂，也无需对被检工件进行打磨，且本申请的探头的重复检测稳定性高、可适用于极端高、低温检测环境，弥补了传统压电超声检测的诸多应用不足。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例的结构图之一；

图2示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例的结构图之二；

图3示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头另一个具体实施例的结构图；

图4示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中换能线圈包括多个阵元线圈的示意图；

图5示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中多圈并排导线有效部分和连接部分的示意图；

图6示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中多圈并排导线输入输出引线部分的示意图；

图7示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中单磁体探头的示意图；

图8示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中阵元线圈电流方向相同的示意图；

图9示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中多个磁体探头的示意图；

图10示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头一个具体实施例中相邻阵元线圈的电流方向相反的示意图；

图11示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统单磁体形成磁体组件时形成的相控阵平面波束的示意图；

图12示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统单磁体形成磁体组件时形成的控阵偏转波束的示意图；

图13示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统单磁体形成磁体组件时形成的相控阵聚焦波束的示意图；

图14示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统8个磁体形成磁体组件时形成的相控阵平面波束的示意图；

图15示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统8个磁体形成磁体组件时形成的控阵偏转波束的示意图；

图16示出本实用新型空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统8个磁体形成磁体组件时形成的相控阵聚焦波束的示意图。

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做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。

传统超声相控阵探头的阵元为压电晶片，均属于接触式检测，探头与被检工件间需要耦合剂才能将超声波耦合到被检工件中，并且为了实现良好的超声波耦合，往往需要对被检工件表面进行打磨。从而，传统压电超声相控阵检测受耦合状态、表面状况等因素影响较大，并且现场检测时打磨工件表面会大大影响检测效率，此外受耦合剂的影响，导致其很难在高温在线检测上进行应用。目前，专利申请号为201710942500.0，实用新型名称为《一种电磁超声相控阵换能器》的实用新型专利可以实现非接触式无损检测，但是，该专利中的换能器采用单匝线圈，换能效率低。并且，线圈在骨架上绕线，可形成垂直布局和水平布局。其中，水平布局情况下，各个线圈间的影响较大，独立性不好。垂直布局情况下，上下线圈间的影响较大，会影响无损检测过程。

根据本实用新型的一个方面，本实施例公开了一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头。本实施例中，如图1-3所示，相控阵探头包括外壳1以及设于所述外壳1中的换能线圈2、磁体组件3以及与所述换能线圈2连接的电连接组件，磁体组件3用于形成平行于换能线圈2平面的偏置磁场。其中，所述换能线圈2包括并列设置的多个阵元线圈，每个阵元线圈包括由导线绕制形成的多圈并排导线。其中，换能线圈2平面与并排导线的排列方向平行，如图4中的xoy平面，即为换能线圈2平面。

本实用新型通过将换能线圈2分为多个阵元线圈，其中每个阵元线圈中设置由线圈导线绕制形成的多圈并排导线，通过磁体组件3形成平行于换能线圈2平面的偏置磁场(图4中的xoy平面)，从而激励相控阵换能线圈2在被检工件7中激励产生超声纵波，提高电磁超声的检测效率和缺陷检测能力，实现电磁超声相控阵成像检测。本申请的探头可通过电磁超声对被检工件7进行非接触式检测，无需耦合剂，也无需对被检工件7进行打磨，且本申请的探头的重复检测稳定性高、可适用于极端高、低温检测环境，弥补了传统压电超声检测的诸多应用不足。

如图4所示，换能线圈2可包括N个阵元线圈，为了实现被检工作的超声波检测，阵元线圈的数量N优选的不小于4。多个阵元线圈形成的换能线圈2的主要结构参数包括阵元宽度e、阵元中心间距p、阵元间隙g、阵元长度h、整体宽度w和阵元数N，如图8和图10所示。在实际应用中，可通过设置主要结构参数实现不同的检测电磁超声波。例如，本实施例中，空间立体环绕式线性相控阵线圈的参数为：阵元宽度e＝1.85mm、阵元中心间距p＝2.45mm、阵元间隙g＝0.6mm、阵元长度h＝24mm、整体宽度w＝24和阵元数＝10。

在优选的实施方式中，如图5所示，所述多圈并排导线包括与被检工件7对应的有效部分21、与电连接组件连接的输入输出引线部分以及连接所述有效部分21和所述输入输出引线部分的连接部分22，通过有效部分可以实现超声纵波的激励和接收。

具体的，阵元线圈可由导线在空间中立体并排绕制而成。其中，有效部分21是空间立体环绕式换能线圈2的主体工作部分，使用该换能线圈2作为电磁超声传感器的探头线圈时，其有效部分21靠近被检工件7表面以与被检工件7对应，在外置磁场的作用下，在被检工件7中实现超声波的激励，进一步的，还可实现超声波的接收，以对被检工件7进行成像。

多圈并排导线的连接部分22，用于连接线圈的有效部分21和输入输出引线部分以便形成回路，使得电流通过输入输出引线流经线圈的所有导线，连接部分22导线在空间中的环绕排布形状任意，可以是折线形、弧形或尖角形等各种形状。如图6所示，阵元线圈的输入输出引线部分包括一个信号输入端24和一个信号输出端23，用于实现电流信号的输入和输出。整个立体环绕式线圈的多圈并排导线还可以设置为多层叠绕的结构，层数不小1。

在可选的实施方式中，所述磁体组件3设于所述换能线圈2的两侧。磁体组件3设置在换能线圈2外，将磁体组件3设于换能线圈2的两侧，则磁体组件3形成的偏置磁场与换能线圈2平行对应的，在相控阵控头成型时，可将每个阵列线圈分别单独环绕后并排设置在磁体组件3中间。

为了激励相控阵换能线圈2在被检工件7中激励产生超声纵波，需设置垂直于空间立体环绕式阵元线圈有效部分21的偏置磁场，即平行于换能线圈2。优选的，磁体组件3可选择U型磁体，也可为设于换能线圈2两侧的两个磁体32，还可以包括多个磁体32，将多个磁体32对应换能线圈2的两侧和相邻两个阵元线圈形成的间隙设置。其中，设置在换能线圈2两侧的两个磁体32可为换能线圈2提供完整的偏置磁场，设置在换能线圈2两侧及至少一个间隙中的多个磁体32可为换能线圈提供多个局部的偏置磁场。更优选的，磁体组件进一步可包括与磁体32固定连接的衔铁31，通过衔铁31可约束磁体31的磁通量，促进磁体31中形成闭合磁路。

在一个可选的实施方式中，如图7所示，所述磁体组件3可包括衔铁31以及与所述衔铁31连接的两个磁体32，所述两个磁体32分别位于所述换能线圈2的两侧且两个磁体32的磁极设置方向相反。例如，一个磁体32的N极(或S极)靠近换能线圈2，则另一个磁体32的S极(或N极)靠近换能线圈2，即靠近换能线圈2的有效部分21设置，使磁体32产生的偏置磁场与换能线圈2平行。

在优选的实施方式中，当所有阵元线圈对应的偏置磁场的方向相同，则需要使所述每个阵元线圈的多圈并排导线中的电流方向相同，以在被检工件7中形成相同的电磁超声波。如图8所示，每个阵元线圈中的多圈并排导线的电流方向相同，图8中箭头的方向即为电流的方向，从而可在偏置磁场中形成相同的电磁超声纵波，增强检测的电磁超声纵波，从而克服电磁超声的换能效率低而导致的检测效率较低及检测信号的缺陷回波灵敏度不高的问题，使电磁超声波可用于工件的检测和探伤。

在另一个可选的实施方式中，所述磁体组件3包括衔铁31以及与所述衔铁31连接的多个磁体32，所述多个磁体32对应所述换能线圈2的两侧以及相邻两个阵元线圈形成的间隙设置，即至少一个阵元的间隙对应设置有磁体32，磁体32例如可选择周期性永磁体(Periodic Permanent Magnet，PPM)。优选的，如图9所示，为了便于实现相控阵超声声束的控制，所述多个磁体32中每个磁体32两侧的阵元线圈中的电流方向相反，当两个磁体32间可能存在至少一个阵元线圈时，每个磁体两侧的至少一个阵元线圈的电流方向相反。如图10所示，图10中箭头的方向即为电流的方向。所有阵元线圈中每相邻两个阵元线圈之间形成的间隙的上方均对应设置有一个磁体32，使相邻两个阵元线圈中的电流方向相反以保证各阵元在被检工件7中感生的涡流场在偏置磁场的作用下，在工件中产出同相位的超声波。通过多个磁体32形成磁体组件3也可便于空间立体环绕式阵元线圈的相控阵声束的合成控制，并且采用这种形式设计的纵波线性相控阵探头体积更小更紧凑。

进一步的，在线圈靠近工件的一端设置有保护板5，以保护相控阵线圈。其中，所述保护板5的结构可以为单层材料或多层材料复合结构，用于探头前端密封和保护，其具有耐磨、阻热的功能，保护板5厚度要求尽量薄，以满足相控阵探头与被检工件7间的提离要求。保护板5可以通过其他的方式设置以实现探头前端保护，如空间提离等。

各阵元线圈可通过信号线与电连接组件相连，电连接组件提供与外部检测仪器连接的接口。线性相控阵的各功能部件最终都封装于外壳1中，外壳1提供了密封、保护和支持的作用。

在可选的实施方式中，所述磁体组件3的磁体32为硬质或软质磁体32。为了适应不同表面类型的电磁超声相控阵检测，提供偏置磁场的磁体32从材质方面可以使用硬质或软质磁体32。其中，硬质磁体32可以通过定制适应特定曲面，而软质磁体32则可以自适应不同形状的表面。可选的，磁体32可以是永磁体32，也可以是电磁体32。

在可选的实施方式中，所述电连接组件可以包括电连接器4和信号线，信号线连接换能线圈2的每个阵元线圈和电连接器4，电连接器4可进一步与外部检测仪器电连接，外部检测仪器可通过电连接器4和信号线分别向对应的阵元线圈输入电信号以形成电磁超声波。在其他实施方式中，所述电连接组件也可以为信号线，每个阵元线圈可通过信号线直接与外部检测仪器电连接，外部检测仪器可通过信号线向每个阵元线圈分别输入电信号以形成电磁超声波。

基于相同原理，本实施例还公开了一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵检测系统。所述检测系统包括检测仪器和本实施例所述的相控阵探头。

其中，所述检测仪器用于向换能线圈2输入电信号以形成检测被检工件7的超声波。在优选的实施方式中，所述检测仪器还可以接收所述换能线圈2传输的被检工件7返回的电磁超声波形成的电流信息，根据电流信息形成被检工件7成像，以对被检工件7进行检测和探伤。

下面通过具体例子在对本实用新型作进一步的说明，利用不同电磁超声纵波线性相控阵检测系统，对其相控阵声束控制进行仿真，其中被检工件7的材质为20#钢。

当采用两个磁体32形成磁体组件3时，可形成的波束包括：

(1)相控阵平面波束：磁体组件3采用单磁体32，控制所有线圈阵元同时激励，可在被检工件7中合成相控阵平面波束，如图11所示。

(2)控阵偏转波束：各线圈阵元从左至右依次延时激发，可在被检工件7工中合成偏转波束，此处以偏转角度为45°为例，如图12所示。

(3)相控阵聚焦波束：设置延时法则，使得各阵元激励的超声波在聚焦点处进行聚焦，以聚焦深度在电磁超声相控阵检测系统中心正下方30mm为例，如图13所示。

当采用10个周期性磁体32，每个磁体32宽22mm、高30mm和长28mm，组成磁体组件3时，可形成的波束包括：

(1)、相控阵平面波束：各阵元同时激励，在被检工件7中合成相控阵平面波束，如图14所示。

(2)、控阵偏转波束：各阵元依次进行等延时激励，可在被检工件7中合成相控阵偏转平面波，以合成偏转45°的相控阵偏转声束为例，结果如图15所示。

(3)、相控阵聚焦波束：设置延时法则，可在被检工件7中合成相控阵聚焦声束，以聚焦深度为传感器中心正下方30mm为例，如图16所示。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种空间立体环绕式电磁超声纵波线性相控阵探头，其特征在于，包括外壳以及设于所述外壳中的换能线圈、磁体组件以及与所述换能线圈连接的电连接组件，所述磁体组件用于形成平行于换能线圈平面的偏置磁场；

所述换能线圈包括并列设置的多个阵元线圈，每个阵元线圈包括由导线绕制形成的多圈并排导线；

所述多圈并排导线包括与被检工件对应的有效部分、与电连接组件连接的输入输出引线部分以及连接所述有效部分和所述输入输出引线部分的连接部分。

2.根据权利要求1所述的相控阵探头，其特征在于，所述磁体组件设于所述换能线圈的两侧。

3.根据权利要求1所述的相控阵探头，其特征在于，所述磁体组件包括分别位于所述换能线圈的两侧的两个磁体，所述两个磁体的磁极设置方向相反。

4.根据权利要求3所述的相控阵探头，其特征在于，所述每个阵元线圈的多圈导线中的电流方向相同。

5.根据权利要求1所述的相控阵探头，其特征在于，所述磁体组件包括多个磁体，所述多个磁体对应所述换能线圈的两侧和相邻两个阵元线圈形成的间隙设置；或者所述磁体组件包括分别设于所述换能线圈两侧的两个磁体。

6.根据权利要求5所述的相控阵探头，其特征在于，所述多个磁体中相邻两个磁体的磁极的设置方向相反。

7.根据权利要求6所述的相控阵探头，其特征在于，所述多个磁体中每个磁体两侧的阵元线圈的电流方向相反。

8.根据权利要求3或5所述的相控阵探头，其特征在于，所述磁体组件进一步包括与磁体固定连接的衔铁。

9.根据权利要求1所述的相控阵探头，其特征在于，所述磁体组件为U型磁体。

10.根据权利要求1所述的相控阵探头，其特征在于，所述磁体组件的磁体为软质磁体或硬质磁体。

11.根据权利要求1所述的相控阵探头，其特征在于，所述换能线圈对应于被检工件的一侧设置有保护板。