RU196373U1 - Phased array electromagnetic acoustic transducer - Google Patents
Phased array electromagnetic acoustic transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU196373U1 RU196373U1 RU2019144273U RU2019144273U RU196373U1 RU 196373 U1 RU196373 U1 RU 196373U1 RU 2019144273 U RU2019144273 U RU 2019144273U RU 2019144273 U RU2019144273 U RU 2019144273U RU 196373 U1 RU196373 U1 RU 196373U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phased antenna
- receiving
- acoustic transducer
- antenna arrays
- electromagnetic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области ультразвуковой дефектоскопии. Техническим результатом является увеличение амплитуды формируемой волны и повышение чувствительности при ее приеме, а также упрощение применения. Сущность полезной модели заключается в том, что электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой содержит подложку (корпус), на которой расположены излучающая и приемная фазированные антенные решетки, магнитная система. Фазированные антенные решетки (ФАР) имеют многослойную конструкцию, состоящую из 8 элементов для каждого слоя. Магнитная система представлена двумя постоянными магнитами, расположенными под углом 0<α≤180° друг к другу для разделения приемной и передающей ФАР, с целью исключения влияния помех. Конструкция слоев фазированных антенных решеток выполнена с шагом укладки слоев h, равным половине излучаемой длины волны λ.The utility model relates to the field of ultrasonic inspection. The technical result is to increase the amplitude of the generated wave and increase the sensitivity when it is received, as well as simplifying the application. The essence of the utility model lies in the fact that the electromagnetic-acoustic transducer with a phased antenna array contains a substrate (housing) on which the radiating and receiving phased antenna arrays, a magnetic system are located. Phased Antenna Arrays (PAR) have a multilayer structure consisting of 8 elements for each layer. The magnetic system is represented by two permanent magnets located at an angle of 0 <α≤180 ° to each other to separate the receiving and transmitting headlights, in order to eliminate the influence of interference. The design of the layers of phased antenna arrays is performed with a step of laying layers h equal to half the emitted wavelength λ.
Description
Полезная модель относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля изделий, а именно к ультразвуковым преобразователям, которые используются для проведения диагностики в объекте контроля с целью обнаружения дефектов.The utility model relates to the field of ultrasonic (US) non-destructive testing of products, namely to ultrasonic transducers that are used to conduct diagnostics in a test object in order to detect defects.
Известна «Ультразвуковая антенная решетка» (Патент РФ №137900, МПК H01L 41/08, дата приоритета 19.11.2013, опубликовано: 27.02.2014), относящаяся к пьезоэлектрическим приборам для ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля металлических объектов. Ультразвуковая антенная решетка содержит призму с пьезоэлементами, где призма выполнена в виде периодической ступенчатой структуры и разделена на две части, расположенные под углом 0<α≤38° друг к другу. При перемещении устройства относительно объекта контроля, на контакты пьезоэлементов подают электрические сигналы, преобразуемые в упругие колебания, которые отражаясь от внутренних дефектов объекта контроля регистрируются для дальнейшей обработки. На основании полученных данных выявляют дефекты.The well-known "Ultrasonic antenna array" (RF Patent No. 137900, IPC H01L 41/08, priority date 11/19/2013, published: 02/27/2014), relating to piezoelectric devices for ultrasonic (US) non-destructive testing of metal objects. The ultrasonic antenna array contains a prism with piezoelectric elements, where the prism is made in the form of a periodic stepped structure and is divided into two parts located at an
Использование антенной решетки на пьезоэлементах, в качестве ультразвукового преобразователя, снижает скорость диагностирования, так как необходима предварительная подготовка поверхности объекта контроля и наличие контактной жидкости.The use of an antenna array on piezoelectric elements as an ultrasonic transducer reduces the speed of diagnosis, since preliminary preparation of the surface of the test object and the presence of contact liquid are necessary.
Известен «Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь» (Патент РФ №2697024, МПК H04R 17/00, дата приоритета 21.11.2018, опубликовано: 08.08.2019), который содержит корпус и помещенные в него две звукопроводящих призмы (ПНИ) из материала с относительно низким акустическим импедансом, на одну ПНИ наклеен излучающий пьезоэлемент, а на другую – приемный. ПНИ с приемным пьезоэлементом отделена от ПНИ с излучающим элементом электрическим и/или акустическим экраном. В качестве излучающих и приемных пьезоэлементов использованы линейные или фазированные решетки.The well-known "Ultrasonic separately combined transducer" (RF Patent No. 2697024, IPC H04R 17/00, priority date 11/21/2018, published: 08/08/2019), which contains a housing and two sound-conducting prisms (PNIs) placed in it from a material with relatively low acoustic impedance, a radiating piezoelectric element is glued to one PNI, and a receiving one is glued to the other. PNI with a receiving piezoelectric element is separated from PNI with a radiating element by an electric and / or acoustic screen. As emitting and receiving piezoelectric elements, linear or phased arrays are used.
Недостатком устройства является чувствительность к зазору между преобразователем и поверхностью объекта контроля, что требует применения специальной контактной жидкости. Проведение диагностирования рабочей поверхности объекта контроля, имеющей широкий температурный диапазон, невозможно без риска повреждения преобразователя.The disadvantage of this device is the sensitivity to the gap between the Converter and the surface of the object of control, which requires the use of special contact fluid. Diagnosing the working surface of a test object having a wide temperature range is impossible without the risk of damage to the converter.
Известен «Электромагнитно-акустический преобразователь» (Патент РФ №2656134, МПК G01B 7/06, дата приоритета 22.11.2016, опубликовано: 31.05.2018), выбранный в качестве прототипа предлагаемой полезной модели. Электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) содержит корпус, в котором размещен слой из диэлектрика, источник постоянного магнитного поля и блок катушек индуктивности. Источник постоянного магнитного поля и блок катушек индуктивности расположены в корпусе с возможностью взаимодействия. Блок катушек индуктивности содержит генераторную катушку и по меньшей мере одну приемную катушку. При этом катушки индуктивности выполнены в виде раздельных плоских спиральных катушек индуктивности, которые расположены на одной стороне слоя из диэлектрика и витки которых имеют общий центр.The well-known "Electromagnetic-acoustic transducer" (RF Patent No. 2656134, IPC
К недостаткам прототипа следует отнести: низкую чувствительность к обнаружению дефектов в объекте контроля, по сравнению с пьезопреобразователями, а также отсутствие возможности использования электронной фокусировки, что существенно снижает производительность УЗ-контроля.The disadvantages of the prototype include: low sensitivity to detection of defects in the control object, compared with piezoelectric transducers, as well as the lack of the ability to use electronic focusing, which significantly reduces the performance of ultrasonic testing.
Под электронной фокусировкой в ультразвуковой диагностике подразумевается управление вводом УЗ волны в поверхность объекта контроля с помощью временных задержек сигналов, подаваемых на элементы преобразователя, которые выступают в роли генераторов.By electronic focusing in ultrasound diagnostics, it is meant to control the entry of an ultrasound wave into the surface of a test object using the time delays of signals supplied to transducer elements that act as generators.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении достоверности обнаружения дефектов и увеличении скорости диагностирования в металлических изделиях, одними из которых являются трубы малого и большого диаметра, а также объекты сложной формы.The problem to which the proposed utility model is aimed is to increase the reliability of detection of defects and increase the speed of diagnosis in metal products, one of which is a pipe of small and large diameter, as well as objects of complex shape.
Поставленная задача решается достижением технического результата, заключающегося в увеличении амплитуды формируемой волны и повышении чувствительности при ее приеме, возможности управления направлением излучаемой волны без изменения пространственного расположения самого преобразователя.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the amplitude of the generated wave and increasing the sensitivity when it is received, the ability to control the direction of the emitted wave without changing the spatial location of the transducer itself.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой, содержащий подложку (корпус), на которой расположены излучающая и приемная фазированные антенные решетки, магнитная система, отличается тем, что фазированные антенные решетки (ФАР) имеют многослойную конструкцию, состоящую из 8 элементов для каждого слоя, магнитная система представлена двумя постоянными магнитами, расположенными под углом друг к другу для разделения приемной и передающей ФАР, с целью исключения влияния перекрестных помех.The specified technical result is achieved due to the fact that the electromagnetic-acoustic transducer with a phased antenna array containing a substrate (housing) on which the radiating and receiving phased antenna arrays are located, the magnetic system is characterized in that the phased antenna arrays (PAR) have a multilayer structure, consisting of 8 elements for each layer, the magnetic system is represented by two permanent magnets located at an angle to each other to separate the receiving and transmitting headlights, in order to exclude the effect of crosstalk.
Использование многослойной конструкции ФАР приводит к увеличению эффективной площади излучения, что способствует повышению амплитуды сигнала, а увеличенное количество элементов ФАР, позволяет управлять вводом УЗ-волны.The use of a multi-layer design of the PAR leads to an increase in the effective radiation area, which contributes to an increase in the signal amplitude, and an increased number of PAR elements allows controlling the input of the ultrasonic wave.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид электромагнитно-акустического преобразователя с фазированной антенной решеткой, на фиг.2 показана схема намотки многослойной фазированной антенной решетки, на фиг.3 показан уровень амплитуды принятого сигнала, полученного от контрольного образца при использовании однослойной ФАР с 8 элементами, на фиг.4 показан уровень амплитуды принятого сигнала, полученного от контрольного образца при использовании одноэлементного ЭМАП.The essence of the utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a general view of an electromagnetic-acoustic transducer with a phased antenna array, Fig. 2 shows a winding diagram of a multilayer phased antenna array, Fig. 3 shows the amplitude level of a received signal received from a control sample at using a single-layer headlamp with 8 elements, figure 4 shows the amplitude level of the received signal received from the control sample when using a single-element EMAT.
Электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой (фиг.1) содержит подложку (корпус) 1, на которой располагается печатная плата 2 с установленными на ней излучающей и приемной фазированными антенными решетками 3 и разъемами 4 для подключения устройства к оборудованию диагностирования. На ФАР 3 установлен концентратор 5, на который установлена магнитная система, представленная двумя постоянными магнитами 6, которые разделены изолятором 7 и расположены под углом 0<α≤180° друг к другу, в плоскости, параллельной плоскости, касательной к поверхности объекта контроля для разделения приемной и передающей ФАР 3 для исключения влияния электрических и акустических перекрестных помех. Концентратор 5 представляет собой проводник магнитного поля и отделяет ФАР 3 от магнитов 6 для исключения помех, таких как волна в магните возбуждаемая ФАР 3.The electromagnetic-acoustic transducer with a phased antenna array (Fig. 1) contains a substrate (housing) 1 on which there is a printed
Для обеспечения слежения за величиной рабочего зазора (в диапазоне от 0 до 3 мм) между поверхностью преобразователя и поверхностью объекта контроля в состав электромагнитно-акустического преобразователя с фазированной антенной решеткой может быть добавлен датчик зазора с платой предварительного усилителя датчика зазора.In order to monitor the size of the working gap (in the range from 0 to 3 mm) between the surface of the transducer and the surface of the test object, a gap sensor with a pre-amplifier board of the gap sensor can be added to the electromagnetic-acoustic transducer with a phased antenna array.
На фиг.2 представлена схема намотки многослойной фазированной антенной решетки, где каждый слой ФАР имеет восьмиэлементную структуру. Возбуждение ультразвуковой волны в поверхности объекта контроля возможно каждым элементом ФАР. Использованием заданных временных задержек генераторных импульсов между элементами ФАР, обеспечивается формирование требуемого направления основного пучка излучения. Увеличение количества слоев приводит к увеличению эффективной площади излучения, что способствует повышению амплитуды формируемой волны. С увеличением количества слоев допустимый рабочий зазор между ЭМАП ФАР и объектом контроля уменьшается, в связи с чем одной из наиболее оптимальных структур ФАР является четырехслойная.Figure 2 presents the winding diagram of a multilayer phased antenna array, where each layer of the PAR has an eight-element structure. Excitation of an ultrasonic wave in the surface of the control object is possible by each element of the PAR. Using the specified time delays of the generator pulses between the PAR elements, the formation of the required direction of the main radiation beam is ensured. An increase in the number of layers leads to an increase in the effective radiation area, which contributes to an increase in the amplitude of the generated wave. With an increase in the number of layers, the allowable working gap between the EMAT of the PAR and the control object decreases, and therefore the four-layer one of the most optimal PAR structures
Конструктивно фазированные антенные решетки представляют собой пространственно-разделенные генераторную и приемную ФАР. Генераторная и приемная ФАР состоит из 32 элементов в виде петель.Structurally phased antenna arrays are a spatially separated generator and receiver headlamps. The generator and receiver headlights consist of 32 elements in the form of loops.
Для увеличения чувствительности приема УЗ волн, отраженных от поверхности объекта контроля, в приемной ФАР используется намотка из тонкого медного изолированного провода, где каждый из 32-х приемных элементов представляет собой петлю, намотанную одним непрерывным проводом с максимально большим количеством витков, обусловленным реализуемостью такой конструкции.To increase the sensitivity of receiving ultrasonic waves reflected from the surface of the test object, the receiving headlamp uses a winding of thin copper insulated wire, where each of the 32 receiving elements is a loop wound with one continuous wire with as many turns as possible, due to the feasibility of such a design .
Для увеличения амплитуды формируемой УЗ волны в генераторной ФАР используется намотка из толстого медного изолированного провода, где каждый из 32-х генераторных элементов представляет собой петлю, намотанную одним непрерывным проводом с минимальным количеством витков. Также для генераторной ФАР можно использовать разделение одной петли на восемь параллельно независимых для получения большей амплитуды излучаемой волны.To increase the amplitude of the generated ultrasonic wave in the generator headlamp, winding from a thick copper insulated wire is used, where each of the 32 generator elements is a loop wound with one continuous wire with a minimum number of turns. Also, for generator PAR, you can use the separation of one loop into eight parallel independent ones to obtain a larger amplitude of the emitted wave.
Конструктивно укладку слоев ФАР осуществляют друг под другом с шагом h, меньшим длины λ излучаемой волны. Выбранный шаг укладки слоев ФАР, равный половине длины волны, является оптимальным, сочетающим высокую величину сигнала и ширину диаграммы направленности УЗ волны.Structurally, the layers of the PAR are stacked one under the other with a step h shorter than the length λ of the emitted wave. The selected step of stacking the layers of the PAR, equal to half the wavelength, is optimal, combining a high signal and the width of the radiation pattern of the ultrasonic wave.
Предлагаемый электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой работает следующим образом. Для проведения диагностирования поверхности объекта контроля на наличие дефектов преобразователь подключают через разъёмы 4 к оборудованию диагностики для передачи и получения сигналов между ними. Устройство устанавливают на контролируемую поверхность и обеспечивают бесконтактный ввод УЗ-волн с некоторым небольшим рабочим зазором. С помощью платы акустического тракта входящей в состав оборудования диагностики на каждый элемент излучающей ФАР подается зондирующий сигнал, имеющий задержку по времени в соответствии с номером элемента. Вокруг излучающей ФАР возникает переменное электромагнитное поле, на которое влияет постоянное магнитное поле магнитов 6. Возникающие в результате взаимодействия этих полей силы Лоренца возбуждают в поверхности объекта контроля поперечные УЗ волны. Отраженные от дефектов, сплошностей и донной поверхности эхосигналы считываются всеми элементами приемной ФАР поочередно с заданной задержкой и преобразуются из электромагнитного импульса в электрический с помощью платы акустического тракта. После зондирования и приема эхосигналов образуется 1024 реализации (набор сигналов от всех возможных пар элементов (генератор-приемник)) для 32-элементной структуры ФАР 3. На основание полученных реализаций получают C-скан с расположением дефектов на участке поверхности объекта контроля. Изменение временных задержек на генераторных и приемных элементах ФАР 3 позволяет осуществлять фокусировку энергии волны в заданной точке по глубине и углу. Угол ввода УЗ волн с помощью электронной фокусировки варьируется в диапазоне от 0 до 90°.The proposed electromagnetic-acoustic transducer with a phased antenna array operates as follows. To diagnose the surface of the control object for defects, the converter is connected via
На фиг. 3 и 4 приведены графики, иллюстрирующие сигналы, полученные на контрольном образце при использовании восьмиэлементной ФАР и одноэлементного ЭМАП, соответственно. Как видно на фиг.3 при использовании восьмиэлементной ФАР амплитуда полученного сигнала, отраженного от дефекта контрольного образца в 8 раз больше, чем амплитуда полученного сигнала, отраженного от того же дефекта при использовании одноэлементного ЭМАП.In FIG. Figures 3 and 4 are graphs illustrating the signals obtained on a control sample using an eight-element PAR and a single-element EMAP, respectively. As can be seen in FIG. 3, when using an eight-element PAR, the amplitude of the received signal reflected from the defect of the control sample is 8 times larger than the amplitude of the received signal reflected from the same defect when using a single-element EMAT.
Таким образом, благодаря выбранной топологии ФАР с многослойной структурой с общим количеством элементов равным 32, обеспечивается возможность управлять углом ввода УЗ волны в широком диапазоне путем изменения временных задержек. Увеличенное количество элементов ФАР позволяет значительно увеличить амплитуду формируемого и принимаемого сигнала.Thus, thanks to the selected topology of the PAR with a multilayer structure with a total number of elements equal to 32, it is possible to control the angle of entry of the ultrasonic wave in a wide range by changing the time delays. The increased number of PAR elements can significantly increase the amplitude of the generated and received signal.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019144273U RU196373U1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Phased array electromagnetic acoustic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019144273U RU196373U1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Phased array electromagnetic acoustic transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU196373U1 true RU196373U1 (en) | 2020-02-26 |
Family
ID=69630783
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019144273U RU196373U1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Phased array electromagnetic acoustic transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU196373U1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62212563A (en) * | 1986-03-14 | 1987-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | Apparatus for imaging object with ultrasonic wave or electromagnetic wave |
RU2206888C1 (en) * | 2002-06-28 | 2003-06-20 | ООО "Компания Нординкрафт" | Electromagnetic-acoustic converter |
RU2515957C1 (en) * | 2012-11-09 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Акустические Контрольные Системы" | Complex for ultrasonic control of products and optical measurement device of complex |
RU2656134C2 (en) * | 2016-11-22 | 2018-05-31 | Акционерное общество "Диаконт" | Electromagnetic-acoustic transducer |
RU2697024C1 (en) * | 2018-11-21 | 2019-08-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Нординкрафт Санкт-Петербург" | Ultrasound separately-combined converter |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019144273U patent/RU196373U1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62212563A (en) * | 1986-03-14 | 1987-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | Apparatus for imaging object with ultrasonic wave or electromagnetic wave |
RU2206888C1 (en) * | 2002-06-28 | 2003-06-20 | ООО "Компания Нординкрафт" | Electromagnetic-acoustic converter |
RU2515957C1 (en) * | 2012-11-09 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Акустические Контрольные Системы" | Complex for ultrasonic control of products and optical measurement device of complex |
RU2656134C2 (en) * | 2016-11-22 | 2018-05-31 | Акционерное общество "Диаконт" | Electromagnetic-acoustic transducer |
RU2697024C1 (en) * | 2018-11-21 | 2019-08-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Нординкрафт Санкт-Петербург" | Ultrasound separately-combined converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4127035A (en) | Electromagnetic transducer | |
US6038925A (en) | Focal type electromagnetic acoustic transducer and flaw detection system and method | |
US9423382B2 (en) | Test head for testing a workpiece having an ultrasonic transducer configuration containing a plurality of ultrasonic transducers and process for producing such a test head | |
US20120103097A1 (en) | Flexible EMAT Arrays for Monitoring Corrosion and Defect Propagation in Metal Components and Structures | |
RU2413214C2 (en) | Apparatus for nondestructive inspection of ferromagnetic structural elements | |
CN106404911B (en) | True time delay single mode Lamb wave phased array system for plate structure detection | |
JPS59501921A (en) | Intrinsic delay line ultrasound transducers and systems | |
US8857263B2 (en) | Ultrasonic probe and method for the nondestructive testing of a planar test specimen | |
Gottlieb et al. | Development of a high-frequency (> 50 MHz) copolymer annular-array, ultrasound transducer | |
CN108303470B (en) | Capacitive annular dynamic focusing air-coupled ultrasonic transducer | |
Yongfen et al. | Phased-ultrasonic receiving-planar array transducer for partial discharge location in transformer | |
RU196373U1 (en) | Phased array electromagnetic acoustic transducer | |
EP2468424A2 (en) | Mono-directional ultrasonic transducer for borehole imaging | |
RU145759U1 (en) | MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER | |
US20060173341A1 (en) | Electromagnetic ultrasound converter | |
Hurmila et al. | Ultrasonic transducers using PVDF | |
CN105004797B (en) | Object detecting method and device based on constant electromagnetic source alternation induction field | |
RU2656134C2 (en) | Electromagnetic-acoustic transducer | |
US20230228717A1 (en) | Method for non-destructively testing objects, in particular planar objects, made of a fibre-reinforced composite material | |
JP3608423B2 (en) | Electromagnetic ultrasonic measurement method and apparatus | |
CN108120766A (en) | The method and device that ultrasonic phase array small angle longitudinal wave detects a flaw to axle body | |
CA2268415A1 (en) | Single element ultrasonic collimating transducers and a method and apparatus utilizing ultrasonic transducers in 3d tomography | |
IE45001B1 (en) | Ultrasound | |
RU216328U1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products | |
RU179409U1 (en) | MULTI-ELEMENT ARC ANTENNA |