CN206373043U - 一种提高电磁超声信号强度的换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种提高电磁超声信号强度的换能器，换能器包括上导轨，上丝杠，线圈，上磁铁，上固定座，上滑块，待测试件，下导轨，下丝杠，下磁铁，下固定座以及下滑块，通过两块磁铁的磁场叠加，待测试件内部的磁场强度通过矢量相加后在垂直于待测试件的方向磁场强度得到增强。因此在待测试件内激发超声波的洛伦兹力强度得到提高，使得发射的超声波信号强度提高。本实用新型换能器可以满足铝板等非铁磁性金属板材的在线非接触自动化扫描检测。
Description
技术领域：
本实用新型涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种提高电磁超声信号强度的换能器。
背景技术：
电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)是一种激发和接收超声波的装置。该装置无需声耦合剂，结构简单，可以方便地激发多种模式的超声波，可实现非接触测量，因此广受研究者关注。在金属导体中激发电磁超声，通常有两种方法，一种是基于洛伦兹力机理，一种是基于磁致伸缩机理。基于洛伦兹力的电磁超声换能器通常用于非铁磁性导电材料的检测，通常由磁铁，线圈和检测试件组成，线圈设置在待检测试件上，磁铁设置在线圈上面。检测时，在发射线圈中施加猝发激励信号，线圈在被测试件上感应出与激励信号同频率的电涡流，电涡流在磁铁的静态偏置磁场作用下在待测试件中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件中产生超声波，超声波接收的过程就是超声波激发过程的逆过程。
根据洛伦兹力的计算公式：F＝J×B，
其中J为电涡流密度，B为偏置磁场强度。由洛伦兹力的计算公式可知，要提高信号强度，只能提高激励电流或者提高偏置磁场的强度，然而受限于功率放大器的功率及线圈所能承受的电流等因素，不可能无限的增加激励电流，当线圈参数、激励电流、线圈和磁铁的提离高度一定时，在线圈中施加激励信号后在铝板中产生的电涡流J是一定的。而当J一定时，要想提高信号强度，只有提高静态偏置磁场的磁感应强度B，然而当磁化强度达到一定的值的时候，想再提高其磁感应强度在成本和技术难度上都是很高的，同时磁铁存在磁饱和的问题，所以单靠增加磁感应强度也存在着局限性。目前提高超声信号强度通常都通过降低提离高度，增加线圈匝数的办法来实现，但是效果并不是很明显。由于电磁超声换能器存在换能效率比较低、激发出的超声信号微弱导致接收到 的信号的信噪比较低、信号强度弱导致传输距离有限等问题，给大范围、长距离检测带来困难。因此，有必要提高电磁超声换能器的信号强度，增加检测灵敏度和超声信号的信噪比，使电磁超声检测技术得到更加广泛的应用。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于提供一种提高电磁超声信号强度的换能器，通过改进换能器结构、利用磁场的叠加特性，采用双磁铁来增强偏置磁场强度，实现在非铁磁性金属材料检测时获得更高的信号强度和信噪比、提高换能器的测量灵敏度、增大检测范围的目的。
本实用新型采用如下技术方案：一种提高电磁超声信号强度的换能器，包括上导轨，上丝杠，线圈，上磁铁，上固定座，上滑块，待测试件，下导轨，下丝杠，下磁铁，下固定座以及下滑块，所述线圈设置于待测试件上方且与待测试件不相接触，上磁铁设置于线圈上方，线圈与上磁铁安装在上固定座上，上固定座与上滑块连接，上滑块与上丝杠采用螺旋传动，上滑块安装在上导轨上，所述上丝杠转动推动上滑块沿上导轨做直线运动，上滑块带动上磁铁和线圈一起沿着上导轨移动，所述下磁铁设置于待测试件下方且与待测试件不相接触，下磁铁安装在下固定座上，下固定座与下滑块连接，下滑块设置在下丝杠和下导轨上，所述下丝杠转动时，下滑块带动下磁铁沿着下导轨移动，所述上导轨与下导轨平行安装，所述待测试件上方的上磁铁与待测试件下方的下磁铁在垂直方向上投影重合，保持上磁铁与下磁铁相互平行，所述上磁铁和下磁铁形成的磁场与待测试件垂直。
进一步地，所述上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致。
进一步地，所述线圈与待测试件之间的间距为0.5-1.5mm，所述下磁铁与待测试件之间的间距为0.5-2mm。
本实用新型还采用如下技术方案：一种提高电磁超声信号强度的方法，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致，偏置磁场方向垂直于待测试件，上磁铁与下磁铁的偏置磁场穿过待测试件形成闭合回路，磁场在待测试件内部进行矢量叠加后，在垂直于待测试件的方向上的磁场强度得到增强；
步骤二：在线圈中施加猝发激励信号，线圈在待测试件上感应出电涡流，电涡流与上磁铁、下磁铁的静态磁场在待测试件中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下在待测试件中产生超声波；
步骤三：控制待测试件上侧的上滑块与下侧的下滑块分别由往同一方向同步运动，即可在待测试件不同的位置发射超声波进行扫描检测，将上丝杠与下丝杠以相同的速度同向转动，保证上滑块和下滑块以相同的速度做同方向的直线运动，以保持上磁铁与下磁铁在检测过程中在待测试件上的投影保持重合。
本实用新型具有如下有益效果：通过两块磁铁的磁场叠加，待测试件内部的磁场强度通过矢量相加后在垂直于待测试件的方向磁场强度得到增强。因此在待测试件内激发超声波的洛伦兹力强度得到提高，使得发射的超声波信号强度提高。本实用新型换能器可以满足铝板等非铁磁性金属板材的在线非接触自动化扫描检测。
附图说明：
图1为本实用新型提高电磁超声信号强度的换能器的总体结构图。
图2为单个磁铁的磁场分布图。
图3为本实用新型的磁场分布图。
图4为通常采用的单个磁铁的换能器激发的波形图。
图5为本实用新型换能器激发的波形图。
具体实施方式：
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型提高电磁超声信号强度的换能器包括上导轨1，上丝杠2，线圈3，上磁铁4，上固定座5，上滑块6，待测试件7，下导轨8，下丝杠9，下磁铁10，下固定座11以及下滑块12。线圈3设置于待测试件7上方且与待测试件7不相接触，上磁铁4设置于线圈3上方，线圈3与上磁铁4安装在上固定座5上，上固定座5与上滑块6连接，上滑块6与上丝杠2采用螺旋传动，上滑块6安装在上导轨1上，上 丝杠2转动推动上滑块6沿上导轨1做直线运动，上滑块6带动上磁铁4和线圈3一起沿着上导轨1移动。下磁铁10设置于待测试件7下方且与待测试件7不相接触，下磁铁10安装在下固定座11上，下固定座11与下滑块12连接，下滑块12设置在下丝杠9和下导轨8上，当下丝杠9转动时，下滑块12带动下磁铁10沿着下导轨8移动。上导轨1与下导轨8平行安装。在检测之前，调整上滑块6和下滑块12的位置，将待测试件7上方的上磁铁4与待测试件7下方的下磁铁10调整到同一垂直线上，保持待测试件7上方的上磁铁4与待测试件7下方的下磁铁10相互平行，且上磁铁4和下磁铁10形成的磁场与待测试件7垂直。
检测时，在线圈3中施加猝发激励信号，线圈3在待测试件7上感应出电涡流，电涡流与上磁铁4、下磁铁10的静态磁场在待测试件7中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下在待测试件7中产生超声波；通过控制待测试件7上侧的上滑块6与下侧的下滑块12分别由往同一方向同步运动，即可在待测试件7不同的位置发射超声波进行扫描检测。为了保持上磁铁4与下磁铁10在检测过程中在待测试件7上的投影保持重合，需要上丝杠2与下丝杠9以相同的速度同向转动，保证上滑块6和下滑块12以相同的速度做同方向的直线运动。
上磁铁4和下磁铁10在安装时，上磁铁4和下磁铁10在垂直方向上投影重合，安装的极化方向一致。也即如果上磁铁4的N极在上S极在下，则下磁铁10也是N极在上S极在下。图2示出了单个磁铁时，磁场在待测试件与磁铁中的分布情况，图3为本实用新型所采用的双磁铁结构时磁力线在待测试件与磁铁中的分布情况，从图2与图3可以看出，磁力线从下磁铁N极出发，穿过待测试件进入上磁铁的S极，然后又从上磁铁的N极回到下磁铁的S极，形成闭合回路。
因此，上磁铁4与下磁铁10的磁场在上磁铁4与下磁铁10之间进行叠加，在上磁铁4与下磁铁10之间形成垂直于待测试件7的磁场线，于是垂直于待测试件7方向的磁场强度B变大了，根据洛伦兹力的计算公式F＝J×B知洛伦兹力变大了，因此在线圈中通以交变的激励电流以后，激发出来的超声幅值也提高了。反过来，如果上磁铁的S极在上，N极在下，则下磁铁也是S极在上，N极在下，激发出来的超声信号也一样，但是相位相反。
上磁铁4与线圈3在安装时与待测试件7之间需要有足够的提离间距，以保证在移动过程中不会与待测试件7接触，避免线圈3和上磁铁4与待测试件7板面产生摩擦，造成线圈3漏电、损伤线圈3或者损伤待测试件7，影响检测效果，通常线圈3与待测试件7之间的间距为0.5-1.5mm最佳。下磁铁10与待测试件7之间的间距为0.5-2mm最佳。
图4为采用的单个磁铁的换能器激发的波形图，线圈与待测试件之间的提离间距为1mm，没有安装下磁铁时换能器激发出的位移波形图。图5为采用本实用新型实施例后，也就是在产生图4波形的换能器基础上，在待测试件下方安装有下磁铁，下磁铁与待测试件之间距离为1mm时换能器激发出的位移波形图。对比图4与图5的信号波形，采用本实用新型的结构后，在保持其他条件不变的情况下，通过增加下磁铁，所激发出的超声幅值比单个磁铁时的超声信号的强度得到了大幅提高，表明本实用新型设计的换能器具有激励效率和接收灵敏度高，信噪比好的优点。
本实用新型提高电磁超声信号强度的换能器，一方面，本实用新型提供一种能够提高基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器的信号强度的方法，该方法是基于磁场的叠加原理，通过在非铁磁性待测试件的另一侧增加一块磁铁，两块磁铁放置的极化方向相同，偏置磁场方向垂直于待测试件的板面，两块磁铁的偏置磁场穿过待测试件形成闭合回路，在待测试件内部叠加，垂直于待测试件方向的磁场强度得到增强。根据公式：F＝J×B可知，在激励电流、磁铁磁场强度、线圈的提离高度等条件不变的情况下，与电涡流J垂直的方向磁场强度增加，将使得待测试件内的洛伦兹力增加，因此产生的超声波强度得到提高。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.一种提高电磁超声信号强度的换能器，其特征在于：包括上导轨(1)，上丝杠(2)，线圈(3)，上磁铁(4)，上固定座(5)，上滑块(6)，待测试件(7)，下导轨(8)，下丝杠(9)，下磁铁(10)，下固定座(11)以及下滑块(12)，所述线圈(3)设置于待测试件(7)上方且与待测试件(7)不相接触，上磁铁(4)设置于线圈(3)上方，线圈(3)与上磁铁(4)安装在上固定座(5)上，上固定座(5)与上滑块(6)连接，上滑块(6)与上丝杠(2)采用螺旋传动，上滑块(6)安装在上导轨(1)上，所述上丝杠(2)转动推动上滑块(6)沿上导轨(1)做直线运动，上滑块(6)带动上磁铁(4)和线圈(3)一起沿着上导轨(1)移动，所述下磁铁(10)设置于待测试件(7)下方且与待测试件(7)不相接触，下磁铁(10)安装在下固定座(11)上，下固定座(11)与下滑块(12)连接，下滑块(12)设置在下丝杠(9)和下导轨(8)上，所述下丝杠(9)转动时，下滑块(12)带动下磁铁(10)沿着下导轨(8)移动，所述上导轨(1)与下导轨(8)平行安装，所述待测试件(7)上方的上磁铁(4)与待测试件(7)下方的下磁铁(10)在垂直方向上投影重合，保持上磁铁(4)与下磁铁(10)相互平行，所述上磁铁(4)和下磁铁(10)形成的磁场与待测试件(7)垂直。
2.如权利要求1所述的提高电磁超声信号强度的换能器，其特征在于：所述上磁铁(4)与下磁铁(10)安装的极化方向一致。
3.如权利要求1所述的提高电磁超声信号强度的换能器，其特征在于：所述线圈(3)与待测试件(7)之间的间距为0.5-1.5mm，所述下磁铁(10)与待测试件(7)之间的间距为0.5-2mm。
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| CN201621458292.4U CN206373043U (zh) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | 一种提高电磁超声信号强度的换能器 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106513290A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-03-22 | 南京航空航天大学 | 一种提高电磁超声信号强度的换能器及方法 |
| CN114666705A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-06-24 | 山东省科学院激光研究所 | 一种基于换能器的保持声场指向性的方法 |
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2016
- 2016-12-28 CN CN201621458292.4U patent/CN206373043U/zh active Active
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| CN114666705A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-06-24 | 山东省科学院激光研究所 | 一种基于换能器的保持声场指向性的方法 |
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