本發(fā)明涉及一種電磁超聲換能器，屬于電磁超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無損檢測是在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，采用射線、超聲、紅外和電磁等原理技術(shù)并結(jié)合儀器對材料、零件、設(shè)備進行缺陷、化學(xué)和物理參數(shù)檢測的技術(shù)。無損檢測是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平，其重要性已得到公認。

近年來，超聲層析成像技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)而逐步受到了關(guān)注。與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比，超聲層析成像技術(shù)能夠獲得被檢測樣品的大量直觀信息。這些信息是對物體缺陷進行定性和定量分析的有效依據(jù)。

現(xiàn)有的超聲層析成像方法主要分為電磁超聲層析成像法和壓電超聲層析成像法。相比于壓電超聲層析成像法，電磁超聲層析成像法因無需使用耦合劑而更適合用于高溫、高速和被檢測樣品粗糙等檢測場合。除此之外，壓電超聲層析成像法因耦合劑的使用而易增大走時信息的測量誤差，進而影響后續(xù)的成像質(zhì)量。

電磁超聲層析成像法基于能夠激發(fā)蘭姆波的電磁超聲換能器實現(xiàn)。然而，現(xiàn)有的a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器的模式單一性較差，即易同時激發(fā)a0模態(tài)蘭姆波和s0模態(tài)蘭姆波。除此之外，現(xiàn)有的a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器還存在換能效率低和所激發(fā)蘭姆波強度小的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器的模式單一性差、換能效率低和所激發(fā)蘭姆波強度小的問題，提出了一種全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器。

本發(fā)明所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器用于對各向同性的非鐵磁金屬板材進行超聲層析成像；

所述電磁超聲換能器包括殼體、背板、圓柱形磁鐵、第一空心圓柱形磁鐵～第n空心圓柱形磁鐵和線圈；

圓柱形磁鐵與第一空心圓柱形磁鐵～第n空心圓柱形磁鐵等高，第一空心圓柱形磁鐵～第n空心圓柱形磁鐵的端面均為環(huán)形，所述環(huán)形的環(huán)寬相等且內(nèi)徑依次等差增大；

殼體的一端開口，圓柱形磁鐵與第一空心圓柱形磁鐵～第n空心圓柱形磁鐵均通過背板豎直、同軸且同形心地設(shè)置在殼體的內(nèi)部，圓柱形磁鐵位于第一空心圓柱形磁鐵的內(nèi)部，圓柱形磁鐵遠離背板的一端與殼體的開口端平齊，圓柱形磁鐵與第一空心圓柱形磁鐵極性相反設(shè)置，相鄰的兩個空心圓柱形磁鐵極性相反設(shè)置；

所述線圈包括第一環(huán)形子線圈～第2n+1環(huán)形子線圈，第一環(huán)形子線圈～第2n+1環(huán)形子線圈同形心地設(shè)置在殼體的開口端上，并分別緊密地沿著圓柱形磁鐵的外緣、第一空心圓柱形磁鐵的內(nèi)、外緣至第n空心圓柱形磁鐵的內(nèi)、外緣分布，圓柱形磁鐵與第一環(huán)形子線圈同軸設(shè)置；

第一環(huán)形子線圈～第2n+1環(huán)形子線圈的寬度相等；

分布在同一空心圓柱形磁鐵內(nèi)、外緣的兩個環(huán)形子線圈同向繞制；

分布在相鄰的兩個空心圓柱形磁鐵內(nèi)緣的兩個環(huán)形子線圈反向繞制；

分布在圓柱形磁鐵外緣和第一空心圓柱形磁鐵內(nèi)緣的兩個環(huán)形子線圈反向繞制；

第一環(huán)形子線圈的內(nèi)徑d0＝λ-w，其中，λ為所述電磁超聲換能器激發(fā)的a0模態(tài)蘭姆波的波長，w為環(huán)形子線圈的寬度；

相鄰的兩個環(huán)形子線圈的最小間距d＝0.5λ-w。

所述電磁超聲換能器至少包含一個空心圓柱形磁鐵。

對于第一環(huán)形子線圈～第2n+1環(huán)形子線圈，前者的結(jié)束端依次與后者的起始端相連；

第一環(huán)形子線圈的起始端為電流輸入端，第2n+1環(huán)形子線圈的結(jié)束端為電流輸出端；

或者第2n+1環(huán)形子線圈的結(jié)束端為電流輸入端，第一環(huán)形子線圈的起始端為電流輸出端。

作為優(yōu)選的是，圓柱形磁鐵和第一空心圓柱形磁鐵～第n空心圓柱形磁鐵的材質(zhì)均為釹鐵硼磁鐵。

作為優(yōu)選的是，殼體的材質(zhì)為鋁合金。

作為優(yōu)選的是，圓柱形磁鐵與第一空心圓柱形磁鐵的間隙和相鄰的兩個空心圓柱形磁鐵的間隙設(shè)置有灌封膠，所述線圈通過灌封膠固定設(shè)置在殼體的開口端上。

進一步的是，所述灌封膠為環(huán)氧樹脂。

作為優(yōu)選的是，第一環(huán)形子線圈～第2n+1環(huán)形子線圈均采用0.08mm漆包線繞制，寬度均為2mm。

進一步的是，圓柱形磁鐵的直徑為8mm，高度為12mm，第一空心圓柱形磁鐵的環(huán)形端面的環(huán)寬為3mm，圓柱形磁鐵與第一空心圓柱形磁鐵的最小間距和相鄰的兩個空心圓柱形磁鐵的最小間距均為5mm。

本發(fā)明所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器，第一環(huán)形子線圈～第2n+1環(huán)形子線圈分別緊密地沿著圓柱形磁鐵的外緣、第一空心圓柱形磁鐵的內(nèi)、外緣至第n空心圓柱形磁鐵的內(nèi)、外緣分布。由于圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵邊緣處的水平磁場與垂直磁場比值最大，因此將環(huán)形子線圈設(shè)置在此位置，利用磁鐵邊緣處的水平磁場為線圈提供偏置磁場，激發(fā)垂直力源，增大a0模態(tài)蘭姆波的強度和純度，同時抑制s0模態(tài)蘭姆波的產(chǎn)生，有利于激發(fā)較為純凈的a0模態(tài)蘭姆波，進而提高所述電磁超聲換能器的模式單一性。

本發(fā)明所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器，為了使所激發(fā)的a0模態(tài)蘭姆波發(fā)生相長干涉，將第一環(huán)形子線圈的內(nèi)徑d0設(shè)置為λ-w，將相鄰的兩個環(huán)形子線圈的最小間距d設(shè)置為0.5λ-w。如此設(shè)計，不僅磁鐵激發(fā)的a0模態(tài)蘭姆波會發(fā)生相長干涉，磁鐵邊緣處的線圈激發(fā)的a0模態(tài)蘭姆波也會相互疊加，因此所述電磁超聲換能器的換能效率高，所激發(fā)的蘭姆波強度大。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器進行更詳細的描述，其中：

圖1為實施例所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器的剖面圖；

圖2為實施例提及的線圈繞制示意圖，點表示電流方向垂直向外，叉表示電流方向垂直向內(nèi)，包圍點或叉的矩形為環(huán)形子線圈的截面；

圖3為實施例提及的線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施例提及s0～s3和a0～a3模態(tài)蘭姆波群速度頻散曲線圖；

圖5為實施例提及的組合磁鐵的水平磁場分布圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器作進一步說明。

實施例：下面結(jié)合圖1至圖5詳細地說明本實施例。

本實施例所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器，用于對各向同性的非鐵磁金屬板材進行超聲層析成像，所述非鐵磁金屬板材的厚度為2mm。

所述電磁超聲換能器包括殼體1、背板2、圓柱形磁鐵3、空心圓柱形磁鐵4和線圈；

圓柱形磁鐵3與空心圓柱形磁鐵4等高，空心圓柱形磁鐵4的端面為環(huán)形；

殼體1的一端開口，圓柱形磁鐵3與空心圓柱形磁鐵4均通過背板2豎直、同軸且同形心地設(shè)置在殼體1的內(nèi)部，圓柱形磁鐵3位于空心圓柱形磁鐵4的內(nèi)部，圓柱形磁鐵3遠離背板2的一端與殼體1的開口端平齊，圓柱形磁鐵3與空心圓柱形磁鐵4極性相反設(shè)置；

所述線圈包括第一環(huán)形子線圈5～第三環(huán)形子線圈7，第一環(huán)形子線圈5～第三環(huán)形子線圈7同形心地設(shè)置在殼體1的開口端上，并分別緊密地沿著圓柱形磁鐵3的外緣以及空心圓柱形磁鐵4的內(nèi)、外緣分布，圓柱形磁鐵3與第一環(huán)形子線圈5同軸設(shè)置；

第一環(huán)形子線圈5與第二環(huán)形子線圈6和第三環(huán)形子線圈7反向繞制且寬度相等；

第一環(huán)形子線圈5的內(nèi)徑d0＝λ-w，相鄰的兩個環(huán)形子線圈的最小間距d＝0.5λ-w，其中，λ為所述電磁超聲換能器激發(fā)的a0模態(tài)蘭姆波的波長，w為環(huán)形子線圈的寬度，λ＝8.12mm，w＝2mm；

第一環(huán)形子線圈5～第三環(huán)形子線圈7均采用0.08mm漆包線繞制，圓柱形磁鐵3和空心圓柱形磁鐵4的材質(zhì)均為釹鐵硼磁鐵，殼體1的材質(zhì)為鋁合金；

圓柱形磁鐵3與空心圓柱形磁鐵4的間隙設(shè)置有灌封膠8，所述線圈通過灌封膠8固定設(shè)置在殼體1的開口端上，灌封膠8為環(huán)氧樹脂。

本實施例所述的全向型a0模態(tài)蘭姆波電磁超聲換能器的設(shè)計流程包括以下步驟：

步驟一、選取電磁超聲換能器的工作模式和工作點，并驗證所選工作點下模式超聲的可激發(fā)性。

根據(jù)蘭姆波激發(fā)方程，得到蘭姆波群速度頻散曲線，如圖4所示。本實施例選擇a0模態(tài)蘭姆波群速度對待檢測樣品厚度變化敏感的區(qū)域作為電磁超聲換能器的工作區(qū)域，并在該工作區(qū)域內(nèi)確定工作點。

本實施例選擇的工作區(qū)域為0.3～0.5mhz·mm，工作點初步設(shè)定為0.4mhz·mm。待檢測樣品為2mm厚的非鐵磁金屬板。因此，電磁超聲換能器的工作頻率為200khz，其所激發(fā)的a0模態(tài)蘭姆波的理論波長值約為8.72mm。在待檢測樣品的另一側(cè)分別計算蘭姆波的面內(nèi)、面外位移及其波包傳播速度，并與所選工作點下a0模態(tài)蘭姆波的群速度理論值進行比較，當波包傳播速度與a0模態(tài)蘭姆波的群速度理論值相等時，判定該工作點能夠有效地激發(fā)a0模態(tài)蘭姆波。

步驟二：設(shè)計電磁超聲換能器的磁鐵結(jié)構(gòu)，結(jié)合激發(fā)模式超聲波，選擇組合磁鐵并求解磁場分布。

本實施例選擇全指向型螺旋線圈激發(fā)蘭姆波。全指向型螺旋線圈的指向角適合于對板材進行大范圍檢測和缺陷層析成像。建立全向型電磁超聲換能器的結(jié)構(gòu)場三維有限元模型。在待檢測樣品的一側(cè)施加工作頻率為200khz的點力源，并使點力源的施加角度從0°均勻增大到90°，分別提取a0模態(tài)蘭姆波和s0模態(tài)蘭姆波的面內(nèi)和面外位移，并繪制施加角度與a0模態(tài)蘭姆波和s0模態(tài)蘭姆波的面內(nèi)和面外位移的關(guān)系圖。根據(jù)該關(guān)系圖可知：當點力源的施加角度為90°時，該工作點下a0模態(tài)蘭姆波的位移和純度均達到最大值，同時抑制s0模態(tài)蘭姆波。根據(jù)線圈感生的渦流在磁場中的受力分析可知：磁鐵需提供水平磁場才能產(chǎn)生垂直力源。本實施例采用圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵的組合磁鐵，利用磁場仿真求解該組合磁鐵的磁場分布，并得到其水平磁場分布圖，如圖5所示。根據(jù)該圖可知，圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵的邊緣區(qū)域的水平磁場強度較強，遠離其邊緣區(qū)域后水平磁場強度迅速減弱。由于所選a0模式工作點對應(yīng)波長為8.72mm，考慮到靜磁場的水平分量主要集中在圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵的邊緣。因此，本實施例采用磁鐵邊緣區(qū)域產(chǎn)生的水平磁場為線圈提供偏置磁場。

步驟三、根據(jù)組合磁鐵的磁場分布，設(shè)計與組合磁鐵相匹配的線圈結(jié)構(gòu)。

根據(jù)步驟二、選擇圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵邊緣磁場提供水平偏置磁場，即將線圈布置在磁鐵的邊緣處。本實施例的第一環(huán)形子線圈～第三環(huán)形子線圈分別緊密地沿著圓柱形磁鐵的外緣以及空心圓柱形磁鐵的內(nèi)、外緣分布，圓柱形磁鐵與第一環(huán)形子線圈同軸設(shè)置。

步驟四、初步設(shè)計線圈參數(shù)，保證各個環(huán)形子線圈下方產(chǎn)生超聲有效相長干涉。

為了使各環(huán)形子線圈下方產(chǎn)生的超聲能夠有效形成相長干涉，本實施例的第一環(huán)形子線圈與第二環(huán)形子線圈和第三環(huán)形子線圈反向繞制。第一環(huán)形子線圈的內(nèi)徑d0＝λ-w，相鄰的兩個環(huán)形子線圈的最小間距d＝0.5λ-w。

步驟五、設(shè)計組合磁鐵的參數(shù)，根據(jù)市場上常見磁鐵的規(guī)格參數(shù)，選擇圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵的尺寸。

本實施例的圓柱形磁鐵的直徑為8mm，高度為12mm，空心圓柱形磁鐵的內(nèi)徑為18mm，外徑為24mm。

步驟六、微調(diào)電磁超聲換能器的線圈參數(shù)，根據(jù)磁場水平分量特點微調(diào)各個環(huán)形子線圈的間距和寬度，使線圈與組合磁鐵實現(xiàn)最佳配合。

使用有限元方法求取組合磁鐵的磁場分布，根據(jù)磁場水平分量的特點微調(diào)環(huán)形子線圈的寬度。使得線圈全部分布在磁場水平分量較為集中且垂直分量較為弱的區(qū)域，在保證a0模態(tài)導(dǎo)波強度的同時降低s0模態(tài)導(dǎo)波的強度。微調(diào)后換能器工作點最終選取為0.45mhz·mm，波長λ理論計算值為8.12mm，寬度為2mm。

本實施例采用圓柱形磁鐵和空心圓柱形磁鐵邊沿磁場為線圈提供靜磁場，充分利用磁鐵邊沿水平磁場強度大的特點，提高a0模態(tài)蘭姆波激發(fā)和接收效率。本實施例將環(huán)形子線圈設(shè)置在磁鐵的邊緣處，為使蘭姆波發(fā)生相長干涉能量最強，合理設(shè)計環(huán)形子線圈間距。此外，根據(jù)市面上常見磁鐵尺寸，通過微調(diào)線圈參數(shù)提高換能器性能。通過實驗驗證，本換能器能夠在360度方向上有效激發(fā)和接收a0模態(tài)蘭姆波。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實施例僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設(shè)計出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。