CN103226630A - 电磁超声表面波接收换能器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁超声表面波接收换能器的设计方法。本发明为了解决现有电磁超声表面波接收换能器设计中接收噪声强以及加工复杂的问题。主要步骤：建立各构件的几何模型；设定材料属性；划分物理场求解区域；结构场参数设定；电磁场参数设定；有限元分网及有限元求解；计算不同参数接收线圈中的感应电压信号；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。本实施方式所述电磁超声表面波接收换能器设计方法，实现所述设计方法需要对电磁超声表面波换能器接收过程进行建模求解，对电磁超声表面波接收过程进行完整准确的描述，分析不同电磁超声换能器参数对接收信号强度的影响，从而获得最优的换能器参数组合。

Description

电磁超声表面波接收换能器设计方法

技术领域

本发明涉及一种电磁超声表面波接收换能器的设计方法。

背景技术

电磁超声表面波接收换能器一般采用曲折线圈结构，主要有印刷电路板和骨架两种形式。其中骨架形式换能器采用漆包线绕制而成，比印刷电路板形式换能器接收电磁超声表面波信号效率更高，在电磁超声应用领域得到了广泛应用。但是，目前骨架形式电磁超声表面波接收换能器的设计主要以经验为主。如要采用直径0.19mm的漆包线和尺寸为1mm×1mm骨架槽设计电磁超声表面波接收换能器，一般每层放置5根漆包线并放置5层将槽填满，而且这些漆包线要均匀放置。这样，对换能器的制作工艺要求较高，而且由于导线数目多导致接收到的噪声信号强，接收信号信噪比低。

发明内容

本发明为了解决现有电磁超声表面波接收换能器设计中接收噪声强以及加工复杂的问题，而提出的一种电磁超声表面波接收换能器设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，所述设计方法是基于包括永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、待测金属试件、细化层和空气远场的换能器模型来进行的，所述电磁超声表面波换能器接收线圈为曲折线圈结构，采用漆包线在骨架上绕制而成，用来接收金属试件中的表面超声振动；所述待测金属试件厚度大于倍超声表面波波长；所述细化层位于接收线圈下方金属试件内；

所述设计方法的具体过程为：

步骤一、定义建模所需要的换能器参数，所述参数包括漆包线直径d，骨架中槽的宽度w和高度h，骨架每槽中漆包线绕的单层数目n和层数l；

步骤二、建立包括永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场的几何模型，保证接收线圈和金属试件之间有一定的提离距离；

步骤三、设定材料属性：永磁体设定为磁性材料；电磁超声表面波换能器接收线圈设定为漆包线；金属试件设定为待测金属材料；细化层设定为待测金属材料；空气远场设定为空气；

步骤四、划分物理场求解区域；所述的物理场包括电磁超声换能器接收过程中涉及的两个物理场——结构场和电磁场；所述的结构场求解区域包括金属试件和细化层；所述的电磁场求解区域包括永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场；

步骤五、结构场参数设定；所述金属试件和细化层的边界为自由边界；所述金属试件和细化层的初始位移和初始速度均为0；在所述金属试件的上表面的P处施加高斯分布载荷力信号；载荷力在金属试件中激发出表面波；

步骤六、电磁场参数设定；所述永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场初始磁矢位为0；所述永磁体垂直方向充磁；所述细化层为结构场和电磁场耦合区域，即结构场的表面波振动切割磁力线在接收线圈中感应出电压信号；

步骤七、有限元分网：所述永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场采用四面体单元进行分网；所述细化层分网时进行网格细化，增加模型计算精度；

步骤八、有限元求解：所述结构场和电磁场采用有限元方法求解，计算金属试件表面载荷力在接收线圈中引起的感应电压信号；

步骤九、改变接收线圈参数，主要参数包括漆包线直径d，骨架中槽的宽度w和高度h，骨架每槽中漆包线绕的单层数目n和层数l，重复步骤二至步骤八，从而获得不同参数接收线圈中的感应电压信号；

步骤十、利用步骤九获得的离散数据，拟合出各不同参数的接收线圈与对应的电磁超声表面波换能器接收电压信号的关系曲线，根据需要利用所述关系曲线对电磁超声表面波接收换能器进行设计；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述电磁超声表面波接收换能器设计方法将电磁超声换能器接收表面波过程准确完整的描述出来，而且可以灵活地改变接收线圈2参数，分析接收线圈2主要参数与电磁超声表面波接收换能器感应电压的关系；克服了现有电磁超声表面波接收换能器设计方法存在的经验设计、加工复杂以及接收信号信噪比低的缺陷。本发明提出的电磁超声表面波接收换能器设计方法具有操作简单，以及易于分析电磁超声表面波接收换能器参数对接收电压信号影响的特点。本发明可广泛用于任何金属表面波检测的电磁超声表面波接收换能器设计。

附图说明

图1为实现本申请所述设计方法的模型示意图；图2为接收线圈2的结构示意图；图3为P点施加的高斯分布载荷力信号示意图；图4为具体实施方式二中参数分析阶段接收线圈2接收到的感应电压信号；图5为具体实施方式二中参数分析阶段漆包线2-1直径d对接收感应电压的影响。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述电磁超声表面波接收换能器设计方法，实现所述设计方法需要对电磁超声表面波换能器接收过程进行建模求解，对电磁超声表面波接收过程进行完整准确的描述，分析不同电磁超声换能器参数对接收信号强度的影响，从而获得最优的换能器参数组合；所述模型主要包括永磁体1、电磁超声表面波换能器接收线圈2、待测金属试件3、细化层4和空气远场5；所述电磁超声表面波换能器接收线圈2为曲折线圈结构，采用漆包线2-1在骨架2-2上绕制而成，用来接收金属试件3中的表面超声振动；所述待测金属试件3厚度大于4倍超声表面波波长；所述细化层4位于接收线圈2下方金属试件3内；

所述电磁超声表面波接收换能器设计过程由如下步骤完成：

步骤一：定义建模所需要的换能器参数，主要参数包括漆包线2-1直径d，骨架2-2中槽的宽度w和高度h，骨架2-2每槽中漆包线2-1绕的单层数目n和层数l；

步骤二：建立包括永磁体1、电磁超声表面波换能器接收线圈2、金属试件3、细化层4和空气远场5的几何模型，保证接收线圈2和金属试件3之间有一定的提离距离；

步骤三：设定材料属性；永磁体1设定为磁性材料；电磁超声表面波换能器接收线圈2设定为漆包线；金属试件3设定为待测金属材料；细化层4设定为待测金属材料；空气远场5设定为空气；

步骤四：划分物理场求解区域；所述的物理场包括电磁超声换能器接收过程中涉及的两个物理场——结构场和电磁场；所述的结构场求解区域包括金属试件3和细化层4；所述的电磁场求解区域包括永磁体1、电磁超声表面波换能器接收线圈2、金属试件3、细化层4和空气远场5；

步骤五、结构场参数设定；所述金属试件3和细化层4的边界为自由边界；所述金属试件3和细化层4的初始位移和初始速度均为0；在所述金属试件3的上表面的P处施加高斯分布载荷力信号；载荷力在金属试件3中激发出表面波；

步骤六、电磁场参数设定；所述永磁体1、电磁超声表面波换能器接收线圈2、金属试件3、细化层4和空气远场5初始磁矢位为0；所述永磁体1垂直方向充磁；所述细化层4为结构场和电磁场耦合区域，即结构场的表面波振动切割磁力线在接收线圈2中感应出电压信号；

步骤七、有限元分网：所述永磁体1、电磁超声表面波换能器接收线圈2、金属试件3、细化层4和空气远场5采用四面体单元进行分网；所述细化层4分网时进行网格细化，增加模型计算精度；

步骤八、有限元求解：所述结构场和电磁场采用有限元方法求解，计算金属试件3表面载荷力在接收线圈2中引起的感应电压信号；

步骤九、改变接收线圈2参数，主要参数包括漆包线2-1直径d，骨架2-2中槽的宽度w和高度h，骨架2-2每槽中漆包线2-1绕的单层数目n和层数l，重复步骤二至步骤八，从而获得不同参数接收线圈2中的感应电压信号；

步骤十、利用步骤九获得的离散数据，拟合出各不同参数的接收线圈2与对应的电磁超声表面波换能器接收电压信号的关系曲线，根据需要利用所述关系曲线对电磁超声表面波接收换能器进行设计；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，所述待测金属试件3厚度大于4倍超声表面波波长且小于10倍超声表面波波长。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，在步骤二中，所述一定的提离距离为0.1mm～2mm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，所述金属试件3的上表面的P处是指距接收线圈100mm～500mm位置处。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。

实施例：结合图1至图5说明本实施例，本实施例为采用具体实施方式一所述电磁超声表面波接收换能器的设计方法的具体实施例；

金属试件3采用厚度约为30mm的铝板，永磁体1采用钕铁硼材料，与电磁超声表面波接收换能器接收线圈2的距离为1mm，接收线圈2距离金属试件3的距离为0.5mm，接收线圈2中漆包线2-1直径d为0.19mm，骨架2-2中槽的宽度w为1mm，高度h为1mm，槽数目为6，槽间距为3mm，骨架2-2每槽中漆包线2-1绕的单层数目n为5，层数l为1，P点高斯分布载荷力幅值为10N，频率为500Hz，脉冲宽度为9μs，P点距离接收线圈2的距离为300mm。本申请所述设计方法通过步骤一至步骤九可以获得接收线圈2中的感应电压信号，如图4所示。改变接收线圈2中漆包线2-1的直径d，通过步骤一至步骤十一获得漆包线2-1直径与接收线圈2感应电压之间的关系，如图5所示。从图5中可以得知漆包线2-1直径越小，感应电压幅值越大，所以电磁超声表面波接收换能器接收线圈2应采用细的漆包线绕指。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，所述设计方法是基于包括永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、待测金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)的换能器模型来进行的，所述电磁超声表面波换能器接收线圈(2)为曲折线圈结构，采用漆包线(2-1)在骨架(2-2)上绕制而成，用来接收金属试件(3)中的表面超声振动；所述待测金属试件(3)厚度大于(4)倍超声表面波波长；所述细化层(4)位于接收线圈(2)下方金属试件(3)内；

其特征在于：所述设计方法的具体过程为：

步骤一、定义建模所需要的换能器参数，所述参数包括漆包线(2-1)直径d，骨架(2-2)中槽的宽度w和高度h，骨架(2-2)每槽中漆包线(2-1)绕的单层数目n和层数l；

步骤二、建立包括永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)的几何模型，保证接收线圈(2)和金属试件(3)之间有一定的提离距离；

步骤三、设定材料属性：永磁体(1)设定为磁性材料；电磁超声表面波换能器接收线圈(2)设定为漆包线；金属试件(3)设定为待测金属材料；细化层(4)设定为待测金属材料；空气远场(5)设定为空气；

步骤四、划分物理场求解区域；所述的物理场包括电磁超声换能器接收过程中涉及的两个物理场——结构场和电磁场；所述的结构场求解区域包括金属试件(3)和细化层(4)；所述的电磁场求解区域包括永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)；

步骤五、结构场参数设定；所述金属试件(3)和细化层(4)的边界为自由边界；所述金属试件(3)和细化层(4)的初始位移和初始速度均为0；在所述金属试件(3)的上表面的P处施加高斯分布载荷力信号；载荷力在金属试件(3)中激发出表面波；

步骤六、电磁场参数设定；所述永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)初始磁矢位为0；所述永磁体(1)垂直方向充磁；所述细化层(4)为结构场和电磁场耦合区域，即结构场的表面波振动切割磁力线在接收线圈(2)中感应出电压信号；

步骤七、有限元分网：所述永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)采用四面体单元进行分网；所述细化层(4)分网时进行网格细化，增加模型计算精度；

步骤八、有限元求解：所述结构场和电磁场采用有限元方法求解，计算金属试件(3)表面载荷力在接收线圈(2)中引起的感应电压信号；

步骤九、改变接收线圈(2)参数，主要参数包括漆包线(2-1)直径d，骨架(2-2)中槽的宽度w和高度h，骨架(2-2)每槽中漆包线(2-1)绕的单层数目n和层数l，重复步骤二至步骤八，从而获得不同参数接收线圈(2)中的感应电压信号；

步骤十、利用步骤九获得的离散数据，拟合出各不同参数的接收线圈(2)与对应的电磁超声表面波换能器接收电压信号的关系曲线，根据需要利用所述关系曲线对电磁超声表面波接收换能器进行设计；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。

2.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，其特征在于：所述待测金属试件(3)厚度大于4倍超声表面波波长且小于10倍超声表面波波长。

3.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，其特征在于：在步骤二中，所述一定的提离距离为0.1mm～2mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，其特征在于：所述金属试件(3)的上表面的P处是指距接收线圈100mm～500mm位置处。

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