CN104122336B - 一种电磁超声表面波换能器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁超声表面波换能器及其设计方法,属于电磁超声技术领域。本发明是为了解决现有电磁超声表面波换能器换能效率较低的问题。本发明中的电磁超声表面波换能器通过改变磁铁尺寸和线圈结构,充分利用磁场中磁感应强度较大、水平分量较多的区域,提高换能器的工作效率,增大激发出表面波的信号幅度。有着完整的设计思路,无需通过多次尝试确定换能器中磁铁参数;通过使用曲折线圈新结构,进一步提升换能器效率和表面波信号幅度。本发明可广泛用于使用超声表面波进行检测的电磁超声装置。
Description
技术领域
本发明属于电磁超声技术领域,尤其涉及一种电磁超声换能器。
背景技术
电磁超声技术是利用电磁超声换能器在板材内激发超声波进行无损检测的技术。电磁超声技术使用条件简单且过程环保,因而成为铝合金板材无损检测技术的研究热点。电磁超声技术中换能器的性能直接决定了无损检测的效果。以往的电磁超声表面波换能器常采用宽度大于线圈宽度的磁铁和各匝导线均匀分布的线圈,且磁铁和线圈没有一套完整的设计方法,导致换能效率较低。申请号为201310169063.5的《一种单向发射电磁超声表面波换能器及采用该换能器检测金属表面缺陷的方法》中主要针对换能器的指向性进行改良,而没有涉及磁铁尺寸的设计原则。在Enhancement of signal amplitude of surfacewave EMATs based on 3-D simulation analysis and orthogonal test method(NDT&EInternational,2013,(59):11-17)中虽然涉及到磁铁宽度的设计原则,但研究范围仅限于磁铁宽度大于线圈宽度且线圈各匝导线均匀分布的情况,未考虑磁铁宽度小于线圈时,磁铁边缘的水平磁场也可有效激发电磁超声表面波以及线圈各匝导线不均匀分布时的情况。而过宽的磁铁和均匀分布的线圈会使得电磁超声表面波换能器的换能效率不能达到最优。
发明内容
本发明是为了解决现有电磁超声表面波换能器换能效率较低的问题,现提供一种电磁超声表面波换能器及其设计方法。
一种电磁超声表面波换能器,它包括:磁铁、曲折线圈和铜箔;
所述曲折线圈包括:导线和骨架,曲折线圈的匝数为n,其中n=5,6,7;
所述骨架为左右对称结构,沿骨架的一侧排布有2n个导线槽,每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线,以两个相邻的导线槽为一级,n个导线槽中的导线数量从曲折线圈的两端向骨架的中心方向逐级递减;
磁铁、曲折线圈和铜箔的长度均相等,曲折线圈和铜箔的宽度相等,磁铁的宽度小于曲折线圈的宽度,且满足:
(w1/w2)=-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694;
其中,h=t1/λ,t1为磁铁的厚度,λ为磁铁激发的表面波的波长,w1为磁铁的宽度,w2为曲折线圈的宽度;
磁铁、铜箔和曲折线圈依次重叠固定。
一种电磁超声表面波换能器的设计方法,该方法是基于一种电磁超声表面波换能器的模型实现的,该模型包括:磁铁、曲折线圈和铜箔;
所述曲折线圈包括:导线和骨架,曲折线圈的匝数为n,其中n=5,6,7;
所述骨架为左右对称结构,沿骨架的一侧排布有2n个导线槽,每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线;
磁铁、铜箔和曲折线圈依次重叠固定;
所述方法包括以下步骤:
步骤一:根据实际测量需求和工程应用限制条件确定待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁的厚度t1,所述磁铁的厚度t1为:在工程应用限制条件下,磁铁所允许的最大厚度;
步骤二:利用待设计换能器的工作频率f和待测试件的表面波波速c,计算得出激发表面波波长λ,然后根据该激发表面波波长λ确定曲折线圈的宽度w2;
步骤三:利用磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ,获得磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h;
步骤四:以磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的比例为纵坐标,磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为横坐标,分别在500kHz、750kHz和1MHz的频率下,改变磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的比例进行仿真,获得三种频率下三条磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的最佳比例和磁铁的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线;
步骤五:将步骤四获得的三种频率下三条磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的最佳比例和磁铁(1)的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线进行拟合,获得一条最佳比例经验曲线;所述最佳比例经验曲线的表达式为:
(w1/w2)=-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694,
利用磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h,在最佳比例经验曲线上找到比例关系h的对应点,根据该对应点获得磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的最佳比例关系w1/w2,然后利用曲折线圈的宽度w2获得磁铁的宽度w1;
步骤六:依据上述待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁(1)的厚度t1、曲折线圈(2)的宽度w2、磁铁(1)的宽度w1和换能器结构,组装换能器,保证曲折线圈12个导线槽中均设有1根导线,依次单独激发每个导线槽中的导线,得出每个导线槽中的导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像;
根据该图像表示出的各导线槽中的导线表面波的激发效率和导线槽中导线的平均数设置各导线槽中的导线数目,获得一种电磁超声表面波换能器。
本发明中的电磁超声表面波换能器通过改变磁铁尺寸和线圈结构,充分利用磁场中磁感应强度较大、水平分量较多的区域,提高换能器的工作效率,增大激发出表面波的信号幅度。
本发明中的电磁超声表面波换能器与传统的电磁超声表面波换能器相比,在相同发射信号下,换能效率更高,激发表面波的信号幅度更大。有着完整的设计思路,无需通过多次尝试确定换能器中磁铁参数;通过使用曲折线圈新结构,进一步提升换能器效率和表面波信号幅度。
本发明可广泛用于使用超声表面波进行检测的电磁超声装置。
附图说明
图1为本发明所述一种电磁超声表面波换能器的结构示意图;
图2为工作频率为500kHz的电磁超声表面波换能器在各不同磁铁厚度下磁铁与线圈宽度比和面外振幅拟合曲线图;其中,曲线A表示磁铁厚度为29.3mm,曲线B表示磁铁厚度为23.44mm,曲线C表示磁铁厚度为17.58mm,曲线D表示磁铁厚度为11.72mm;
图3为工作频率为500kHz的电磁超声表面波换能器在水平和竖直方向的磁场下,表面波的幅度与传播距离的图像,其中,实线表示垂直磁场,虚线表示水平磁场;
图4为500kHz、750kHz和1MHz频率下磁铁与曲折线圈宽度最佳比例和磁铁厚度与波长的比例的经验曲线图;
图5为磁铁与曲折线圈宽度最佳比例和磁铁厚度与波长的比例经验曲线图;
图6为包含有12个导线槽,且每个导线槽中均为1根导线的曲折线圈,各导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像,其中No.1~No12分别表示12个导线槽中导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像。
具体实施方式
具体实施方式一:参照图1具体说明本实施方式,本实施方式所述的一种电磁超声表面波换能器,它包括:磁铁1、曲折线圈2和铜箔3;
所述曲折线圈2包括:导线2-1和骨架2-2,曲折线圈2的匝数为n,其中n=5,6,7;
所述骨架2-2为左右对称结构,沿骨架2-2的一侧排布有2n个导线槽,每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线2-1,以两个相邻的导线槽为一级,n个导线槽中的导线数量从曲折线圈2的两端向骨架2-2的中心方向逐级递减;
磁铁1、曲折线圈2和铜箔3的长度均相等,曲折线圈2和铜箔3的宽度相等,磁铁1的宽度小于曲折线圈2的宽度,且满足:
(w1/w2)=-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694;
其中,h=t1/λ,t1为磁铁1的厚度,λ为磁铁1激发的表面波的波长,w1为磁铁1的宽度,w2为曲折线圈2的宽度;
磁铁1、铜箔3和曲折线圈2依次重叠固定。
本实施方式所述的一种电磁超声表面波换能器,在保证换能器整体阻抗基本不变的前提下,对导线2-1的分布进行合理配置。其适用范围为:工作频率在400kHz至1MHz之间,发射信号周波数为1~8个,曲折线圈2的匝数为5、6或7匝,分别对应10、12、14个导线槽,曲折线圈2与检测板材之间的提离距离小于0.2mm,磁铁1的厚度在2~5倍表面波波长λ之间。铜箔能够屏蔽磁铁中产生的超声波。
本实施方式中,在曲折线圈2的厚度为1mm的情况下,即磁铁提离近似为1mm的情况下,所述换能器与目前实际应用较多的磁铁宽度为线圈宽度的1.2倍左右、线圈导线均匀分布的电磁超声表面波换能器相比,本申请所述换能器的磁铁1的宽度小于曲折线圈2的宽度,不仅节约成本、减轻了换能器重量,而且在相同输入功率、相同磁铁体积条件下,充分利用磁场中磁感应强度较大、水平分量较多的区域,提高换能器的工作效率,增大激发出表面波的信号幅度,使电磁超声表面波换能器所激发的表面波信号幅度提高1.5倍。若采用“收发一体”工作模式,即发射换能器和接收换能器为同一个换能器,则表面波信号幅度可达到常用电磁超声表面波换能器的2倍以上。
具体实施方式二:本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声表面波换能器作进一步说明,本实施方式中,所述导线2-1为漆包线导线。
具体实施方式三:本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声表面波换能器作进一步说明,本实施方式中,所述铜箔3的厚度为0.1mm。
具体实施方式四:本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声表面波换能器作进一步说明,本实施方式中,所述磁铁1为N52型钕铁硼永磁体。
具体实施方式五:本实施方式所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法,该方法是基于一种电磁超声表面波换能器的模型实现的,该模型包括:磁铁1、曲折线圈2和铜箔3;
所述曲折线圈2包括:导线2-1和骨架2-2,曲折线圈2的匝数为n,其中n=5,6,7;
所述骨架2-2为左右对称结构,沿骨架2-2的一侧排布有2n个导线槽,每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线2-1;
磁铁1、铜箔3和曲折线圈2依次重叠固定;
所述包括以下步骤:
步骤一:根据实际测量需求和工程应用限制条件确定待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁1的厚度t1,所述磁铁1的厚度t1为:在工程应用限制条件下,磁铁1所允许的最大厚度;
步骤二:利用待设计换能器的工作频率f和待测试件的表面波波速c,计算得出激发表面波波长λ,然后根据该激发表面波波长λ确定曲折线圈2的宽度w2;
步骤三:利用磁铁1的厚度t1和激发表面波波长λ,获得磁铁1的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h;
步骤四:以磁铁1的宽度w1与曲折线圈2的宽度w2的比例为纵坐标,磁铁1的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为横坐标,分别在500kHz、750kHz和1MHz的频率下,改变磁铁1的宽度w1与曲折线圈2的宽度w2的比例进行仿真,获得三种频率下三条磁铁1的宽度w1与曲折线圈2的宽度w2的最佳比例和磁铁1的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线;
步骤五:将步骤四获得的三种频率下三条磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的最佳比例和磁铁(1)的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线进行拟合,获得一条最佳比例经验曲线;
利用磁铁1的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h,在最佳比例经验曲线上找到比例关系h的对应点,根据该对应点获得磁铁1的宽度w1与曲折线圈2的宽度w2的最佳比例关系w1/w2,然后利用曲折线圈2的宽度w2获得磁铁1的宽度w1;
步骤六:依据上述参数和换能器结构,组装换能器,保证曲折线圈12个导线槽中均设有1根导线,依次单独激发每个导线槽中的导线,得出每个导线槽中的导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像;
根据该图像表示出的各导线槽中的导线表面波的激发效率和导线槽中导线的平均数设置各导线槽中的导线数目,获得一种电磁超声表面波换能器。
本实施方式步骤一中,磁铁1的厚度t1在工程应用限制条件下,由具体仿真和实验数据绘制的各厚度下磁铁宽度与面外振幅拟合曲线图,即图2,得出:磁铁1的厚度t1取值越大,则激发的表面波幅值越大。以检测40mm厚铝合金板材表面缺陷为例,选取换能器工作频率f=500kHz,在工程应用限制条件下,磁铁应该尽量选取允许的最大厚度,假设工程条件限制磁铁厚度t1最大值为20mm,则t1选取20mm。
步骤四中,假设工作频率f=500kHz,发射电流峰峰值工作频率I=100A,脉冲为6个周波,曲折线圈2与检测板材之间的提离距离d=0.1mm,导线宽度w=0.5mm,导线厚度tc=0.035mm,线圈匝数为6匝,磁铁厚度t1=20mm,周期T0=2μs;线圈宽度为5.5λ,分别在500kHz、750kHz和1MHz的频率下进行仿真和实验研究,得出3种不同频率下三条磁铁1的宽度w1与曲折线圈2的宽度w2的最佳比例和磁铁1的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线,如图4所示。
通过图3可以发现,水平磁场比垂直磁场更能有效地激发表面波,因此当磁铁宽度小于线圈时,处于线圈边缘处的导线中产生的涡流会处于水平磁场较强的区域内,激发的表面波幅度也会更大。
步骤五中,在得出上述三条曲线之后,以50kHz为步长,对400kHz~1MHz的各种频率进行了仿真,发现对应比例误差均在2.25%以内,因此能够将400kHz~1MHz下的曲线拟合,近似的看成一条曲线,获得一条最佳比例经验曲线,如图5所示。
假设磁铁厚度与波长的比例关系h=3.41,将该比例关系代入磁铁与曲折线圈宽度最佳比例经验曲线中,可得:磁铁与曲折线圈宽度最佳比例w1/w2=0.85,若曲折线圈宽度w2=32.23mm,则计算得磁铁最佳宽度w1=27.40mm。
步骤六中,在上述步骤完成并得出最佳参数后,在最佳参数的条件下,依次单独激发从的12个导线槽中导线,通过仿真得出12个导线槽中导线产生表面波的幅度与传播距离的图像,如图6所示,根据图6可以发现,越靠近边缘处的导线所激发的表面波的幅值越大。因此,为了提高效率,应该在线圈边缘的导线槽中多分配一些导线,而在中间位置的导线槽中应该少分配一些导线,从而获得一种换能效率较高的电磁超声表面波换能器。
以6匝线圈、各导线槽中平均2根导线为例:位于两端的四个导线槽中的导线数量多一些,各分配3根导线;位于中轴线两侧的四个导线槽中的导线数量少一些,各分配1根导线;剩余导线槽中各分配2根导线。同理,当各绕线槽平均导线数量为4根时,位于两端的四个导线槽中各分配6根导线,位于中轴线两侧的四个导线槽各分配2根导线,剩余导线槽中各分配4根导线。
上述导线分配方案能够保证各绕线槽平均导线数量不变,从而使得线圈阻抗也可保持基本不变,但电磁超声表面波换能器的换能效率将较平均分配导线的绕线方案更高。
本实施方式所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法,根据测量需求和工程应用限制条件确定换能器工作频率f和磁铁厚度t1,根据换能器工作频率f和待测试件的表面波波速计算得出激发表面波波长λ,确定曲折线圈宽度w2,根据所得的磁铁厚度与波长的比例关系h,在磁铁与曲折线圈宽度最佳比例经验曲线上找到对应点,得出该点对应的磁铁与曲折线圈宽度最佳比例关系w1/w2。再根据所得的w1/w2和曲折线圈宽度w2,求出磁铁宽度w1。本申请有着完整的设计思路,无需通过多次尝试确定换能器中磁铁参数;通过使用曲折线圈新结构,进一步提升换能器效率和表面波信号幅度。
具体实施方式六:本实施方式是对具体实施方式五所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法作进一步说明,本实施方式中,步骤二所述激发表面波波长λ通过下式获得,
λ=c/f。
本实施方式中,假设表面波在金属检测板材中的波速c=2930m/s,且已经确定换能器工作频率f=500kHz,则根据上述公式计算得出激发表面波波长λ=5.86mm:假设曲折线圈匝数为6匝,则曲折线圈宽度w2为5.5λ,即32.23mm。
具体实施方式七:本实施方式是对具体实施方式五所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法作进一步说明,本实施方式中,磁铁1的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为:
h=t1/λ。
本实施方式中,假设磁铁1的厚度t1为20mm,且激发表面波波长λ=5.86mm,则根据上式计算获得磁铁1的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为3.41。
具体实施方式八:本实施方式是对具体实施方式五所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法作进一步说明,本实施方式中,步骤五所述最佳比例经验曲线的表达式为:
(w1/w2)=-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694。
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 (7)
1.一种电磁超声表面波换能器,其特征在于,它包括:磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3);
所述曲折线圈(2)包括:导线(2-1)和骨架(2-2),曲折线圈(2)的匝数为n,其中n=5,6,7;
所述骨架(2-2)为左右对称结构,沿骨架(2-2)的一侧排布有2n个导线槽,每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线(2-1),以两个相邻的导线槽为一级,n个导线槽中的导线数量从曲折线圈(2)的两端向骨架(2-2)的中心方向逐级递减;
磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3)的长度均相等,曲折线圈(2)和铜箔(3)的宽度相等,磁铁(1)的宽度小于曲折线圈(2)的宽度,且满足:
(w1/w2)=-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694;
其中,h=t1/λ,t1为磁铁(1)的厚度,λ为磁铁(1)激发的表面波的波长,w1为磁铁(1)的宽度,w2为曲折线圈(2)的宽度;
磁铁(1)、铜箔(3)和曲折线圈(2)依次重叠固定。
2.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波换能器,其特征在于,所述导线(2-1)为漆包线导线。
3.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波换能器,其特征在于,所述铜箔(3)的厚度为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波换能器,其特征在于,所述磁铁(1)为N52型钕铁硼永磁体。
5.一种电磁超声表面波换能器的设计方法,其特征在于,所述电磁超声表面波换能器包括:磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3);
所述曲折线圈(2)包括:导线(2-1)和骨架(2-2),曲折线圈(2)的匝数为n,其中n=5,6,7;
所述骨架(2-2)为左右对称结构,沿骨架(2-2)的一侧排布有2n个导线槽,每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线(2-1);
磁铁(1)、铜箔(3)和曲折线圈(2)依次重叠固定;
所述方法包括以下步骤:
步骤一:根据实际测量需求和工程应用限制条件确定待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁(1)的厚度t1,所述磁铁(1)的厚度t1为:在工程应用限制条件下,磁铁(1)所允许的最大厚度;
步骤二:利用待设计换能器的工作频率f和待测试件的表面波波速c,计算得出激发表面波波长λ,然后根据该激发表面波波长λ确定曲折线圈(2)的宽度w2;
步骤三:利用磁铁(1)的厚度t1和激发表面波波长λ,获得磁铁(1)的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h;
步骤四:以磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的比例为纵坐标,磁铁(1)的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为横坐标,分别在500kHz、750kHz和1MHz的频率下,改变磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的比例进行仿真,获得三种频率下三条磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的最佳比例和磁铁(1)的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线;
步骤五:将步骤四获得的三种频率下三条磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的最佳比例和磁铁(1)的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线进行拟合,获得一条最佳比例经验曲线;
所述最佳比例经验曲线的表达式为:
(w1/w2)=-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694,
利用磁铁(1)的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h,在最佳比例经验曲线上找到比例关系h的对应点,根据该对应点获得磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的最佳比例关系w1/w2,然后利用曲折线圈(2)的宽度w2获得磁铁(1)的宽度w1;
步骤六:依据上述待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁(1)的厚度t1、曲折线圈(2)的宽度w2、磁铁(1)的宽度w1和换能器结构,组装换能器,保证曲折线圈12个导线槽中均设有1根导线,依次单独激发每个导线槽中的导线,得出每个导线槽中的导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像;
根据该图像表示出的各导线槽中的导线表面波的激发效率和导线槽中导线的平均数设置各导线槽中的导线数目,获得一种电磁超声表面波换能器。
6.根据权利要求5所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法,其特征在于,步骤二所述激发表面波波长λ通过下式获得:
λ=c/f。
7.根据权利要求5所述的一种电磁超声表面波换能器的设计方法,其特征在于,磁铁(1)的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为:
h=t1/λ。
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