CN110333291A - 一种sv波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法 - Google Patents

一种sv波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的技术领域，具体涉及一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法。包括根据检测需求确定曲折线圈的激励频率f；设定一个极限偏转角度，根据所述极限偏转角度计算曲折线圈的线聚焦点坐标，根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈；将曲折线圈固定在永磁体与待检测工件之间，并在曲折线圈与待检测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片。根据不同的目标偏转角度利用铜片屏蔽部分导线，获得相应线圈的有效激励部位，可以是特定的导线根数，也可以是特定的线聚焦SV波的偏转角度，具有灵活设计的优点，能够达到不同的检测目的。

Description

一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法
技术领域
本发明涉及的技术领域，具体涉及一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法。
背景技术
电磁超声换能器可以灵活的产生各种波形，产生的斜入射SV波能够对工件内的点状或条状缺陷比较灵敏。文献Ogi H,Hirao M,Ohtani T.Line-focusing electromagneticacoustic transducers for the detection of slit defects.[J].IEEE transactionson ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,2008,46(2).提出采用变间距曲折线圈和垂直磁化永磁体组成的电磁超声换能器能产生可聚焦的SV波。
传统的换能器只能产生固定偏转角度的SV波，而由于应用的场景不同，往往需要的偏转角度不同，为了满足不同的应用场景，需要重新设计曲折线圈和激励频率。
上述情况需要设计不同的电磁超声换能器，以满足不同的需求。由于电磁超声换能器内的永磁体磁性较大，探头更换比较麻烦。另外，一旦激励频率改变，一方面曲折线圈的原有间距需要重新设计，另一方面对缺陷检测灵敏度也会下降。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种可以改变激励出的SV波的偏转角度以及线聚焦相对位置，从而不需要频繁更换探头的一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法。
本发明一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器的设计方法的技术方案为，包括以下步骤：
步骤S1：根据检测需求确定曲折线圈的激励频率f；
步骤S2：设定一个极限偏转角度，根据所述极限偏转角度计算曲折线圈的线聚焦点坐标，根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈；
步骤S3：将曲折线圈固定在永磁体与待检测工件之间，并在曲折线圈与待检测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片。
较为优选的，所述步骤S2中，极限偏转角度的选取方式如下：
采用多次仿真的方式，研究斜入射线聚焦曲折线圈激励出的线聚焦SV波在不同偏转角度时的指向性；
选取指向性误差快速增大时对应的偏转角度作为本设计的极限偏转角度。
较为优选的，所述步骤S2中，根据所述极限偏转角度计算曲折线圈的线聚焦点坐标的过程包括：
步骤S21，将曲折线圈简化为二维平面，将曲折线圈的每根导线简化为线圈点，以第一个线圈点为原点建立直角坐标系，所述线圈点在x轴上，且沿x轴正半轴方向分布；
步骤S22，根据极限偏转角度α计算曲折线圈的线聚焦点坐标(xF，yF)，其中，xF＝-yF*tanα。
较为优选的，根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈包括：
步骤S23：根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f计算第i个线圈点坐标(xi，0)，其中，所述曲折线圈的线聚焦点坐标为(xF，yF)，所述c为横波在被测物中的传播速度，所述i＝1、2、3……n，所述n为曲折线圈的最大导线根数；
步骤S24：计算曲折线圈的最大导线根数n，所述n为xi的值为实数时i的最大取值。
较为优选的，两个所述铜片形状完全相同，所述铜片的长度不小于曲折线圈的长度，所述铜片的宽度为曲折线圈宽度的1/2，两个所述铜片可沿宽度方向分置于曲折线圈两侧或同置一侧。
较为优选的，还包括步骤S4，根据目标偏转角度-屏蔽范围对照表调节铜片在换能器上的位置，所述目标偏转角度-屏蔽范围对照表通过以下过程获取：
步骤S41，设定铜片的屏蔽范围为第1到第p-1根导线和第q+1根到第n根导线，n为曲折线圈的最大导线根数，p和q的值均大于0且p小于q，q小于n；
步骤S42，在步骤S21建立的直角坐标系中进行坐标变换，通过将曲折线圈沿x轴反向平移(xp+xq)/2的方式，使线圈有效激励部分的中心平移到坐标原点，其中xp为第p个线圈点的横坐标，xq为第q个线圈点的横坐标；
步骤S43，计算坐标变换后第i个线圈点的坐标(xi'，0)，xi′＝xi-(xp+xq)/2；
步骤S44，计算坐标变换后的线聚焦点坐标(xF'，yF)，xF′为曲折线圈与线聚焦点在x方向的相对位置距离，xF′＝xF-(xp+xq)/2；
步骤S45，计算有效线圈激励的线聚焦SV波的偏转角度αF，
步骤S46，根据步骤S45得到的目标偏转角度αF与屏蔽范围的对应关系，制作目标偏转角度-屏蔽范围对照表。
较为优选的，所述曲折线圈为单层或多层，单匝或多匝。
较为优选的，所述极限偏转角度为65°。
本发明一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器的技术方案为：包括永磁铁和曲折线圈，还包括两个矩形铜片，所述曲折线圈固定在永磁铁和待检测工件之间，所述矩形铜片置于曲折线圈和待检测工件之间，所述矩形铜片可沿曲折线圈宽度方向来回移动。
较为优选的，两个所述铜片形状完全相同，所述铜片的长度不小于曲折线圈的长度，所述铜片的宽度为曲折线圈宽度的1/2，两个所述铜片可沿宽度方向分置于曲折线圈两侧或同置一侧
本发明的有益效果为：本方法通过选取一个极限偏转角度，设计出更多的线圈导线根数，并在实际应用中根据不同的目标偏转角度利用铜片屏蔽部分导线，获得相应线圈的有效激励部位，可以是特定的导线根数，也可以是特定的线聚焦SV波的偏转角度，具有灵活设计的优点，能够达到不同的检测目的。
附图说明
图1为本发明一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器的结构示意图；
图2为本发明线聚焦曲折线圈的俯视图；
图3为本发明一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器的设计方法流程图；
图4为利用铜片屏蔽部分线圈匝数后，剩余线圈有效激励部位示意图；
图5为利用本发明设计的一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器检测钢板内部缺陷的模型示意；
图6为利用本发明实施例1中线圈1检测钢板内部缺陷的检测结果示意图；
图7是利用本发明实施例1中线圈1激励出的线聚焦SV波在0°到90°的幅值分布图；
图8是利用本发明实施例1中线圈2检测钢板内部缺陷的检测结果示意图；
图9是利用本发明实施例1中线圈2激励出的线聚焦SV波在0°到90°的幅值分布图；
图10是利用本发明实施例1中线圈3检测钢板内部缺陷的检测结果示意图；
图11是利用本发明实施例1中线圈3激励出的线聚焦SV波在0°到90°的幅值分布图；
图12是利用本发明实施例1中线圈4检测钢板内部缺陷的检测结果示意图；
图13是利用本发明实施例1中线圈4激励出的线聚焦SV波在0°到90°的幅值分布图；
图14是利用本发明实施例1中线圈5检测钢板内部缺陷的检测结果示意图；
图15是利用本发明实施例1中线圈5激励出的线聚焦SV波在0°到90°的幅值分布图；
图16是利用本发明实施例1中线圈6检测钢板内部缺陷的检测结果示意图；
图17是利用本发明实施例1中线圈6激励出的线聚焦SV波在0°到90°的幅值分布图。
图中：1-金属工件，2-永磁体，3-曲折线圈，4-铜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定，结合附图详细描述本发明的技术方案。
如图1所示，一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器包括：永磁铁，曲折线圈和铜片。其中，曲折线圈为单层或多层，单匝或多匝；曲折线圈放置于永磁铁下方，曲折线圈放置于待检测工件上方，距离约为0.1～0.6mm；如图2所示，曲折线圈的线圈间距渐变；铜片为矩形，其宽度为曲折线圈宽度的1/2，长度大于曲折线圈长度；铜片长度不小于曲折线圈，且曲折线圈在铜片上的投影不超出铜片边界，铜片的宽度方向与曲折线圈的宽度方向始终平行；铜片有两块，均放置于曲折线圈下方，可在宽度方向分置左右，也可以同置一侧。铜片在宽度上的位置可以根据需要进行调整，从而改变铜片的屏蔽范围。
如图3所示，本发明一种斜入射线聚焦电磁超声SV波换能器的设计方法包括以下步骤：
步骤S1：根据检测需求确定曲折线圈的激励频率f；
步骤S2：设定一个极限偏转角度，根据所述极限偏转角度计算曲折线圈的线聚焦点坐标，根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈；
步骤S3：将曲折线圈固定在永磁体与待检测工件之间，并在曲折线圈与待检测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片。
步骤S4，根据目标偏转角度-屏蔽范围对照表调节铜片在换能器上的位置。
所述的步骤S2，较远的线聚焦点以极限偏转角度为65°来设定。
步骤S2具体包括：
步骤S21，将曲折线圈简化为二维平面，将曲折线圈的每根导线简化为线圈点，以第一个线圈点为原点建立直角坐标系，所述线圈点在x轴上，且沿x轴正半轴方向分布；
步骤S22，根据极限偏转角度α计算曲折线圈的线聚焦点坐标(xF，yF)，其中，xF＝-yF*tanα。
步骤S23：根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f计算第i个线圈点坐标(xi，0)，其中，所述曲折线圈的线聚焦点坐标为(xF，yF)，所述c为横波在被测物中的传播速度，所述i＝1、2、3……n，所述n为曲折线圈的最大导线根数；
步骤S24：计算曲折线圈的最大导线根数n，所述n为xi的值为实数时i的最大取值。
步骤S4中，目标偏转角度-屏蔽范围对照表通过以下过程获取：
步骤S41，设定铜片的屏蔽范围为第1到第p-1根导线和第q+1根到第n根导线，n为曲折线圈的最大导线根数，p和q的值均大于0且p小于q，q小于n；
步骤S42，在步骤S21建立的直角坐标系中进行坐标变换，通过将曲折线圈沿x轴反向平移(xp+xq)/2的方式，使线圈有效激励部分的中心平移到坐标原点，其中xp为第p个线圈点的横坐标，xq为第q个线圈点的横坐标；
步骤S43，计算坐标变换后第i个线圈点的坐标(xi'，0)，xi′＝xi-(xp+xq)/2；
步骤S44，计算坐标变换后的线聚焦点坐标(xF'，yF)，xF′为曲折线圈与线聚焦点在x方向的相对位置距离，xF′＝xF-(xp+xq)/2；
步骤S45，计算有效线圈激励的线聚焦SV波的偏转角度αF，
步骤S46，根据步骤S45得到的目标偏转角度αF与屏蔽范围的对应关系，制作目标偏转角度-屏蔽范围对照表。
实施例1
以检测钢板内部缺陷为例，一种斜入射线聚焦电磁超声SV波换能器的设计步骤包括：
步骤S1，根据实际检测需求确定换能器的工作频率(即曲折线圈的激励频率)f＝2MHz；
步骤S2，以极限偏转角度为65°计算出曲折线圈的线聚焦点坐标，基于相邻导线到线聚焦点的距离相差1/2个波长理论，根据线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈设计制作曲折线圈；
步骤S3，将曲折线圈固定在永磁体与待检测工件之间，并在曲折线圈与待检测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片；
步骤S4，沿宽度方向左右移动铜片，通过屏蔽曲折线圈部分导线的方式实现线聚焦SV波偏转角度和线聚焦点相对位置的快速灵活变化。具体如何移动铜片，可以通过查询目标偏转角度-屏蔽范围对照表(说明书中未示出)。本方案可以获取的目标偏转角度为目标偏转角度-屏蔽范围对照表中记载的离散的偏转角度，并非任意偏转角度均能通过本方案获取。当本申请的目标偏转角度在目标偏转角度-屏蔽范围对照表的记载中时，则可以通过本申请的换能器获取。根据目标偏转角度-屏蔽范围对照表中记载的该目标偏转角度对应的屏蔽范围，将铜片调节至相应位置，则可以获取该目标偏转角度。
本实施例检测15mm厚钢板内10mm深处的缺陷，按照线聚焦SV波65°的极限偏转角度，计算出极限偏转角度为65°时的线聚焦点坐标为(21.445，-10)，根据线聚焦点坐标(21.445，-10)设定曲折线圈；
通过两块铜片移动，屏蔽部分线圈导线，使剩余部分线圈为有效激励部位，如图4所示：
(1)当第1到第10根导线为有效激励部位时，设为线圈1；
(2)当第4到第13根导线为有效激励部位时，设为线圈2；
(3)当第7到第16根导线为有效激励部位时，设为线圈3；
(4)当第1到第13根导线为有效激励部位时，设为线圈4；
(5)当第4到第16根导线为有效激励部位时，设为线圈5；
(6)当第1到第16根导线为有效激励部位时，设为线圈6；
每次以线圈的有效激励部位的中心为原点来计算线聚焦点的相对坐标和激励的线聚焦SV波的偏转角度；
线圈1的线聚焦点坐标为(15.653，-10)，激励的线聚焦SV波的理论偏转角度为59.853°；
线圈2的线聚焦点坐标为(12.515，-10)，激励的线聚焦SV波的理论偏转角度为54.937°；
线圈3的线聚焦点坐标为(8.3111，-10)，激励的线聚焦SV波的理论偏转角度为43.382°；
线圈4的线聚焦点坐标为(13.891，-10)，激励的线聚焦SV波的理论偏转角度为57.341°；
线圈5的线聚焦点坐标为(9.7454，-10)，激励的线聚焦SV波的理论偏转角度为47.388°；
线圈6的线聚焦点坐标为(11.121，-10)，激励的线聚焦SV波的理论偏转角度为51.748°；
实施例1的设计完毕。
以实施例1为例，传统的斜入射线聚焦曲折线圈只能设计出线圈6，其线聚焦点的相对位置唯一，且激励出来的线聚焦SV波的偏转角度唯一，而且都不能进行改变；本方案可以设计出线圈1到线圈6等多种线圈，线聚焦点的相对位置有多种，激励出来的线聚焦SV波的偏转角度也有多种，且不限于实施例1中的6中选定。
利用图5所示本发明设计的一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器检测钢板内部缺陷的模型来验证实施例1中设计的6种线圈：
如图6所示是利用实施例1中线圈1检测钢板内部缺陷与检测无缺陷钢板的检测结果对比，可以看出线圈1检测钢板内部缺陷有效；
如图7所示，实施例1中线圈1激励出的线聚焦SV波的最大幅值在56.572°，与理论偏转值相差5.48％，在可靠范围内；
如图8所示是利用实施例1中线圈2检测钢板内部缺陷与检测无缺陷钢板的检测结果对比，可以看出线圈2检测钢板内部缺陷有效；
如图9所示，实施例1中线圈2激励出的线聚焦SV波的最大幅值在55.059°，与理论偏转值相差0.22％，在可靠范围内；
如图10所示是利用实施例1中线圈3检测钢板内部缺陷与检测无缺陷钢板的检测结果对比，可以看出线圈3检测钢板内部缺陷有效；
如图11所示，实施例1中线圈3激励出的线聚焦SV波的最大幅值在43.209°，与理论偏转值相差0.4％，在可靠范围内；
如图12所示是利用实施例1中线圈4检测钢板内部缺陷与检测无缺陷钢板的检测结果对比，可以看出线圈4检测钢板内部缺陷有效；
如图13所示，实施例1中线圈4激励出的线聚焦SV波的最大幅值在54°，与理论偏转值相差5.83％，在可靠范围内；
如图14所示是利用实施例1中线圈5检测钢板内部缺陷与检测无缺陷钢板的检测结果对比，可以看出线圈5检测钢板内部缺陷有效；
如图15所示，实施例1中线圈5激励出的线聚焦SV波的最大幅值在47.5°，与理论偏转值相差0.24％，在可靠范围内；
如图16所示是利用实施例1中线圈6检测钢板内部缺陷与检测无缺陷钢板的检测结果对比，可以看出线圈6检测钢板内部缺陷有效；
如图17所示，实施例1中线圈6激励出的线聚焦SV波的最大幅值在51.266°，与理论偏转值相差0.93％，在可靠范围内；
实施例1验证完毕。
从以上验证可以看出，本发明的一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器，铜片放置于曲折线圈与待检测工件之间，沿宽度方向左右移动，通过屏蔽曲折线圈部分导线的方式可实现线聚焦SV波偏转角度和线聚焦点相对位置的快速灵活变化，且依然能够达到检测金属内部缺陷的效果和保持线聚焦SV波的指向性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据检测需求确定曲折线圈的激励频率f；
步骤S2：设定一个极限偏转角度，根据所述极限偏转角度计算曲折线圈的线聚焦点坐标，根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈；
步骤S3：将曲折线圈固定在永磁体与待检测工件之间，并在曲折线圈与待检测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片。
2.根据权利要求1所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，极限偏转角度的选取方式如下：
采用多次仿真的方式，研究斜入射线聚焦曲折线圈激励出的线聚焦SV波在不同偏转角度时的指向性；
选取指向性误差快速增大时对应的偏转角度作为本设计的极限偏转角度。
3.根据权利要求1所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据所述极限偏转角度计算曲折线圈的线聚焦点坐标的过程包括：
步骤S21，将曲折线圈简化为二维平面，将曲折线圈的每根导线简化为线圈点，以第一个线圈点为原点建立直角坐标系，所述线圈点在x轴上，且沿x轴正半轴方向分布；
步骤S22，根据极限偏转角度α计算曲折线圈的线聚焦点坐标(xF，yF)，其中，xF＝-yF*tanα。
4.根据权利要求1所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于，根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f设计曲折线圈包括：
步骤S23：根据所述线聚焦点坐标和曲折线圈的激励频率f计算第i个线圈点坐标(xi，0)，其中，所述曲折线圈的线聚焦点坐标为(xF，yF)，所述c为横波在被测物中的传播速度，所述i＝1、2、3……n，所述n为曲折线圈的最大导线根数；
步骤S24：计算曲折线圈的最大导线根数n，所述n为xi的值为实数时i的最大取值。
5.根据权利要求1所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于，两个所述铜片形状完全相同，所述铜片的长度不小于曲折线圈的长度，所述铜片的宽度为曲折线圈宽度的1/2，两个所述铜片可沿宽度方向分置于曲折线圈两侧或同置一侧。
6.根据权利要求3所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于，还包括步骤S4，根据目标偏转角度-屏蔽范围对照表调节铜片在换能器上的位置，所述目标偏转角度-屏蔽范围对照表通过以下过程获取：
步骤S41，设定铜片的屏蔽范围为第1到第p-1根导线和第q+1根到第n根导线，n为曲折线圈的最大导线根数，p和q的值均大于0且p小于q，q小于n；
步骤S42，在步骤S21建立的直角坐标系中进行坐标变换，通过将曲折线圈沿x轴反向平移(xp+xq)/2的方式，使线圈有效激励部分的中心平移到坐标原点，其中xp为第p个线圈点的横坐标，xq为第q个线圈点的横坐标；
步骤S43，计算坐标变换后第i个线圈点的坐标(xi′，0)，xi′＝xi-(xp+xq)/2；
步骤S44，计算坐标变换后的线聚焦点坐标(xF′，yF)，xF′为曲折线圈与线聚焦点在x方向的相对位置距离，xF′＝xF-(xp+xq)/2；
步骤S45，计算有效线圈激励的线聚焦SV波的偏转角度αF，
步骤S46，根据步骤S45得到的目标偏转角度αF与屏蔽范围的对应关系，制作目标偏转角度-屏蔽范围对照表。
7.根据权利要求1所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述曲折线圈为单层或多层，单匝或多匝。
8.根据权利要求1所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述极限偏转角度为65°。
9.一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器，包括永磁铁和曲折线圈，其特征在于：还包括两个矩形铜片，所述曲折线圈固定在永磁铁和待检测工件之间，所述矩形铜片置于曲折线圈和待检测工件之间，所述矩形铜片可沿曲折线圈宽度方向来回移动。
10.如权利要求9所述的SV波偏转角度可调的电磁超声换能器，其特征在于：两个所述铜片形状完全相同，所述铜片的长度不小于曲折线圈的长度，所述铜片的宽度为曲折线圈宽度的1/2，两个所述铜片可沿宽度方向分置于曲折线圈两侧或同置一侧。
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