CN115166045A - 一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其阵元为跑道线圈，该传感器主要由激励线圈和永磁体两部分构成。设计时涉及的参数主要包括单阵元线圈的形式、单阵元线圈导线的间距d、单阵元宽度w、提离距离h、阵列中阵元数目N、阵元间距D，以及永磁体的宽度W和高度H。相对于传统的传感器，本发明所设计的传感器具有的优点主要包括增强了激励信号和接收信号的强度、降低了聚焦声场的旁瓣、提高了缺陷识别能力、具有优异的成像效果等。通过实验，使用该传感器成功实现了对尺寸为200mm×200mm×20mm的6061铝合金件底面尺寸为200mm×2mm×2mm的槽型缺陷进行检测，成像结果清晰的反映了缺陷的位置和形状，验证了所设计传感器的优异性能。
Description
技术领域
发明涉及一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，属于电磁 超声无损检测技术领域。相较于常规的电磁超声传感器，该传感器提高了接收 信号信噪比、降低了聚焦声场的旁瓣、提升了缺陷识别能力。
背景技术
铝合金材料以其质量轻、强度高、以及耐腐蚀性好等特点被广泛的运用于 航空航天、汽车制造和船舶加工等领域。但在生产、运输和材料服役过程中经 常会出现一些缺陷而致使材料的性能发生改变，最终导致严重的安全责任事故。 因此，对其进行准确、高效的无损检测在实际的生产生活中具有重要的价值和 意义。
工业上常规的无损检测方式有射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测 和超声检测五大类。射线检测方法成本高、对人体有害。同时，当照相角度不 合适时，射线照相法容易发生漏检的情况。磁粉检测可用于检测锻件、铸件等， 其优点是可用于检测结构较复杂的试件，如泵、压缩机部件等设备。但其仅限 于检测磁性材料的试件，且仅可检测接近于近表面的缺陷，对非磁性材料和深 层缺陷的检测不适用。相对于磁粉检测，渗透检测弥补了不能检测非磁性材料 的不足。渗透检测可对非磁性材料，如塑料和陶瓷等材料的试件进行检测且可 以一次性全面检测出形状复杂的缺陷。其主要的局限在于检测程序过于繁琐、效率较低，检测灵敏度低，对检测人员要求高。涡流检测是基于电磁感应原理 的一种无损检测方法。在涡流检测中，由线圈充当换能器，线圈将能量传递给 被测试件，同时涡流所产生的交变磁场又作用于线圈，通过线圈中的电信号变 化来获得相关信息。从而，涡流检测具有无需耦合、检测灵敏度高的优点。但 是，该种方式检测深度浅，只能检测表层缺陷。超声检测是利用频率高于20kHz 的机械波——超声波来进行检测的一种无损检测方式。超声检测具有穿透力强、 对类似裂纹、夹杂等平面型缺陷检测灵敏度高的特点。但是其无法对形状复杂 工件进行检测，且需要用耦合剂来填充探头与试件之间的空隙。
由于压电超声检测技术在检测时需要耦合剂，可以非接触测量的电磁超声 技术受到人们的关注。电磁超声检测技术利用电磁耦合的方式激励和接收超声 波，其主要由线圈、外部磁场和试件本身三部分构成。当试件表面的线圈通入 交变电流时，试件表面产生涡流，涡流在外加磁场的作用下，受到机械力的作 用而产生振动，形成超声波波源。当传感器接收超声波时，试件中粒子的运动， 在外加磁场的作用下线圈中产生感应电动势，引起输出端的电压变化。
电磁超声检测技术解决了压电超声检测技术中需要使用耦合剂的问题，实 现了非接触测量。这种非接触测量方式可以被广泛的运用在极端温度条件下， 同时对试件的表面粗糙度等参数的要求不高。除此之外，非接触测量为高速在 线测量提供了基础。相对于压电超声检测技术需要通过楔块才能激发出横波， 通过改变线圈的形式，在一定的激发条件下，电磁超声传感器可以产生横波、 表面波等多种形式的超声波。
对于电磁超声检测技术，存在的一个主要不足就是换能效率低。为利用电 磁超声检测技术的众多优点，克服换能效率低的缺点，电磁超声相控阵技术的 成为解决问题的关键。电磁超声相控阵技术通过对各通道激励信号进行延迟时 间的设置，使得声束可以聚焦于试件内部某一点。声束的聚焦有效的增强了聚 焦点处信号的强度，通过叠加效应克服了传感器换能效率低的不足。同时，声 束的偏转使得电磁超声相控阵具有更加广泛的用途。
本发明设计了一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，极大增强了 接收信号的信噪比，增大了缺陷检出效率。同时，利用相控阵技术实现了对缺 陷的扇形扫描成像。
发明内容
针对单一电磁超声传感器的线圈信号强度小、检测灵敏度低和无法对缺陷成 像的问题，本发明设计了一种接收信号信噪比更高、能分辨的缺陷更小、对缺 陷成像质量更好的传感器——一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器。 设计时涉及的参数主要包括单阵元线圈的形式、单阵元线圈导线的间距d、单阵 元宽度w、提离距离h、阵元数目N以及各阵元间的距离D。以及永磁体的宽度 W和高度H。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器主要包括永磁体1、激励线圈 2和试件3。从电磁超声传感器的换能原理可知，试件属于传感器的一部分，但 是在实际检测时，待测试件的材料是不固定的，从而待测试件部分在本设计的 范围中，本设计仅针对永磁体和线圈部分。其特征在于：永磁体1采用钕铁硼 材料使其产生较强的偏置磁场。线圈2部分由多个阵元组成，每个阵元的线圈 形式为跑道线圈。永磁体1位于线圈2的对称轴上，紧贴线圈2表面。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：单阵 元的线圈形式为跑道线圈，与传统的单阵元为线性导线和单匝环形导线相比， 改变了线圈形式，增加了导线数量，提高了接收信号的信噪比。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：单阵 元的跑道线圈导线间距d，跑道线圈导线间距d避免超声波子波的***而导致缺 陷成像时产生伪像。同时，减小了传感器的尺寸。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的提离距离h，提离距离h的设计保证了传感器的非接触性。同时，最大限度 的保证了产生超声信号的强度。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的阵元数目N，阵元数目N的设计保证了传感器实现声束聚焦和偏转的功能。 同时，降低了对激励和采集传感器的硬件***的要求。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的阵元宽度w，阵元宽度w的设计使得传感器接收信号的信噪比较高的同时， 声场的旁瓣相对于主瓣强度小，降低了声场旁瓣对成像的影响。另外，在设计 的阵元宽度下，传感器的横向分辨率大，可用该传感器分辨更小的缺陷。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的阵元间距D，阵元间距D的设计提高了传感器接收信号的信噪比，降低了 声场旁瓣对成像的影响，并提高了传感器的横向分辨率。
所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：永磁 体的宽度W和高度H，宽度为W、高度为H的永磁体提供了较强的均匀偏置磁 场，同时配合设计的线圈最大限度减小了传感器整体所占的体积，尽可能的控 制了传感器的尺寸。
本发明可以获得如下有益效果：
1、相较于常规传感器中采用的单根导线或单回折线圈，采用跑道线圈作为 单阵元极大提高了接收信号的信噪比；线圈间导线间距d的设计避免了超声波 子波的产生，提高了电磁超声相控阵传感器成像的质量。
2、提离距离h的设计提高了激励信号的强度；
3、阵元宽度w和阵元间距D的设计，增强了激励信号强度，降低了声场 旁瓣幅度，提到了传感器的横向分辨率，使得传感器的能分辨更小的缺陷，提 升了传感器的成像性能。
4、永磁体宽度W和高度H的设计，提供了较强的偏置磁场，且使得线圈 处于垂直向下的均匀磁场中。同时，与线圈相配套的永磁体设计缩小了传感器 的尺寸。
附图说明
图1：传感器设计参数示意图；
图2：传感器检测和线圈实物图；
图3：槽型缺陷成像结果图；
图中，1、永磁体，2、线圈，3、试件。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，且以下实例只是描述性的不 是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
磁超声检测原理示意图如图1所示。从图中可以看出，构成电磁超声传感 器的三部分分别是1-永磁铁、2-线圈、3-试件。其中，试件为加工性能极佳、具 有优良的可焊接性和耐腐蚀性能而被广泛运用于工业领域的6061铝合金，规格 为200×200×20(单位：mm)。该设计的主要部分是对1-永磁铁的设计和2-线圈 的设计，涉及的参数如图2所示，具体尺寸根据仿真结果确定。最后通过实验 验证传感器的性能。
在COMSOL有限元仿真中建立二维模型，根据仿真结果确定最终传感器尺 寸。对于传感器线圈的形式确定，建立如图3所示的单阵元几何模型。线圈中 通入电流幅值大小为1A、中心频率为1MHz的五周期汉宁窗调制的正弦波信号。 提取与传感器中心线成θ＝30°夹角、深度为R＝10mm深度的位移幅值。可以观 察到，四跑道线圈形式的位移幅值是单跑道线圈观测点位移幅值的四倍左右， 是单根直导线的9.5倍，说明跑道线圈提高了激励信号的幅值，增强了接收信号 的信噪比。从而，最终将传感器的线圈形式确定为跑道线圈。随着电磁超声传 感器的提离距离h增加，接收信号的幅值呈指数衰减，从而将传感器的提离距 离h确定为线圈的FPC板的最小厚度，即0.1mm。
对于单阵元的跑道线圈的导线间距，同样在线圈中通入电流幅值大小为1A、 中心频率为1MHz的五周期汉宁窗调制的正弦波信号。根据铝材的材料属性， 可知超声波的横波声速为3130m/s，从而根据频率、声速和波长的关系可得，声 波的横波波长λ为3.13mm，将线圈导线的间距分别设定为1/8λ和λ，得到的超声 波传播云图。对于跑道线圈，当导线间距为λ时超声波***成多个子波，当导线 间距为1/8λ时超声波不***。从而，为避免相控扫描成像时产生伪像，更好的 产生形成缺陷图像，导线的间距设定为1/8λ，即0.39mm。
对于传感器的阵元宽度w的设计，建立8阵元的跑道线圈模型，导线的间 距为0.39mm。考虑到每增加一条跑道，单阵元宽度增加0.78mm，以最小宽度 0.39mm为阵元宽度，间隔0.78mm增加单阵元的宽度，最大宽度设定为 3.51mm——该宽度的单阵元对应五条跑道的线圈。当阵元宽度越大时，声场的 旁瓣越大，当阵元宽度越小时，声场的旁瓣越小。传感器的横向分辨率随着阵 元宽度的增加总体呈现出增强的趋势，但阵元宽度对传感器的横向分辨率影响 较小，阵元宽度为0.39mm的传感器其横向分辨率仅比阵元宽度为3.51mm的传 感器横向分辨率高0.4mm。在横向分辨率受宽度影响较小的情况下，阵元宽度 较大有助于提高焦点处位移值大小，而阵元宽度太大会使声场的旁瓣增大，影 响成像效果，从而最终将阵元宽度确定为2.73mm，即以四跑道线圈作为单阵元。
对于传感器阵元间距D的设计，建立8阵元的跑道线圈模型，建立8阵元 的跑道线圈模型，导线的间距为0.39mm，提离距离0.1mm，阵元宽度2.73mm。 激励信号为中心频率1MHz的五周期汉宁窗调制的正弦波信号，该频率下超声 波横波波长为3.13mm。考虑到阵元宽度为2.73mm，从而将阵元间距最小值确 定为3.13mm，将阵元间距最大值设定6.26mm，以波长的四分之一即0.7825mm 为步进，研究五组不同阵元间距下的传感器性能。当阵元间距越大时，主瓣宽 度越小，旁瓣越大，焦点处位移值大小呈现出下降趋势。传感器的横向分辨率 越高，阵元间距为6.26mm的传感器其横向分辨率比阵元间距为3.13mm的传感 器横向分辨率高1.5mm。结合以上结论，将传感器的阵元间距设定为，即4.69mm。 在该间距下，传感器激励信号所产生的声场在焦点处的应力值较大，横向分辨 率较高且声场的旁瓣较小。
对于传感器的永磁体宽度W和高度H的设计，为保证线圈全部处于均匀的 磁场中，结合传感器的阵元数8，单阵元宽度2.73mm，阵元间距4.69mm，将永 磁体的宽度W确定为36mm，为控制传感器的总体尺寸，将永磁体的高度H设 定为25mm。
结合所设计的传感器，对6061铝合金进行缺陷检测，被测试件尺寸为 200×200×20(单位：mm)。在试件底面存在一个尺寸为200×2×2(单位：mm) 的槽型缺陷，距离试件对称轴。运用扇形扫描的方式对缺陷进行成像，得到的 结果如图所示。从图中可以看出，运用所设计的传感器对缺陷进行了精确、清 晰的成像，体现了所设计的传感器的优异性能。
综上，本发明设计了一种用于铝合金材料缺陷检测的阵元为跑道线圈的电磁 超声相控阵传感器，通过有限元仿真设计了包括线圈的形式、导线的间距d、提 离距离L、阵元数目N、单阵元宽度w以及阵元间距D，永磁体宽度W以及永 磁体高度H等在内的传感器参数，最终通过实验的方式验证了传感器的优异性 能。相对于传统的传感器，本发明所设计的传感器具有的优点主要包括增强了 激励信号和接收信号的信号强度、降低了聚焦声场的旁瓣、提高了缺陷识别能 力、具有良好的成像效果等。
Claims (7)
1.一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，包括线圈和永磁体；其特征在于，该电磁超声相控阵传感器的结构特征包括：单阵元线圈的形式、单阵元线圈导线的间距d、单阵元宽度w、提离距离h、阵元数目N以及各阵元间的距离D，以及永磁体的宽度W和高度H；
单阵元线圈为跑道线圈形式，提高激励和接收信号的信噪比；
单阵元线圈导线的间距d，避免超声波子波的***而导致缺陷成像时产生伪像并减小电磁超声相控阵传感器尺寸；
提离距离h，保证产生超声信号的强度；
电磁超声相控阵传感器的阵元数目N，保证传感器实现声束聚焦和偏转功能，降低了对激励和采集传感器的硬件***的要求；
电磁超声相控阵传感器的阵元宽度w和传感器的阵元间距D，在使得传感器接收信号的信噪比较高的同时，声场的旁瓣相对于主瓣强度小，降低声场旁瓣对成像的影响；
永磁体的宽度W和高度H，为线圈提供了较强的均匀偏置磁场的同时，配合设计的线圈最大限度减小电磁超声相控阵传感器整体所占体积，控制电磁超声相控阵传感器的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：线圈中通入电流幅值大小为1A、中心频率为1MHz的五周期汉宁窗调制的正弦波信号；提取与传感器中心线成θ＝30°夹角、深度为R＝10mm深度的位移幅值。
3.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：所述h确定为线圈的FPC板的最小厚度，即0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：对于跑道线圈，当导线间距为λ时超声波***成多个子波，当导线间距为1/8λ时超声波不***；从而，为避免相控扫描成像时产生伪像，更好的产生形成缺陷图像，导线的间距设定为1/8λ，即0.39mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：对于传感器的阵元宽度w的设计，建立8阵元的跑道线圈模型，导线的间距为0.39mm；阵元宽度确定为2.73mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：对于传感器阵元间距D，建立8阵元的跑道线圈模型，建立8阵元的跑道线圈模型，导线的间距为0.39mm，提离距离0.1mm，阵元宽度2.73mm；阵元间距设定为4.69mm；传感器激励信号所产生的声场在焦点处的应力值大，横向分辨率高且声场的旁瓣小。
7.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：对于传感器的永磁体宽度W和高度H的设计，为保证线圈全部处于均匀的磁场中，结合阵元数8，单阵元宽度2.73mm，阵元间距4.69mm，将永磁体的宽度W确定为36mm，为控制传感器的总体尺寸，将永磁体的高度H设定为25mm。
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|---|---|---|---|
| CN202210472353.6A Withdrawn CN115166045A (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115166045A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117233263A (zh) * | 2023-11-15 | 2023-12-15 | 中北大学 | 用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置 |
-
2022
- 2022-04-29 CN CN202210472353.6A patent/CN115166045A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117233263A (zh) * | 2023-11-15 | 2023-12-15 | 中北大学 | 用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置 |
| CN117233263B (zh) * | 2023-11-15 | 2024-02-06 | 中北大学 | 用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置 |
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