产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器

1.本实用新型涉及电磁超声技术领域，尤其涉及一种产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器。


背景技术：

2.随着国家经济快速发展，金属板材广泛应用于各行各业，然而在金属板材生产，加工及使用的过程中，不可避免的会出现各种各样的缺陷，如金属表面划伤、内部裂痕等，于是无损检测作为一种在不破坏被测试件的前提下，检测被测试件表面及内部缺陷，并且提供缺陷具体信息的技术，大量用于金属板材的缺陷检测。而在无损检测领域，电磁超声检测技术由于其检测范围广、检测精度高、不需要耦合剂及复杂的预处理技术等优点使检测更加简单容易，大大提高生产效率。
3.但是，现有技术的电磁超声换能器换能效率低、导波的频散特性以及多模态特性导致在检测时信号杂乱，检测效率低，所以如何提高电磁超声检测技术的检测效率成为一大热点性问题。


技术实现要素：

4.本实用新型主要解决现有技术的电磁超声兰姆波换能器的多模态特性导致在检测时信号杂乱，检测效率低的技术问题，提出一种产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器，以提高无损检测的效率，显著提升转换效率。
5.本实用新型提供的一种产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器，包括：永磁铁1、金属线圈单元2和酯类固体胶4；
6.所述永磁铁1的底面开设弧形凹槽，开设弧形凹槽之后永磁铁1呈拱形结构，所述永磁铁1的弧形凹槽之内设置金属线圈单元2；
7.所述金属线圈单元2，包括：多层并联的曲折线圈；所述曲折线圈从底层向上层弯折数逐渐减小；下一层的曲折线圈与其上一层的曲折线圈连接；
8.所述酯类固体胶4填充永磁铁1和曲折线圈之间空隙；曲折线圈与被测试件3不相接触；曲折线圈设置于被测试件3上方。
9.优选的，所述金属线圈单元2设置三层曲折线圈，底层曲折线圈具有五处弯折，中层曲折线圈具有三处弯折，上层曲折线圈具有一处弯折。
10.本实用新型产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器，设置拱形结构，不仅能避免激发导波的多模态现象，激发出单一模态导波，而且成本低廉，应用前景较广泛。而采用的多层并联曲折线圈与单层曲折线圈相比，其转换效率显著提升，接收的回波信号增强，不易受噪声的干扰，极大提高检测效率，有利于检测技术的发展。
附图说明
11.图1是本实用新型提供的能产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器的结构示意
图；
12.图2是本实用新型提供的金属线圈单元的结构示意图；
13.图3是本实用新型提供的金属线圈单元的俯视图；
14.图4是本实用新型提供的拱形结构的物理模型图；
15.图5是普通电磁超声换能器的工作原理图；
16.图6是本实用新型优化后电磁超声换能器的工作原理图；
17.图7是普通方形永磁铁与本实用新型拱形结构永磁铁形成的磁场对比图；
18.图8是本实用新型电磁超声换能器的有限元模型和结构参数图；
19.图9是本实用新型线圈的脉冲激励电压信号图；
20.图10是本实用新型电磁超声换能器激发的兰姆波信号图；
21.图11是本实用新型对比组电磁超声换能器的模型和结构参数图；
22.图12是本实用新型对比组与优化后的换能器激发的兰姆波的对比图。
具体实施方式
23.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。
24.如图1
‑
3所示，本实用新型实施例提供的一种产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器，包括：永磁铁1、金属线圈单元2和酯类固体胶4；
25.所述永磁铁1的底面开设弧形凹槽，开设弧形凹槽之后永磁铁1呈拱形结构，所述永磁铁1的弧形凹槽之内设置金属线圈单元2。
26.所述金属线圈单元2，包括：多层并联的曲折线圈；所述曲折线圈从底层向上层弯折数逐渐减小，即曲折线圈从底层向上层宽度逐渐减小，多层曲折线圈的截面呈“金字塔”形。最顶层的曲折线圈呈“u”型，其它层的曲折线圈呈蛇形，曲折线圈中相邻的平行边间距相同。例如，设置三层曲折线圈，底层曲折线圈具有五处弯折，中层曲折线圈具有三处弯折，上层曲折线圈具有一处弯折。其结构示意图如图2所示，俯视图如图3所示。下一层的曲折线圈与其上一层的曲折线圈连接，不同层的曲折线圈输入方向和输出方向相同，多层并联的曲折线圈通过最底层的输入端接入电流，电流能够依次进入各层曲折线圈后，在最底层曲折线圈的输出端输出。
27.酯类固体胶4填充永磁铁1和曲折线圈之间空隙；曲折线圈与被测试件3不相接触；曲折线圈设置于被测试件3上方。
28.本实施例的电磁超声换能器，所述永磁铁1采用聚磁设计，在曲折线圈置于永磁铁1下方的弧形凹槽中，使磁场拱形结构下方区域内均匀垂直于铝板形式的被测试件3。
29.本实施例的永磁铁1设置弧形凹槽、呈拱形结构，由于拱形结构竖直方向磁场强度增加，水平方向磁场强度减弱，故提供垂直方向的静磁场，通高频交流电的线圈提供交变磁场，金属线圈单元2在被测试件3上感应出电涡流，电涡流在永磁铁产生的磁场作用下使被测试件3产生洛伦兹力，由于洛伦兹力的作用，被测试件3中产生兰姆波。其中被测试件3采用非铁磁性试件。所述金属线圈单元2，为充分利用拱形结构内部空间，根据永磁铁分布规
律和惠更斯叠加原理，对多层的曲折线圈进行“金字塔”优化设计，使折叠线圈层数由中间向两侧递减。
30.本实用新型采用电磁超声检测技术，电磁超声检测技术作为超声检测技术的一种，由于不需要对待测试件表面进行预处理、不需要在传感器与待测试件间添加耦合剂且对微小缺陷敏感度高，因此被广泛应用于各种检测过程。为产生水平方向的磁场进而激发单一a0模态兰姆波或增强兰姆波a0模态，多使用u型永磁铁结构、“sns”结构复合永磁铁结构；为产生垂直方向的磁场进而激发出单一s0模态兰姆波，多使用在待测件上下放置极性相反的双永磁铁结构。
31.本实用新型的“拱桥”形结构不仅能避免激发导波的多模态现象，激发出单一模态导波，而且成本低廉，应用前景较广泛。而采用的多层并联曲折线圈与单层曲折线圈相比，其转换效率显著提升，接收的回波信号增强，不易受噪声的干扰，极大提高检测效率，有利于检测技术的发展。
32.为了产生垂直方向的均匀磁场，进而激发出单一s0模态，对普通电磁超声换能器(emat)进行改进，设计了由“拱桥”结构永磁铁、“金字塔”曲折线圈、脂类固体填充胶和待测件组成的新型emat。如图4所示，为了产生均匀磁场，对“拱桥”结构永磁铁二维建模，本实用新型实施例提供的一种产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器的设计过程：
33.步骤100，获取用户输入的电磁超声换能器参数，所述电磁超声换能器参数包括拱形结构中弧形凹槽的宽度和高度。
34.步骤200，根据以下公式确定拱形结构中弧形凹槽的宽度、高度和半径的关系为：
[0035][0036]
其中，w表示拱形结构中弧形凹槽的宽度，h表示拱形结构中弧形凹槽的高度，r表示拱形结构的弧形凹槽的半径。
[0037]
步骤300，通过以下公式确定永磁铁1上任意a点的坐标为：
[0038][0039]
利用拱形结构中弧形凹槽的宽度、高度和半径的关系，得到以下公式：
[0040][0041]
步骤400，通过以下公式确定在永磁铁1弧形凹槽中酯类固体胶4的任意b点到a点的距离为：
[0042][0043]
其单位矢为：
[0044][0045]
步骤500，根据磁场强度公式确定永磁铁1对b点的磁场强度为：
[0046][0047]
其中，μ0表示真空中的磁导率；q
m
表示磁荷的数值；表示磁荷位置与距离磁荷r处连线的单位矢。
[0048]
步骤600，根据同一个永磁铁1，每一处的磁荷数值相同，并利用公式(2)、公式(3)、公式(6)，得到永磁铁1对b点的磁场强度为：
[0049][0050]
即：
[0051][0052]
步骤700，根据公式(5)、公式(6)将磁场强度分解为水平方向分量h
bx
和垂直方向分量h
by
：
[0053][0054]
步骤800，由于要求产生垂直方向的磁场强度，将h
bx
设置为0，得到如下公式：
[0055][0056]
步骤900，利用公式(10)进行数学运算，可得拱形结构中弧形凹槽的宽度与高度的倍数系数：
[0057][0058]
其中，k表示拱形结构中弧形凹槽的宽度与高度的倍数系数。
[0059]
步骤1000，根据确定拱形结构中弧形凹槽的宽度与高度的倍数系数，进而得到产生单一模态兰姆波的电磁超声换能器。
[0060]
电磁超声换能器主要由永磁铁1、金属线圈单元2、酯类固体胶4组成。永磁铁1提供垂直方向的静磁场，通高频交流电的线圈提供交变磁场，磁场与电流相互作用在被测试件中产生超声导波，其工作原理如图5所示。
[0061]
在非铁磁性材料中，emat在试件内激发的超声导波主要基于洛伦兹力机理，垂直于试件平面的洛伦兹力(分量)产生a0模态(横波)，平行于试件平面的洛伦兹力(分量)产生s0模态(纵波)。因此，控制在时间内产生的洛伦兹力方向即可实现激发单一s0模态。
[0062]
为激发单一s0模态lamb波，对emat的永磁铁1采用拱形结构，使磁场在“拱桥”下方具有聚磁能力，即使静磁场方向与导波传播方向垂直。由于静磁场分布具有不均匀的特性，使得越靠近磁中心线的位置磁场分布越均匀，磁场强度越大，因此对emat的多层并联曲折线圈采用“金字塔”结构设计，提高emat对s0模态的换能效率。优化后电磁超声换能器的工作原理如图6所示。
[0063]
为了对本实用新型的效果进行说明，下面对本实用新型的方法进行验证：
[0064]
步骤一：基于comsol软件建立了二维多物理场有限元仿真模型，定义建模的参数；所述参数包括试件厚度、试件杨氏模量、试件泊松比、试件密度、试件电导率、永磁铁剩余磁通密度、永磁铁相对磁导率和线圈电导率。
[0065]
本步骤中，二维多物理场包括电场、声场、结构场，定义建模所需要的参数如下表所示：
[0066][0067]
所述参数包括试件(铝)厚度、试件(铝)杨氏模量、试件(铝)泊松比、试件(铝)密度、试件(铝)电导率、永磁铁剩余磁通密度、永磁铁相对磁导率和线圈电导率；
[0068]
步骤二：根据公式(11)，取w＝28mm，得：
[0069]
h＝2.69mm
ꢀꢀꢀ
(12)
[0070]
为验证“拱桥”结构永磁铁的聚磁效果，仿真得到普通方形永磁铁(h＝0)与“拱桥”式永磁铁(h＝2.7)形成的磁场如图7所示。
[0071]
步骤三：建立包括永磁铁、金属线圈、被测试件和空气层的几何模型。所述永磁铁(1)采用聚磁设计，在永磁铁下方与折叠线圈接触处为“拱桥”结构。所述线圈对普通多层折叠线圈进行“金字塔”优化设计，使折叠线圈层数由中间向两侧递减。有限元模型和结构参数如图8所示；
[0072]
步骤四：为了最大效率激发lamb波s0模态，根据相位匹配条件和频散曲线可知最
佳激发s0模态频率：
[0073][0074]
其中：v
so
是so模态板波群速度；d是导线间距。因此在线圈上施加频率为657khz的脉冲激励电压信号，如图9所示。在距离电磁超声换能器0.5m的位置接收基于洛伦兹力机制的导波信号，为了避免端面反射对仿真结果的影响，设置端面为软声场、低反射边界；
[0075]
步骤五：优化后的电磁超声换能器激发的超声导波，仍存在s0模态，如图10所示，主要有两个原因：一、由于永磁铁生成的静磁场分布具有不均匀的特点，使得“拱桥”型磁铁形成的磁场在“拱桥”下部分区域形成的磁场并不绝对均匀。二、线圈形成的交变磁场与涡流相互作用会产生垂直于铝板的洛伦兹力分量，因此会产生a0模态导波；
[0076]
步骤六：为充分验证新型emat结构的优化效果，排除永磁铁与铝板试件距离差异的影响，在对新型emat进行仿真验证的基础上，建立3组对比仿真实验，对比优化后的emat与普通emat、只优化永磁铁的emat、只优化线圈结构的emat激发单一s0模态的效果。3组emat有限元模型和结构参数如图11所示；
[0077]
步骤七：利用对比实验与普通换能器和部分优化的换能器进行仿真验证对比，对比结果如图12所示。从中可以看出，“拱桥”永磁铁和“金字塔”折叠线圈都可以抑制换能器激发a0模态导波，而不影响换能器激发s0模态导波。实验组采用“拱桥”永磁铁和“金字塔”折叠线圈可以基本消除a0模态导波。
[0078]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。