基于恒定电磁源机动变频感应场的物体检测方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁超声检测领域，特别涉及一种基于恒定电磁源机动变频感应场的物体检测方法与装置。
【背景技术】
[0002]超声检测是工业上常用的无损检测方法之一。该方法发射超声波与被测物体相互作用，通过研究反射、透射和散射波得到检测目标的某种声学参数分布函数，从而对检测目标的材质、厚度、内部缺陷的位置与大小等方面进行评定。
[0003]传统超声检测采用压电式，即将电压加在压电陶瓷或石英晶片探头上，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质进入被测物体，遇到缺陷或材质改变后反射，部分反射波被探头接收，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大后进行显示。这种方法通常需要耦合剂才能实现与被测物体之间的良好耦合，且对被测物体的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测环境。
[0004]电磁超声(Electromagnetic Acoustic，EMA)检测是一种新的无损检测技术。电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)由三部分组成:(I)磁铁:提供外加磁场；(2)高频线圈:产生交变磁场；(3)被测物体。当置于被测物体表面的高频线圈通过高频电流时，它在被测物体的趋肤层内产生涡流，此涡流在外加磁场的作用下，受到机械力的作用，从而产生高频振动，形成超声波波源。在接收超声波时，被测物体表面的震荡也会在外加磁场力的作用下，在高频线圈中感应出电压并被仪器接收。EMA检测技术相比于传统的压电式超声检测技术，有以下几方面优点:(I)无需任何耦合剂。EMAT的能量转换是在被测物体表面的趋肤层内直接进行的，因此所产生的超声波不需要任何耦合介质，可以适用于多种检测环境，如干燥、高温、低温等环境；(2) EMAT是一种非接触的检测方式，不要求检测装置与被测物体物理接触，因此使用更为灵活；(3)可以灵活地产生各类波形，包括SH波。而SH波在传统压电式超声检测中很难耦合至被测物体；(4)对被测物体表面质量要求不高。EMAT不需要与被测物体接触，因此对被测物体表面不要求特殊清理，较粗糙的表面也可直接检测；(5)检测速度快。传统压电式超声的检测速度一般都在10米/分钟左右(国产设备)，而EMAT可达到40米/分钟，甚至更快。
现有电磁超声检测存在的主要问题是(I)换能效率不高。EMAT换能器产生的原始信号一般功率较低，因此需要更复杂的信号处理技术隔离噪声；(2)发射源对反射信号干扰严重，反射信号信噪比较低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术换能效率不高、接收信号信噪比低等不足，提供一种基于恒定电磁源机动变频感应场的物体检测装置。
[0006]本发明的另一个目的在于提供一种基于恒定电磁源机动变频感应场的物体检测方法。
[0007]本发明的目的通过以下的技术方案实现:
本发明的基本原理是采用永磁铁结合通有直流电的线圈，形成恒定电磁源。通过运动遮挡方式，使被测物体表面形成交替变化的电场和磁场强度，即形成交变感应场，从而在趋肤层内引起涡流，最终产生超声波波源。接收时利用磁感应元件感应超声波的反射波所引起的磁场，经后台处理器处理后得出被测物体的检测结果。本发明中电磁超声的发射端与接收端相对静止，且发射端为恒定电磁源，因此根据电磁理论，发射端对接收端不造成干扰，接收信号的信噪比大幅提升，检测精度大大提高。
[0008]本发明包括一个前端检测装置和后台处理器。前端检测装置将所获取的检测数据发送给后台处理器；后台处理器负责接收前端检测装置发来的数据，并进行分析处理，提供检测结果。
[0009]前端检测装置包括永磁铁、线圈、磁屏蔽罩、马达、磁感应元件、固定杆。本发明采用永磁铁结合通有直流电的线圈，形成恒定电磁源，并将其置于磁屏蔽罩内，永磁铁的一端贴近磁屏蔽罩的内壁。永磁铁的形状可以根据需要选择，可选形状包括圆柱体，长方体，三棱柱等。磁屏蔽罩的功能是屏蔽磁场和电场，即磁屏蔽罩内的磁场和电场不能泄露到磁屏蔽罩外，同时磁屏蔽罩外的磁场和电场不能进入磁屏蔽罩内。本发明可以根据需要选用不同材料、不同形状的磁屏蔽罩，可选材料包括铝合金、镍铁高磁导率合金等，可选形状包括圆柱体、球体、长方体等。
[0010]永磁铁贴近磁屏蔽罩内壁的一端周围安置若干磁感应元件，以永磁铁为中心对称分布，其数量可以根据需要灵活选择，磁感应元件可以是磁敏元件、线圈等。磁感应元件必须与永磁铁和线圈保持相对静止，从而不会对恒定电磁源进行感应。
[0011]在磁屏蔽罩靠近永磁铁一端开若干小孔组，每个小孔组包括一个中心孔和若干围绕中心孔对称分布的周边孔。周边孔的数目与磁感应元件的数目相同。中心孔既作为发射孔，也作为接收孔；周边孔则作为接收孔。小孔形状可以根据需要，比如匹配被测物体的形状等，相应设置。小孔形状可以是圆形、方形、直线形、曲线形等。当磁屏蔽罩某个小孔组的发射孔与永磁铁上下对齐时，其周边接收孔应与磁感应元件—对齐。由于磁屏蔽罩对电磁场的屏蔽作用，恒定电磁源所产生的电场和磁场只能通过发射孔和接收孔泄露到磁屏蔽罩外。当永磁铁与某个小孔组的发射孔正对时，恒定电磁源的电场和磁场从该小孔组的发射孔泄露到磁屏蔽罩外，此时被置于永磁铁下方的被测物体感应到最强的电场和磁场；当永磁铁与发射孔由正对位置稍微错开时，被测物体所感应的电场和磁场强度有所减小；当永磁铁远离发射孔，以至于从发射孔泄露到磁屏蔽罩外的电场和磁场完全移出被测物体时，被测物体所感应的电场和磁场强度最小。综上所述，本发明通过恒定电磁源与磁屏蔽罩上小孔组的相对运动，以及磁屏蔽罩的遮挡作用，使被测物体表面形成交替变化的电场和磁场强度，即形成交变感应场，从而产生涡流，最终形成超声波波源。
[0012]恒定电磁源与磁屏蔽罩小孔组的相对运动可以通过以下方法中的任意一种实现:
方法一:将磁屏蔽罩与一马达相连，恒定电磁源保持静止，磁屏蔽罩在马达的带动下，能够以不同的速率运动；
方法二:将永磁铁与一马达相连，磁屏蔽罩保持静止，永磁铁在马达的带动下，使恒定电磁源以不同的速率运动； 方法三:将磁屏蔽罩和永磁铁分别与一马达相连，磁屏蔽罩和永磁铁均在马达的带动下，以不同的速率运动。
[0013]运动速率决定了交变感应场的变化频率，而交变感应场的变化频率决定了所产生的超声波的频率。各个装置的运动模式可以根据需要设计，比如:平面旋转、往复摆动等。当磁屏蔽罩和恒定电磁源同时运动时，可以使交变感应场的变化频率、变化模式更加多样化。通过控制运动装置的速率，可以实现不同变化频率的交变感应场，从而产生宽频超声波信号。宽频信号可以增大信号的信息量，从而提升检测精度。
[0014]上述所产生的超声波信号在被测物体中传播，当遇到介质改变(例如:被测物体有内部裂纹、有气泡、或者装有其他介质等情况)时发生反射，反射波在被测物体表面引起磁场，磁场通过磁屏蔽罩的接收孔被磁感应元件接收。由于永磁铁周围安置了多个磁感应元件，因此可以形成磁感应接收阵列，提高检测精度。当永磁铁与某个小孔组的发射孔正对时，磁感应元件与该发射孔的周边孔上下对齐，此时磁感应元件感应到最强的磁场，所接收数据的准确度最高；当永磁铁与发射孔由正对位置逐渐错开时，磁感应元件所感应的磁场强度也逐渐减小，所接收数据的准确度有所降低。因此，选择永磁铁与发射孔处于正对位置时所接收的数据进行处理，检测精度更高。
[0015]当需要大功率超声波信号时，可在磁屏蔽罩内的直流线圈两端加载高压，通过调节直流线圈