基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁超声探测技术，具体涉及利用一种机电混合装置来产生能量聚集的交变电磁场和交变磁场，在探测物体表层引起涡流，产生超声波波源来进行探测的装置与方法。
【背景技术】
[0002]超声探测主要是利用发射超声波经过探测物体反射后接收反射波，分析发射波和反射波来反演探测目标的某种声学参数分布函数，从而对探测目标的材质、厚度、内部缺陷的位置与大小等方面进行评定。超声的探测应用主要包括在工业上对各种材料的探测和在医疗上对人体的探测诊断，通过它可以探测出金属等工业材料中有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以探测出人体的软组织、血流等是否正常。
[0003]传统超声探测所用的换能器采用压电式，通常需要耦合剂才能实现与探测物之间的良好耦合，且对探测物的表面平整度要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的探测环境，而且耦合剂的使用会改变探测物表面缺陷的声学性能，因此难以检测探测物浅表的缺陷。
[0004]上世纪60年代，一种不用耦合剂就可以激发超声波的换能器被发现，很大程度上弥补了压电传感器的不足，它采用电磁耦合的方式在探测物中激发和接收超声波波源信号，这种换能器被称为电磁超声换能器。此种探测方式避免使用耦合剂，适用于高温、高速、粗糙表面等极端情况或者恶劣工作条件下。电磁超声换能器主要由磁铁、高频线圈和探测物趋肤层(表面)组成。当高频线圈通过高频电流时，它在探测物的趋肤层内产生与高频线圈的高频电流频率相同、方向相反的涡流，此涡流在由磁铁提供的静态磁场的作用下，受到机械力的作用，从而产生高频震荡，形成超声波波源。在接收超声波时，探测物表面的震荡也会在静态磁场的作用下产生感生电磁场，在接收的高频线圈中感应出电压并被换能器接收。这种探测方式尤其适合应用在非接触式的探测中。
[0005]电磁超声探测技术相比于传统的压电式超声检测技术，在非接触探测方面有以下几个优点:(I)无需任何耦合剂。电磁超声换能器电磁到超声的能量转换是在探测物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)电磁超声探测是一种非接触的检测方式，不要求检测装置与探测物物理接触，因此使用更为灵活；(3)对探测物表面质量要求不高。电磁超声换能器不需要与探测物接触，因此对探测物表面不要求特殊清理，较粗糙的表面也可直接检测。
[0006]但是现有的电磁超声探测仍有需要改进的地方:如，主要是用电的方式来产生磁场，即是用交变电流来产生，形式单一，由电场变成磁场有能量的损耗，转换效率低；产生的超声信号的频率取决于交变电流的频率，一般加载几百或者几千Hz到IMHz左右的高频电信号，且频带不宽；电磁超声换能器的转换效率较低，接收到的信号幅值较小，有碍于检测精度的提高；当电磁超声换能器为收发一体式的时候，接收的高频线圈会受到发送高频线圈产生的强的电磁场影响，致使探测物表面产生的涡流所产生的感生电磁场受到影响，使得接收的高频线圈中感应出的电压干扰严重，信噪比较低。
【发明内容】
[0007]针对目前电磁超声探测交变磁场产生方式主要以交变电流为主，产生的超声信号频带不宽，电能到磁能的转换损失导致换能器转换效率低，受干扰严重等不足，本发明提出一种基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统。该装置用机电混合装置的若干个共轭线圈对产生交变电磁场以及其机械运动使得静态磁场转变成交变磁场，同时机械运动使交变电磁场有规律的泄露，使得在探测物处磁场能量汇聚，形成有规律的宽频调频超声波波源。超声波在探测物中传播，经反射后在探测物表面震荡产生感生电磁场。再利用放置在若干个共轭线圈对产生的交变电磁场强度和静态磁场强度都很微弱的位置处的磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号。本发明通过如下技术方案实现:
[0008]基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统，包括机电混合装置和后台数据处理平台。机电混合装置由若干个共轭线圈对、磁感应接收阵列、开孔屏蔽罩和可旋转快门盘组成。所述共轭线圈对提供交变电磁场和静态磁场；磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号；开孔屏蔽罩屏蔽磁场，共轭线圈对和磁感应接收阵列置于此开孔屏蔽罩内，只向一些特定的开孔泄露磁场，形成磁场能量的汇聚；可旋转快门盘，内置于开孔屏蔽罩底面上面，或者外置于开孔屏蔽罩底面下面，机械运动控制开孔屏蔽罩的开孔的打开和闭合，使得静态磁场转变成交变磁场，与开孔泄露的交变电磁场在探测物表面，形成有规律的宽频调频超声波波源。后台数据处理平台主要负责产生共轭线圈对所需的交变电流信号，且对磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收到的探测物反射的超声波信号进行处理。后台数据处理平台和机电混合装置的若干个共轭线圈对以及磁感应接收阵列之间的数据传递需要电缆的连接，通信可以用有线或者无线的方式。
[0009]作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述机电混合装置的若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上倾斜放置，每个共轭线圈对放置位置和倾斜的角度可以设定，设定的原则是共轭线圈对置于开孔屏蔽罩内后在开孔屏蔽罩底面开孔处泄露出去的交变电磁场，以及机械运动使得静态磁场转变为交变磁场，形成发送端磁场(包括交变电磁场和交变磁场)能量的汇聚。也可以通过改变共轭线圈对放置的位置和倾斜的角度来改变磁场能量的汇聚点。
[0010]上述共轭线圈对由一对线圈组成，每个线圈中间都放置永磁体，但是极性相反放置。其中一个线圈中间放永磁铁，N极在下，S极在上，线圈通顺时针的交流电，另外一个与之共轭的线圈中间放永磁铁，N极在上，S极在下，线圈通逆时针的交流电。共轭线圈对每个线圈绕制后的形状取决于中间放置的永磁体的形状，可以为方形体、圆柱体、三棱柱等。这样的一对线圈，由于每个线圈中间放置的永磁体极性相反放置，线圈通的交流电也反向，所以称为共轭线圈对。工作时，线圈通交变电流产生交变电磁场，永磁体产生静态磁场，根据电磁场理论，共轭线圈对中心的交变电磁场和静态磁场都被抵消，磁场强度为0，中心附近的区域磁场强度也很微弱。
[0011]若干个共轭线圈对呈圆对称在开孔屏蔽罩底面一个半径为R的圆环上放置后，在圆环中心的交变电磁场和静态磁场磁场强度都为O，其它相邻区域的磁场强度也很微弱。
[0012]作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述磁感应接收阵列由线圈或者磁敏元件组成，可以封装成任意形状，如圆形、方形等。磁感应接收阵列由支撑架支撑放置在开孔屏蔽罩底面的中心，中心的磁场强度为0，其它相邻的不为0，但是因为阵元位置确定，共轭线圈对位置确定，所以容易计算出磁感应接收阵列中每个阵元的磁场强度，相当于共轭线圈对在磁感应接收阵列处产生的干扰是已知的。因此磁感应接收阵列感应感生电磁场的变化，从而接收探测物反射的超声波信号时可以去除这部分干扰。支撑架的材质，选用不影响磁场的非金属材质，如木材等。
[0013]作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述开孔屏蔽罩罩住共轭线圈对和磁感应接收阵列，由磁屏蔽材料制作，如铝合金、镍铁高磁导率合金等，它屏蔽磁场，只能向开孔处泄露磁场。开孔屏蔽罩罩形状可以是圆柱体、圆锥体、立方体、半圆球体等。开孔屏蔽罩底面在一个半径为R的圆环上开孔，开孔位置位于共轭线圈对每个线圈底部的正下方，开孔形状、大小和共轭线圈对的线圈一致。如，开孔屏蔽罩底面圆环上等分放置M个线圈，线圈中间放置圆形永磁体，则开孔屏蔽罩底面也等分开M个圆形孔。另外开孔屏蔽罩底面中心开孔，称为中心孔，其形状和大小与上面放置的磁感应接收阵列封装后的形状和大小一致，如，磁感应接收阵列封装为一个圆形，则开孔屏蔽罩底面的中心孔为同等大小的圆孔。这个中心孔开孔目的是为了使探测物反射的超声波在探测物表面震荡产生的感生电磁场能穿过此孔，被磁感应接收阵列感应出电压并被接收。
[0014]上述开孔屏蔽罩上方可以有支架，使得开孔屏蔽罩连同共轭线圈对和磁感应接收阵列可以左右上下一起移动，以便磁场能量汇聚点的左右上下移动。
[0015]作为上述基于机电混合调频聚能照射的电磁超声探测系统的优化方案，所述可旋转快门盘由磁屏蔽材料制作，另外联合若干个马达一起工作，对开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔进行间断性的遮挡，马达用微型电池供电。可旋转快门盘有若干个开孔，这里称为快门孔。可旋转快门盘在马达的控制下旋转运动，当旋转到某个快门孔正对开孔屏蔽罩底面的某个开孔时，则此开孔被打开。逐渐旋转，此开孔又逐渐被遮挡，到完全遮挡，如此往复，使得开孔屏蔽罩底面圆环上的开孔有规律的打开和关闭，使得静态磁场变成交变磁场。交变电磁场也通过这些