一种基于磁致伸缩机制的电磁超声兰姆波换能器的制作方法

本发明设计了一种新型电磁超声换能器，该换能器以铁磁性板材为检测对象。新换能器的激励机制主要基于磁致伸缩力，与传统线性电磁超声换能器相比，最大特点在于采用立式线性线圈与磁铁分离结构，该结构可以在更大的提离距离下实现超声波激励，更具实际应用价值。新设计的换能器可以应用于缺陷检测、金属织构测量、板材测厚等领域。

背景技术：

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)是一种非接触型超声波检测装置。该装置依靠电磁耦合方式直接在受检试件内部形成超声声源，具有非接触特性。此外，电磁超声换能器还具有低成本、通过结构设计可以激励多种超声波类型等特点。电磁超声换能器的换能机制主要分为洛伦兹力，磁致伸缩力和磁化力。其中洛伦兹力存在于各种金属试件中，后两种只存在于铁磁性试件中，磁化力对声波产生影响较小，通常不予考虑。

洛伦兹力换能机理：通入高频交变电流的线圈靠近金属表面，会在集肤深度内产生感应涡流。使用磁铁提供静态垂直磁场，感应涡流会在静态磁场作用下产生洛伦兹力，通过洛伦兹力引起质点高频振动形成超声波。

磁致伸缩力换能机理：在无外加磁场条件下，铁磁性材料中自旋磁矩能在一个个微小的区域内自发的排列形成磁化小区域，称为磁畴。通过动态交变磁场引起磁畴发生长度、体积或形状的变化，这种变化同样可以产生超声波。图1是铁磁性材料磁致伸缩曲线，曲线表示材料应变与外加磁场强度的变化关系。磁铁提供稳定静态偏置磁场H_s，施加高频动态磁场对静态磁场产生扰动引起合成磁场强度改变ΔH，进而引起材料应变改变Δε，应变改变引起的高频振动可以以超声波的形式向外传播。

超声兰姆波：

兰姆波是纵波和横波振动相互耦合形成的导波。主要分为对称模态S_n和反对称模态A_n，1mm钢板中兰姆波群速度频散曲线如图2所示。兰姆波存在多模态现象，随着频率增加，会激励更多模态兰姆波。同时，兰姆波是频散波，速度随着频率变化而改变。S₀和A₀在任何频率下都存在，其它模态兰姆波都存在截止频率，即在给定板厚时，某种兰姆波可以传播的最小频率。频厚积(超声波信号频率与待测试件板厚的乘积)小于1.5MHz·mm时，只激励S₀和A₀兰姆波，可以减少信号解析难度。图3分别给出S₀兰姆波和A₀兰姆波质点振动示意图，S₀兰姆波在板材厚度方向呈现对称分布，A₀兰姆波在板材厚度方向呈反对称分布。由图2频散曲线可知，S₀兰姆波在低频范围速度波动较小，与之相比，A₀兰姆波有明显频散现象。对称模式S₀主要是面内振动(平行于板材表面)引起，反对称模式A₀主要是面外振动(垂直于板材表面)引起。

传统线型电磁超声换能器的设计多基于洛伦兹力，使用铜漆包线围绕磁铁进行线性缠绕，该种换能机制通过金属板材内产生的涡流与磁铁提供的垂直磁场相互作用产生超声波。随着线圈提离距离的升高，涡流呈指数衰减，磁场强度同样随着磁铁提离距离的增加快速衰减，因此该结构的提离距离通常小于5mm。低提离距离下磁铁与板材的强吸引力很容易导致换能器与板材发生剧烈碰撞，甚至导致操作人员的意外受伤。

为优化换能器的提离特性，使换能器可以在更高提离距离下实现激励，本发明设计了一种基于磁致伸缩力的电磁超声换能器。新电磁超声换能器包括立式线圈、磁铁和铁磁性板材三部分。新换能器的最大特点在于采用立式线性线圈与磁铁分离结构，线圈在3D塑料模型线性缠绕，磁铁放置于线圈正上方。线圈和磁铁可以分别进行提离距离的调整。与传统线性换能器相比，本发明设计的换能器可以在更高提离距离下实现超声波激励。同时，磁铁对铁磁性板材的吸引力随提离距离的增加大大减弱，新换能器可以减少吸附力给检测带来的不利影响。

技术实现要素：

为优化电磁超声换能器提离特性，本发明设计了一种基于磁致伸缩机制的换能器。

一种新型电磁超声换能器，包括脉冲发射器，发射换能器和接收换能器，脉冲发射器位于发射换能器上方，发射换能器和接收换能器位于待测钢板同一侧，所述脉冲发射器发射脉冲电流，该电流作为激励信号施加到发射换能器，所述的发射换能器采用铜漆包线在圆柱模型上线性缠绕，磁铁位于圆柱模型正上方，水平方向磁化，所述的发射换能器在待测钢板中产生超声波，超声波在钢板中传播后被接收换能器接收，所述的接收换能器采用铜漆包线在圆柱模型上线性缠绕，磁铁位于圆柱模型正上方，水平方向磁化。

本发明的另一个优选方案是所述的铜漆包线直径范围0.03mm至5mm，用于线圈缠绕的圆柱模型直径范围10mm至100mm，高度范围3mm至50mm，线圈缠绕匝数3到80圈。

本发明的再一个优选方案所述的磁铁是块状磁铁或马蹄形磁铁。

附图说明

图1为铁磁性材料磁致伸缩曲线。

图2为1mm钢板中兰姆波群速度频散曲线。

图3(a)，(b)分别为S₀兰姆波和A₀兰姆波质点振动示意图。

图4为线性线圈缠绕方式。

图5为线圈、磁铁和待测钢板相对位置关系及磁场与铁磁性板材耦合示意图。

图6为实验原理图。

图7为超声兰姆波波形。

具体实施方式

所述磁致伸缩换能器的设计如图4和图5所示。图4为线圈缠绕方式，选择直径为0.03mm至5mm的铜漆包线在圆柱形塑料3D打印塑料模型进行线性缠绕，3D打印模型的直径范围为10mm至100mm，高度范围为3mm至50mm，线圈缠绕匝数为3到80圈。线圈、磁铁和铁磁性板材位置关系如图5所示：磁铁水平方向磁化，放置于3D打印模型正上方，为铁磁性板材提供水平静态偏置磁场。激励脉冲电流频率与铁磁性板材厚度的乘积小于1.5MHz·mm，以保证只激励S₀和A₀兰姆波。换能过程在线圈和待测铁磁性板材之间进行，耦合示意图如图5所示。x轴表示铁磁性板材上表面，y轴正半轴表示空气域，y轴负半轴表示铁磁性板材内部。换能器与待测铁磁性板材通过电磁场进行耦合：磁铁为待测钢板提供静态偏置磁场B_s，线圈内通入高频大功率发射电流J_C，在铁磁性板材中产生动态磁场B_d。合成磁场的改变引起材料内部应变变化，高频振动产生超声波。

方案实施原理图如图6所示，采用一发一收的布置方式。由脉冲发射器发射脉冲电流，脉冲频率成分0到500kHz，电流强度约为270A。该脉冲电流作为激励信号施加到发射换能器。发射换能器局部示意图如图4和图5所示：所使用的模型采用直径35mm，高度12mm圆柱模型，选择直径0.68mm铜漆包线在圆柱模型进行线性缠绕10圈。磁铁位于塑料模型正上方，水平方向磁化。发射换能器在1mm待测钢板中产生超声波。超声波在钢板中传播后被接收换能器接收。接收换能器的局部示意图如图4和图5所示。所使用的模型采用直径35mm，高度12mm圆柱模型，选择直径0.08mm铜漆包线在圆柱模型进行线性缠绕20圈。磁铁位于塑料模型正上方，水平方向磁化。在实验过程中，发射换能器和接收换能器的线圈提离高度以及磁铁提离高度都可调整。接收到的信号首先经500kHz低通滤波器滤波，然后经过50dB增益放大器放大，最后由示波器显示存储。

电磁超声换能器作为一种非接触检测手段，提离距离特性(换能器与待测试件间距离)是其性能评价的一个重要重要指标。实验过程中，发射和接收换能器同时保持10mm线圈提离高度和24mm磁铁提离高度时，采集到的S₀兰姆波波形如图7所示。从图中可以看出，在换能器线圈提离10mm实验条件下，信号仍具有很高信噪比。10mm提离距离远大于传统线性换能器5mm提离距离限制，新设计的基于磁致伸缩换能机制的电磁超声换能器可以在更高提离距离下对待测试件进行检测。