一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器的制作方法

本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器。

背景技术：

无损检测(nondestructivetesting，ndt)技术是指在不损伤被测物体性能、形状及内部结构的前提下，通过测量被测物因存在缺陷或者组织结构差异而使其物理特征量发生的变化，从而了解和评价被测物的性质、质量、状态或内部结构的技术。超声检测是现代工业中使用最为成熟的检测方式，但其在检测过程中需要耦合剂，不方便实际使用，而且存在检测盲区。

电磁超声(electromagneticacoustictransducer，emat)检测技术是在传统超声检测的基础上发展出来的新型检测技术，与传统的压电芯片激发超声波不同，电磁超声的超声波换能器是依靠电磁效应产生的超声波，因此其不需要耦合介质，具有非接触、检测速度快、对试件表面要求低等优点而被广泛应用于金属材料的缺陷检测中。但其存在检测盲区，对于表面和近表面缺陷难以检测。

涡流检测也是基于电磁效应的针对导体材料的检测技术，在检测过程中对表面和近表面缺陷有较好的检测效果，但因其趋肤效应的影响，对于一定深度的里层或下表面缺陷难以达到较好的检测结果甚至无法检测。电磁超声检测技术和涡流检测技术均是基于电磁效应的无损检测技术，都具有非接触、检测速度快的特点；同时，这两个检测技术在检测范围上能够结合各自的检测特点，相互补充，到达更好的检测效果。

国内外现有的电磁超声与涡流复合检测技术是采用的电磁超声探头与涡流探头分开激励接收的方式实现检测，即只是将两种探头组合在一起，实现两种检测技术的复合。这个方式存在的问题是电磁超声与涡流实际上仍然是分开地激励和接收，且两种探头在空间位置上不同，不能实现对同一位置实现实时的检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器，通过同一激励源同时激励产生出超声和涡流，并分别获取能够反映被测试件表面缺陷和内部及下表面缺陷的感应电压，以实现电磁超声和涡流的在线检测。

为实现上述发明目的，本发明为一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器，其特征在于，包括：

铜箔屏蔽层，为的空心圆柱体，其上表面带有端盖，在端盖上有两个bnc母头，分别为脉冲涡流bnc接口和电磁超声bnc接口；铜箔屏蔽层将整个传感器包裹在内部，以减小磁场的分布区域和外界磁场的干扰，提高了检测信号灵敏度；

永磁体，为实心圆柱体，放置于铜箔屏蔽层内，位于脉冲涡流线圈和电磁超声线圈的上方；永磁体的充磁方向为厚度方向，磁极方向为上方n极，下方为s极，为电磁超声线圈提供一个恒定的垂直方向的静磁场；

脉冲涡流线圈，为平面螺旋线形状，放置于铜箔屏蔽层的内部，位于永磁体的正下方；脉冲涡流线圈连接到脉冲涡流bnc接口。其接收来自被测试件近表面的脉冲涡流产生的感应电压信号

电磁超声线圈，为平面螺旋线形状，放置于铜箔屏蔽层的内部，位于脉冲涡流线圈的正下方；电磁超声线圈连接到电磁超声bnc接口，用于接收高频脉冲激励信号，同时在永磁体的静磁场下，在被测试件近表面激发超声，并接收超声的回波信号；

耐磨层，为平面圆盘状，位于电磁超声线圈正下方，其主要作用是封装铜箔屏蔽层，防止线圈与被测试件直接接触而损坏，起到保护传感器内部原件的作用；

电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器的工作原理为：首先，电磁超声线圈在高频高功率的纯音脉冲信号的驱动下产生初级磁场，初级磁场作用在被测试件上产生感应的脉冲涡流，脉冲涡流再产生感应的次级磁场；此时，处于初级磁场和次级磁场的叠加磁场中的脉冲涡流线圈将产生感应电压信号，脉冲涡流线圈中的感应电压信号通过后续的处理可以得到有关被测试件表面缺陷的信息；另一方面，脉冲涡流在永磁体的静磁场作用下产生洛伦兹力进而激励出超声震荡，形成超声波并向被测试件深处传播，超声波在传播过程中因被测试件内部的缺陷或者到达试件底部而反射回到被测试件表面，并在静磁场的作用下，产生远小于脉冲涡流的超声涡流；超声涡流在电磁超声线圈中感应出电压信号，然后电磁超声线圈中的感应电压信号经过电磁超声系统的处理后得到有关被测试件内部及下表面缺陷的信息。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器，通过同一激励源同时激励出超声与涡流，并分别使用两个通道接收电磁超声信号与脉冲涡流信号，实现对试件的近表面及试件内部缺陷的检测。具体说，电磁超声系统激励出高频高功率脉冲信号发送到电磁超声线圈中，电磁超声线圈在激励信号的驱动下产生脉冲涡流，脉冲涡流在永磁体的静磁场下产生超声；脉冲涡流线圈接收到来自电磁超声线圈的初级磁场和被测试件中的脉冲涡流的次级磁场的感应电压信号后，通过示波器采集处理后得到关于被测试件表面缺陷的信息；而电磁超声线圈在接收到超声回波的感应电压信号后，经过电磁超声系统的放大滤波处理后的得到关于被测试件内部及下表面缺陷的信息。

同时，本发明一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器还具有以下有益效果：

(1)、实现了电磁超声检测技术与脉冲涡流检测技术的复合，实现两种检测技术的互补，即脉冲涡流检测技术实现试件的近表面缺陷的检测，电磁超声检测技术实现对试件内部缺陷及下表面缺陷的检测；

(2)、使用同一激励源同时激励超声与涡流，实现了超声和涡流的同时在线检测；

(3)、使用fpc柔性线圈打印制作超声线圈与涡流线圈，可以有效增强初级磁场的大小，提高检测线圈的幅值和信噪比，这样可以减小对激励信号功率的要求。

附图说明

图1是本发明一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器的工作原理图；

图2是本发明一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器的主视图；

图3是脉冲涡流线圈和电磁超声线圈的示意图；

图4是脉冲涡流线圈在无缺陷和有缺陷试件上的检测信号图；

图5是脉冲涡流检测信号对不同缺陷的差分幅值图；

图6是电磁超声线圈的检测信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器的工作原理图。

在本实施案例中，如图2所示，本发明一种电磁超声与脉冲涡流复合检测传感器，包括：铜箔屏蔽层1，永磁体2，脉冲涡流线圈3，电磁超声线圈4，脉冲涡流bnc接口5，电磁超声bnc接口6，耐磨层7。

其中，图2为主视图，图3为线圈的俯视设计图，下面结合这两幅图对本发明描述的传感器进行具体说明。

铜箔屏蔽层1为的空心圆柱体，其上表面带有端盖，由铜箔等非铁磁性材料制作而成，其内外径差值小于0.5mm，高度为40～60mm。在其上表面的端盖上有两个bnc母头，分别为脉冲涡流bnc接口5和电磁超声bnc接口6。铜箔屏蔽层将整个传感器部分(永磁体2、脉冲涡流线圈3，电磁超声线圈4)包裹在内部，起到保护和固定传感器原件的作用。此外铜箔屏蔽层还能减小磁场的分布区域和外界磁场的干扰，提高了检测信号灵敏度；

永磁体2为实心圆柱体，放置于铜箔屏蔽层1的内部，在脉冲涡流线圈3和电磁超声线圈4的上方，由钕铁硼合金强磁性材料制作而成。其充磁方向为厚度方向，磁极方向为上方n极，下方为s极。其高度范围为30～50mm之间，一般选择大于直径的高度以保证产生较强的静磁场。其剩磁为1.2t，其直径范围不小于35mm，永磁体的直径需要大于电磁超声线圈的直径，才能保证在电磁超声线圈里永磁体磁场的方向为垂直方向。永磁体的作用是为电磁超声线圈提供一个恒定的垂直方向的静磁场。

脉冲涡流线圈3为平面螺旋线形状，由单层fpc柔性线圈打印而成；其半径范围在25～30mm之间，匝数在50～60匝之间，线宽为0.127mm，匝间距为0.127mm，线高为0.1mm；脉冲涡流线圈放置于铜箔屏蔽层1的内部，位于永磁体2的正下方。脉冲涡流线圈连接到位于铜箔屏蔽层端盖的脉冲涡流bnc接口5。脉冲涡流线圈的作用为接收来自被测试件产生的感应电压信号，通过感应电压信号的幅值和相位变化可以得到被测试件表面缺陷的信息。

电磁超声线圈4为平面螺旋线形状，由单层fpc柔性线圈打印而成，采用和脉冲涡流检测线圈3相同的工艺；电磁超声线圈同样放置于铜箔屏蔽层1的内部，位于脉冲涡流线圈的正下方，两线圈之间的距离为1～2mm。电磁超声线圈连接到位于铜箔屏蔽层端盖的电磁超声bnc接口6。电磁超声线圈的作用为接收高频高功率的脉冲激励信号，从而在永磁体2的静磁场下在试件近表面激发出超声，并接收超声回波的感应电压信号。

脉冲涡流bnc接口5为带有卡口的圆柱体，是标准的bnc母头，其安装在铜箔屏蔽层1的上表面端盖上。脉冲涡流bnc接口连接到脉冲涡流线圈3，为脉冲涡流线圈提供标准的bnc接口，减少信号的干扰。

电磁超声bnc接口6与脉冲涡流bnc接口5一样也是安装在铜箔屏蔽层1端盖上的bnc母头。其连接到电磁超声线圈4。

耐磨层7为平面圆盘状，由橡胶材料制作而成，其半径大小为35～40mm，高度小于1mm，位于电磁超声线圈4正下方。其主要作用是封装铜箔屏蔽层1，防止线圈与试件直接接触而损坏，起到保护传感器内部原件的作用。

结合图1，对整个电磁超声与脉冲涡流复合检测系统的原理描述如下：首先，使用bnc连接线将复合传感器的电磁超声bnc接口6与电磁超声系统连接，同时用bnc连接线将脉冲涡流bnc接口5与示波器连接，并将连接好的传感器置于被测试件上；然后，电磁超声系统发送高频高功率的纯音脉冲信号到电磁超声线圈4，电磁超声线圈在激励信号的驱动下产生初级磁场；初级磁场作用在被测试件上，被测试件中产生脉冲涡流；脉冲涡流产生出次级磁场。一方面，处于初级磁场和次级磁场的叠加磁场中的脉冲涡流线圈3产生感应电压，然后感应电压信号被输入到示波器中进行处理后的得到关于被测试件表面缺陷的信息；另一方面，脉冲涡流在永磁体2产生的静磁场作用下产生洛伦兹力进而激励出超声震荡，形成超声波并向试件深处传播。最后，向试件深处传播的超声波因试件内部的缺陷或者到达试件底部而反射回到试件表面，并在静磁场的作用下，产生超声涡流；超声涡流产生感应磁场，在电磁超声线圈4中感应出电压信号，然后感应电压信号被输入到电磁超声系统中进行放大滤波处理后得到关于被测试件内部及下表面缺陷的信息。

此外，永磁体2的直径、高度，脉冲涡流线圈3、电磁超声线圈4的线径大小、匝数、内外径、线材材料，铜箔屏蔽层1的内外径差、高度、制作材料，均可以根据具体使用情况以及针对的被测试件进行优化改变。

图4是本发明所述传感器在一块厚度为10mm的铝板上不同位置处的涡流检测线圈所采集到的信号图；其中有四处位置为四个缺陷正上方处，其深度均为4mm，宽度分别为2mm、4mm、6mm和8mm，另外取一无缺陷位置作为对比。从图4中可以清楚看到，缺陷位置处的幅值相对与无缺陷处的幅值要高，且随着缺陷宽度的增加而呈现递增的关系。图5是对涡流线圈采集的信号进行差分处理后的幅值比较结果，可以清楚地看到随着缺陷宽度的增加，差分幅值也呈现递增的趋势。

图6是本发明所述传感器在这块厚度为10mm的铝板上所采集到的电磁超声信号图；本传感器电磁超声线圈产生的是超声横波，超声波传播方向为垂直向下。从图6可以明显的看出电磁超声的各次回波信号。根据超声回波信号的时间差可以计算出铝板的厚度及是否有内部缺陷。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。