一种纵波-横波一体化电磁超声探头

1.本发明涉及非接触超声检测技术，具体涉及一种新型纵波-横波一体化电磁超声探头，能够产生超声纵波和超声横波，可用于金属材料测厚的校准。


背景技术：

2.由于目前对体波的激励和接收大多都是由传统的压电超声产生。传统的压电超声优点是灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是需要耦合剂，而且输出的直流响应差。而电磁超声具有可灵活产生各类波形，对检测工件表面质量要求不高和检测速度快等特点，目前国内外对电磁超声在表面波中的应用研究比较多，而对于电磁超声在金属内部产生的体波研究较少。因此开发一种新型的纵波-横波一体化电磁超声探头是非常有必要的。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种体积小、重量轻、低功耗的新型纵波-横波一体化电磁超声探头，该探头由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组来提供水平和竖直偏置磁场，两个回折型线圈来进行激励和接收信号，能够实现收发一体，易于在非铁磁性材料内激发和接收超声纵波和超声横波，可用于金属材料测厚的校准。
4.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种纵波-横波一体化电磁超声探头，该探头由矩形磁铁组2、第一回折型线圈4、第二回折型线圈8、第一信号连接线5、第二信号连接线6和固定矩形磁铁组的探头外壳1组成，所述矩形磁铁组2由多个相同磁极面对面布置的磁铁组成，探头整体呈长方体结构；
6.使用时将该电磁超声探头直接靠近被检金属构件表面，磁力线3由面对面布置的相邻两磁铁n极发出穿过相邻两磁铁间隙回到相邻两磁铁s极，在两磁铁正下方形成左/右交替排布的水平磁场，在两磁铁间系形成上/下交替排布垂直于被检金属构件表面的竖直磁场；第一回折型线圈4固定在磁铁下方，线圈导体部分位于磁铁正下方，线圈间隙正对于磁铁间隙；第二回折型线圈8固定在磁铁间隙，线圈导体部分位于磁铁间隙，线圈间隙位于磁铁正下方；第一回折型线圈4和第二回折型线圈8相互交错，分别通入射频脉冲电流，在被检金属构件表面感应交替排布的涡电流7，涡电流7与水平磁场相互作用形成垂直于被检金属构件表面13且同向的第一洛伦兹力9，从而在被检金属构件中实现超声纵波11的高效激发和接收；涡电流7与竖直磁场相互作用形成平行于被检金属构件表面且同向的第二洛伦兹力10，从而在被检金属构件中实现超声横波12的高效激发和接收。
7.所述矩形磁铁组(2)能够同时产生水平磁场和垂直于金属表面的竖直磁场，结构紧凑简单，便于移动。
8.所述第一回折型线圈4和第二回折型线圈8即能激励信号，也能接收信号，实现信号收发一体，易于在非铁磁性材料中产生超声纵波11和超声横波12，具有转化效率高和功耗低的优点。
9.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
10.1)传统的电磁超声探头只能用于单一波形的检测，而本发明的电磁超声探头既能够实现超声纵波的高效激发和接收，也能够实现超声横波的高效激发和接收，可用于金属材料测厚的校准。检测效率高，便于携带。
11.2)所述探头的矩形磁铁组2既能够提供水平偏置磁场，也能够提供垂直于被测试件的竖直偏置磁场，易于在非铁磁性材料中产生超声纵波和横波，具有转化效率高和功耗低等优点。
附图说明
12.图1为本发明探头总体结构示意图。
13.图2为本发明探头纵波激励与检测信号示意图。
14.图3为本发明探头横波激励与检测信号示意图。
15.图4为本发明回折型线圈示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
17.如图1所示，本发明提出一种新型纵波-横波一体化电磁超声探头，该探头由多个相同磁极面对面布置的磁铁组成的矩形磁铁组2、第一回折型线圈4、第二回折型线圈8、第一信号连接线5、第二信号连接线6和固定矩形磁铁组的探头外壳1组成，探头整体呈长方体结构。
18.所述的新型纵波-横波一体化电磁超声探头，有多个相同磁极面对面布置的磁铁组成的矩形磁铁组2，能够同时产生水平磁场和垂直于金属表面的竖直磁场，结构紧凑简单，为能激发超声纵波和超声横波提供了先决条件，并能够本发明探头的结构紧凑、易于携带。
19.如图4所示，所述的第一回折型线圈4和第二回折型线圈8为回折型结构，即能激励信号，也能接收信号，实现收发一体。
20.下面结合图2、图3和具体实施方式，对本发明探头作进一步的详细描述。
21.本发明的工作原理为：本发明探头可用于金属材料厚度的校准。首先准备一块厚的非铁磁性金属块13，当给位于多个相同磁极面对面布置的磁铁组成的矩形磁铁组2的正下方的第一回折型线圈4通入射频电流时，如图2，通过矩形磁铁组2中磁铁正下方来产生平行于非铁磁性金属块13的水平磁场,非铁磁性金属块13表面相当于一个整体导电回路，因此非铁磁性金属块表面将感应出电流，即涡电流7。涡电流7在水平磁场的作用下，产生垂直于非铁磁性金属块且同向的第一洛仑兹力9，而非铁磁性金属块13中的介质在应力的作用下将产生超声纵波11，超声纵波11基于洛伦兹力的逆效应产生回波信号，随后该信号通过第一信号连接线5被对回波信号进行定量分析设备接收。
22.当给位于多个相同磁极面对面布置的磁铁组成的矩形磁铁组2的间隙的第二回折型线圈8通入射频电流时，如图3，通过矩形磁铁组2中磁铁间隙来产生垂直于非铁磁性金属块13的竖直磁场,非铁磁性金属块13表面相当于一个整体导电回路，因此金属块表面将感应出电流，即涡电流7。涡电流7在竖直磁场的作用下，产生平行于非铁磁性金属块且同向的
第二洛仑兹力10，而非铁磁性金属块13中的介质在应力的作用下将产生超声横波12，超声横波12基于洛伦兹力的逆效应产生回波信号，随后该信号通过第二信号连接线6被对回波信号进行定量分析设备接收。
23.对回波信号进行定量分析设备通过对两种回波信号进行定量分析，可用于金属材料测厚的校准。


技术特征：
1.一种纵波-横波一体化电磁超声探头，其特征在于：该探头由矩形磁铁组(2)、第一回折型线圈(4)、第二回折型线圈(8)、第一信号连接线(5)、第二信号连接线(6)和固定矩形磁铁组的探头外壳(1)组成，所述矩形磁铁组(2)由多个相同磁极面对面布置的磁铁组成，探头整体呈长方体结构；使用时将该电磁超声探头直接靠近被检金属构件表面，磁力线(3)由面对面布置的相邻两磁铁n极发出穿过相邻两磁铁间隙回到相邻两磁铁s极，在两磁铁正下方形成左/右交替排布的水平磁场，在两磁铁间系形成上/下交替排布垂直于被检金属构件表面的竖直磁场；第一回折型线圈(4)固定在磁铁下方，线圈导体部分位于磁铁正下方，线圈间隙正对于磁铁间隙；第二回折型线圈(8)固定在磁铁间隙，线圈导体部分位于磁铁间隙，线圈间隙位于磁铁正下方；第一回折型线圈(4)和第二回折型线圈(8)相互交错，分别通入射频脉冲电流，在被检金属构件表面感应交替排布的涡电流(7)，涡电流(7)与水平磁场相互作用形成垂直于被检金属构件表面(13)且同向的第一洛伦兹力(9)，从而在被检金属构件中实现超声纵波(11)的高效激发和接收；涡电流(7)与竖直磁场相互作用形成平行于被检金属构件表面且同向的第二洛伦兹力(10)，从而在被检金属构件中实现超声横波(12)的高效激发和接收。2.根据权利要求1所述的纵波-横波一体化电磁超声探头，其特征在于：所述矩形磁铁组(2)能够同时产生水平磁场和垂直于金属表面的竖直磁场，结构紧凑简单，便于移动。3.根据权利要求1所述的纵波-横波一体化电磁超声探头，其特征在于：所述第一回折型线圈(4)和第二回折型线圈(8)即能激励信号，也能接收信号，实现信号收发一体，易于在非铁磁性材料中产生超声纵波(11)和超声横波(12)，具有转化效率高和功耗低的优点。

技术总结
本发明提供一种纵波-横波一体化电磁超声探头，该探头由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组、两个回折型线圈、信号连接线和探头外壳组成，其中一个线圈导体部分位于磁铁正下方，线圈间隙正对磁铁组间隙，另外一个线圈导体部分位于磁体间隙，线圈间隙位于磁铁组正下方。将该探头直接靠近被检试件表面，磁力线由面对面布置两磁铁N极发出穿过其间隙回到相邻两磁铁S极。在磁铁正下方产生水平磁场，在两磁铁间系产生竖直磁场。两个线圈分别通入脉冲电流，与水平磁场相互作用形成垂直于金属表面且同向的洛伦兹力，从而在金属中实现纵波的激发和接收。与竖直磁场相互作用形成平行于金属表面且同向的洛伦兹力，从而在金属中实现横波的激发和接收。激发和接收。激发和接收。


技术研发人员：裴翠祥 党庚
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/8/5