一种用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器的制作方法

本发明涉及电磁超声换能器设备领域，具体为一种用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器。

背景技术：

球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种强度较高的铸铁材料，是通过球化和孕育处理得到球状石墨材料，具有很高的机械性能，其综合性能很接近于钢；将球墨铸铁铁液倒入离心机的管模内，经高速运转铸成的管称之为离心球墨铸铁管，简称球墨铸管；球铁管具有高强度、耐腐蚀、韧性好、使用寿命长等特点，其综合优势是其它管材所不具备的；因此，近年来球墨铸铁管在国内外得到普遍应用。但球铁管的水冷生产工艺决定其壁厚不能十分均匀。

电磁超声换能器是一种新型的技术，其特点是非接触、无需耦合、材料表面要求低、安全、可靠、便捷等独特优势而成为铸管常温，高温，在线，离线式厚度检测的一种理想的技术方案。

目前壁厚的测量在生产实际中主要是人工手持千分尺测量管子端部的厚度，这些传统的测量壁厚的方法速度慢，劳动量大，浪费材料己经不能适应现代化生产的需要，测量精度也无法保证。

有一种是用压电超声测厚方式，采用的是压电超声换能器，压电式换能器采用接触测量对被检测表面要求高，易受噪音、电磁、被测物表面氧化铁皮等杂物干扰，造成加大误差，而且由于球墨铸铁表面粗糙，为一层凸起的小球，非常粗糙，同时强度高，材料具有比较严重的各向异性，传统的压电超声在检测前必须经过打磨后涂上耦合剂才能进行检测，高温的100度以上的时候，很难用压电探头做测厚，高温耦合剂不仅价格昂贵而且结果不稳定而且仅能抽检少量铸管，而且在线测厚的时候需要大量纯净水，造成水资源浪费。

另一种是用X射线测厚，如专利号为201620195318.4提到的一种球墨铸铁管X射线壁厚检测装置，它是利用X射线收发装置，对球墨铸铁管进行厚度测量，但采用X射线管，对探伤人员有电离辐射伤害，对环境也有污染，很多行业都在限制使用射线做检测，而X射线系统复杂，专业性强，必须经过严格的培训才能操作使用，此外X射线发射和接收装置价格昂贵，不利于节省成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器，它能有效的解决背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器，其特征在于包括：换能器主体(1)和手柄(2)，所述手柄(2)的一端通过螺钉固定在换能器主体(1)上；所述换能器主体(1)包括线圈组件(3)、电缆锁紧接头(4)，所述电缆锁紧接头(4)压在线圈组件(3)上，并通过螺钉固定在换能器主体(1)上；所述电缆锁紧接头(4)处固定有电缆组件(6)，且电缆组件(6)从手柄(2)的内部穿过并超出手柄(2)。

进一步，所述换能器主体(1)还包括滚轮组件(5)，所述滚轮组件(5)包括滚轮(7)和滚轮轴(8)，所述滚轮(7)串在滚轮轴(8)上，所述滚轮组件(5)置于换能器主体(1)的正下方。

优选的，所述手柄(2)的内部为中空结构。

进一步，所述线圈组件(3)包括电磁线圈(9)、导磁软磁体(10)、永磁体(11)、线圈骨架(12)、非金属耐磨保护套(13)，所述电磁线圈(9)置于线圈骨架(12)底层，且二者通过胶水粘合；所述导磁软磁体(10)置于电磁线圈(9)之上，且二者通过胶水粘合；所述永磁体(11)置于导磁软磁体(10)之上，且永磁体(11)放置在内腔大小与永磁体(11)大小配套的线圈骨架(12)内；所述线圈骨架(12)置于非金属耐磨保护套(13)上；所述非金属耐磨保护套(13)通过螺钉固定在换能器主体(1)上。

优选的，所述滚轮组件(5)的数量为2个，分别置于换能器主体(1)底部前后位置。

优选的，所述滚轮组件(5)嵌入换能器主体(1)中，且滚轮(7)的底面与换能器主体(1)的底面的垂直间距A在(0.3～0.5)mm之间。

优选的，所述电磁线圈(9)由漆包线绕制而成，其匝数为(10～30)匝，漆包线线径在(0.1～0.3)mm之间。

优选的，所述电磁线圈(9)的工作电感量在(3.0～18.0)uH之间，工作直流阻抗在(0.8～3.5)Ω之间，工作频率在(1.0～5.0)MHZ之间。

优选的，所述线圈骨架(12)的底部平面与非金属耐磨保护套(13)的上平面的垂直间距B在(0.5～1.0)mm之间，且线圈骨架(12)的材质可以是合成树脂类材质，非金属耐磨保护套(13)的非金属材质可以是陶瓷类材质或合成树脂类材质。

优选的，所述电缆组件(6)的一端接触永磁体(11)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器的电磁线圈采用漆包线绕制方式，灵敏度相对于电磁线圈采用PCB印制方式可提高一倍以上，且在保证灵敏度高的情况下，可以把外形结构做的更小，另一方面，电磁线圈的激励和接收部分采用一体化结构，大大简化换能器结构，减小电缆连接线，节省制作成本，且直流阻抗小，损耗低，更易适合激励信号重复频率快的在线检测；

2.换能器主体安装滚轮，此滚轮可以非常轻松方便在表面粗糙的铸管上移动，便于实现铸管全程测量；

3.采用导磁软磁体接触电磁线圈，即可以提高导磁性，又可以减小线圈的涡流损耗，提高信号灵敏度，灵敏度相对于没有软磁的结构的换能器，至少提高1倍以上；

4.相对X射线壁厚检测装置，本发明采用电磁超声换能器，设计结构简单，操作方便，无污染，对人体没有伤害，运行费用低；

5.相对于压电超声测厚换能器，本发明采用电磁超声换能器，无需耦合剂，不需要纯净水，不会造资源浪费，即使用于400度以上测厚也不会存在问题。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的剖视图；

图3为本发明的局部剖视图；

图4为本发明的局部示意图；

附图标记中：1-换能器主体；2-手柄；3-线圈组件；4-电缆锁紧接头；5-滚轮组件；6-电缆组件；7-滚轮；8-滚轮轴；9-电磁线圈；10-导磁软磁体；11-永磁体；12-线圈骨架；13-非金属耐磨保护套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图2，图3和图4，本发明提供一种技术方案：一种用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器，包括换能器主体1和手柄2，手柄2的一端通过螺钉固定在换能器主体1上，且优选的手柄2的内部为中空结构；其中，换能器主体1包括线圈组件3、电缆锁紧接头4、滚轮组件5，电缆锁紧接头4压在线圈组件3上，并通过螺钉固定在换能器主体1上，电缆锁紧接头4处固定有电缆组件6，且电缆组件6从手柄2的内部穿过并超出手柄2；另外，滚轮组件5包括滚轮7和滚轮轴8，滚轮7串在滚轮轴8上，滚轮组件5置于换能器主体1的正下方，且优选的滚轮组件5的数量为2个，分别置于换能器主体1底部前后位置，且优选的滚轮组件5嵌入换能器主体1中，且滚轮7的底面与换能器主体1的底面的垂直间距A在(0.3-0.5)mm之间；另一方面，线圈组件3包括电磁线圈9、导磁软磁体10、永磁体11、线圈骨架12、非金属耐磨保护套13，其中，电磁线圈9置于线圈骨架12底层，且二者通过胶水粘合，且优选的电磁线圈9由漆包线绕制而成，且优选的其匝数为(10～30)匝，漆包线线径在(0.1～0.3)mm之间，且优选的电磁线圈9的工作电感量在(3.0～18.0)uH之间，工作直流阻抗在(0.8～3.5)Ω之间，工作频率在(1.0～5.0)MHZ之间，导磁软磁体10置于电磁线圈9之上，且二者通过胶水粘合，永磁体11置于导磁软磁体10之上，且放置在内腔大小与永磁体11大小配套的线圈骨架12内，且优选的电缆组件6的一端接触永磁体11，线圈骨架12置于非金属耐磨保护套13上，且优选的线圈骨架12的底部平面与非金属耐磨保护套13的上平面的垂直间距B在(0.5-1.0)mm之间，且优选的线圈骨架12的材质可以是合成树脂类材质，且优选的非金属耐磨保护套13的非金属材质可以是陶瓷类材质或合成树脂类材质，非金属耐磨保护套13通过螺钉固定在换能器主体1上。

请参阅图1，手柄2为类似圆柱状结构，作为一个优选的方案，它可以通过至少两颗M4型号或者其他型号的螺钉固定在换能器主体1上，另外，作为另一个优选的方案，手柄2的内部为中空结构，电缆组件6的一端可以连接在换能器主体1内部，另一端并从手柄2的内部穿到外面去，电缆组件6的长度可以根据实际工作中的长度来变化；另一方面，在图1的侧边可以看到除了滚轮轴8的安装孔，还有剩下几个孔，作为一个优选的方案，这些孔是预留给换能器主体1安装外壳的，作为一个优选的方案，可以用M3型号的螺钉来安装，安装外壳是为了保护滚轮轴8及滚轮7不受损伤。

请参阅图2，对比图1，这部分是本发明的整体的剖视图，其中电缆组件6的一端是由电缆锁紧接头4固定在换能器主体1的内部，使电缆组件6的这一端接触永磁体11，而电缆锁紧接头4通过螺钉固定在换能器主体1上，整个线圈组件3置于换能器主体1的内部，作为一个优选的方案，换能器主体1内部除了线圈组件3那块位置是中空的，其他地方是实心的，可以保证线圈组件3在换能器主体1内部不会左右晃动，影响设备的稳定性，另外，换能器主体1在高度上也是与线圈组件3配套，正好吻合；另一方面，滚轮组件5是内置在换能器主体1底部中的，类似于现有技术中城市建设领域中压路面的滚筒车的车轮的结构，前后各一个，可以保证与地面的最大的接触面积，实际工作中，可以在铸管上平稳运动，滚轮7的底面与换能器主体1的底面的垂直间距A在(0.3-0.5)mm之间，预留这个距离，在实际工艺中，此距离为提离距离，可以非接触式检测，距离太小会增加探头的磨损，距离增大会导致信号降低，所以在(0.3-0.5)mm之间是本发明的最佳实施例。

请参阅图3，它是本发明的线圈组件3的剖视图，整个线圈组件3包括电磁线圈9、导磁软磁体10、永磁体11、线圈骨架12、非金属耐磨保护套13，作为一个优选的方案，从上到下各零件的排布为永磁体11、导磁软磁体10、电磁线圈9、线圈骨架12、非金属耐磨保护套13，其中，永磁体11、导磁软磁体10、电磁线圈9均置于线圈骨架12中；电磁线圈9采用漆包线绕制方式，比起采用PCB印制方式，它的灵敏度可提高一倍以上，而且这种方式可以让电磁线圈9的激励和接收部分采用一体化结构，大大简化换能器结构，让外形更为小巧便携，而且本发明采用的电磁线圈9的绕制匝数为(10～30)匝，漆包线线径在(0.1～0.3)mm之间，让直流阻抗小，损耗低，更易适合激励信号重复频率快的在线检测；导磁软磁体10和电磁线圈9之间是用胶水粘合在一起的，这样设计即可以提高导磁性，又可以减小线圈的涡流损耗，提高信号灵敏度；永磁体11可以把电流转换成洛伦兹力，提供偏离磁场；线圈骨架12用来保护永磁体11、导磁软磁体10、电磁线圈9不受损伤，线圈骨架12放置在非金属耐磨保护套13上，且它们存在着一个(0.5～1.0)mm的高度差，它可以保证隔热，减小热传导，另外在信号传输方面，此高度差越大，信号会衰减，1.0mm对比0.5mm信号会衰减1倍，这基本是成比例关系，太小起不到热隔离效果，太大影响信号严重衰减，没有意义，作为本发明最佳的一个实施例，当B＝0.5mm时效果最佳，另外作为本发明的一个优选的方案，线圈骨架12的材质可以是合成树脂类材质，它没有金属的锐利，但是却有较大的强度，耐磨，且可以起到绝缘隔热的作用；非金属耐磨保护套13用非金属材质可以起到绝缘隔热的作用，作为本发明的一个优选的方案，非金属材质可以是陶瓷类材质或合成树脂类材质，它们均有耐磨的特性。

图4为本发明的电磁线圈9的示意图，电磁线圈9做成类似于跑道结构，一圈一圈，每个线圈可以是一个独立的通道，电磁线圈9可以通过电产生磁场，在金属表面形成感应涡流，涡流在永磁铁11的偏置磁场作用下，形成洛仑兹力，再产生超声波检测。

在实际工作中：

由于铸管管径不同，对应的管壁厚度不一样，在铸造时晶粒大小不同，薄管壁晶粒小，对超声波信号衰减小，作为本发明的一个优选的实施例，可以选择高频(3～5)MHZ的超声波；一般使用在壁厚小于10mm以下的铸管，而厚管壁的10mm以上的，作为本发明的一个优选的实施例，频率可以选择(1～3)MHZ，越厚的铸管，晶粒越粗大，需要使用更低的频率，而频率如果太低，造成厚度精度和分辨率低，作为本发明的一个优选的实施例，选择最低1MHZ的可以满足检测20mm以上的铸管。

电磁线圈9在高频时，交流阻抗大，其阻抗和电感量关系式，z＝ω*L,(ω＝2π*f)其中，f是超声信号频率，L是线圈电感，z是阻抗。

在激励源一定的情况下，阻抗越大，激励功率就越小，激发次超声波能量就越小，阻抗太小，又会损坏激励源。在综合情况下，高频选择电感量小的电磁线圈9，低频时选择电感量大的电磁线圈9。

在匝数选择上，电磁线圈9的电感量大小和电磁线圈9的匝数N平方成正比，N越大，电感量越大，协调这个矛盾关系，作为本发明的一个优选的实施例，最终定为在工作频率为(1.0～5.0)MHZ时，对应的工作电感量在(3.0～18.0)uH之间，可以根据根据实际情况选择合适的频率和电磁线圈9的匝数。

电磁线圈9的直流阻抗影响了电磁线圈9的发热情况，发热严重的情况下会烧坏换能器主体1；加大绕制电磁线圈9的导线直径，会降低直流阻抗，但是增加电磁线圈9的面积，不适合换能器的小型化，综合考虑，作为本发明的一个优选的实施例，选在线径在(0.1～0.3)mm之间的漆包线绕制。

该用于球墨铸管测厚的电磁超声换能器的电磁线圈采用漆包线绕制方式，灵敏度相对于电磁线圈采用PCB印制方式可提高一倍以上，且在保证灵敏度高的情况下，可以把外形结构做的更小，另一方面，电磁线圈的激励和接收部分采用一体化结构，大大简化换能器结构，减小电缆连接线，节省制作成本，且直流阻抗小，损耗低，更易适合激励信号重复频率快的在线检测；换能器主体安装滚轮，此滚轮可以非常轻松方便在表面粗糙的铸管上移动，便于实现铸管全程测量；采用导磁软磁体接触电磁线圈，即可以提高导磁性，又可以减小线圈的涡流损耗，提高信号灵敏度，灵敏度相对于没有软磁的结构的换能器，至少提高1倍以上；相对X射线壁厚检测装置，本发明采用电磁超声换能器，设计结构简单，操作方便，无污染，对人体没有伤害，运行费用低；相对于压电超声测厚换能器，本发明采用电磁超声换能器，无需耦合剂，不需要纯净水，不会造资源浪费，即使用于400度以上测厚也不会存在问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。