一种纵波式电磁超声探头及检测方法

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式电磁超声探头及检测方法，易于在非铁磁性材料内激发和接收超声纵波。


背景技术：

2.由于目前对体波中的纵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频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻，缺点是需要耦合剂以及某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差。而电磁超声(emat)无损检测技术由于无需媒介及与被测物体接触，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。与传统的压电超声相比，其本质区别就在于换能器的不同，传统压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应发射和接收超声波，其能量转换是在晶片上进行的。而电磁超声探头则是靠电磁效应发射和接收超声波的。其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的。当金属表面有一通以电流的线圈时,此线圈将产生电磁场,金属表面相当于一个整体导电回路,因此金属表面将感应出电流,即涡流。涡流在静态磁场的作用下，在导体内产生洛仑兹力(对于铁磁性材料还要考虑磁滞绅缩效应)，而金属介质在应力的作用下将产生超声波。与此相反,由于此效应呈现可逆性,返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化,因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。由于传统电磁超声探头主要用于横波检测，而对于电磁超声在金属内部产生的纵波研究较少。因此开发一种新型的纵波式电磁超声传感器是非常有必要的，本发明提供的纵波式电磁超声探头克服了传统电磁超声探头主要用于横波检测，而纵波激发和接收困难的问题。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种体积小、重量轻、低功耗的新型纵波式电磁超声探头及检测方法，易于在非铁磁性材料内激发和接收超声纵波。
4.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种纵波式电磁超声探头，所述探头由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组2、激励与检测信号线圈4、信号连接线7和固定磁铁组的探头外壳1组成，其中矩形磁铁组2中相邻磁铁相对面的极性相同，激励与检测信号线圈4固定在矩形磁铁组2的磁铁下方，激励与检测信号线圈导体部分位于磁铁正下方，激励与检测信号线圈间隙正对于磁铁间隙，激励与检测信号线圈4通过信号连接线7连接电流源；探头整体呈长方体结构。
6.所述的多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组2能够产生0.6-0.8t的高强度水平偏置磁场3。
7.所述激励与检测信号线圈4能够实现信号收发一体。
8.所述激励与检测信号线圈4为回折型线圈。
9.所述的纵波式电磁超声探头的检测方法，使用时将所述探头放于被测试件9的表
面，磁力线由面对面布置的两磁铁n极发出穿过其间隙回到其相邻的两磁铁s极，在矩形磁铁组2的磁铁正下方形成左右交替排布的高强度水平偏置磁场3，激励与检测信号线圈4通入射频脉冲电流，在被测试件9近表面感应前后交替排布的涡电流5，涡电流5与水平偏置磁场3相互作用形成垂直于被测试件9表面且同向的洛伦兹力6，而被测试件9在应力的作用下将产生超声波，从而在被测试件9中实现超声纵波8的高效激发和接收；通过信号放大和对反射信号的处理和分析，便能检测出纵波的一次回波和二次回波。
10.所述被测试件9为非铁磁性金属材料。
11.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
12.1)传统的电磁超声探头主要用于横波检测，而本发明的电磁超声探头能够实现纵波的高效激发和接收，实现收发一体，检测效率高，便于携带。
13.2)所述回折型线圈4，能够实现信号收发一体，并且回折型线圈4固定在矩形磁铁组2的磁铁下方，回折型线圈导体部分位于磁铁正下方，回折型线圈间隙正对于磁铁间隙。易于在非铁磁性材料中产生超声纵波8，具有转化效率高和功耗低等优点。
附图说明
14.图1为本发明新型纵波式电磁超声探头总体结构示意图。
15.图2为本发明探头激励与检测信号线圈示意图。
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，本发明提出一种纵波式电磁超声探头,该探头由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组2、激励与检测信号线圈4、信号连接线7和固定磁铁组的探头外壳1组成，其中矩形磁铁组2中相邻磁铁相对面的极性相同，激励与检测信号线圈4固定在矩形磁铁组2的磁铁下方，激励与检测信号线圈导体部分位于磁铁正下方，激励与检测信号线圈间隙正对于矩形磁铁间隙，激励与检测信号线圈4通过信号连接线7连接电流源；探头整体呈长方体结构。
18.作为本发明的优选实施方式，所述的纵波式电磁超声探头，由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组2来提供0.6-0.8t左右高强度水平偏置磁场，为能激发超声纵波提供了先决条件。并能够使所发明的探头结构紧凑。易于携带。
19.作为本发明的优选实施方式，所述的纵波式电磁超声探头，如图2所示，所述激励与检测信号线圈4为回折型结构，既能激励信号，也能接收信号，实现收发一体。
20.下面结合图1，图2和具体实施方式，对所提出探头作进一步的详细描述。
21.本发明的工作原理为：本发明探头能够产生超声纵波。首先准备一块厚的非铁磁性金属块作为被测试件9，采用回折型线圈作为激励与检测信号线圈4固定在矩形磁铁组2的磁铁下方，线圈导体部分位于磁铁正下方，线圈间隙正对于磁铁间隙，如图1，通过多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组2来产生高强度水平偏置磁场，当非铁磁性金属块表面有一通以射频脉冲电流的回折型线圈时,此线圈将产生电磁场,非铁磁性金属块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,即涡流5。涡流在静态磁场的作用下，在非铁磁性金属块内产生垂直于非铁磁性金属块表面且同向的洛仑兹力6，而非铁
磁性金属块介质在应力的作用下将产生超声纵波8，基于洛伦兹力的逆效应产生回波信号，随后该信号通过连接导线7被传感器接收，最终通过信号放大和对反射信号的处理和分析，便可明显的检测出纵波的一次回波，二次回波等。


技术特征：
1.一种纵波式电磁超声探头，其特征在于：探头由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组(2)、激励与检测信号线圈(4)、信号连接线(7)和固定磁铁组的探头外壳(1)组成，其中矩形磁铁组(2)中相邻磁铁相对面的极性相同，激励与检测信号线圈(4)固定在矩形磁铁组(2)的磁铁下方，激励与检测信号线圈导体部分位于磁铁正下方，激励与检测信号线圈间隙正对于磁铁间隙，激励与检测信号线圈(4)通过信号连接线(7)连接电流源；探头整体呈长方体结构。2.根据权利要求1所述的纵波式电磁超声探头，其特征在于：所述的多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组(2)能够产生0.6-0.8t的高强度水平偏置磁场(3)。3.根据权利要求1所述的纵波式电磁超声探头，其特征在于：所述激励与检测信号线圈(4)既能激励信号，也能接收信号，实现信号收发一体。4.根据权利要求1所述的纵波式电磁超声探头，其特征在于：所述激励与检测信号线圈(4)为回折型线圈。5.权利要求1至4任一项所述的纵波式电磁超声探头的检测方法，其特征在于：使用时将所述探头放于被测试件(9)的表面，磁力线由面对面布置的两磁铁n极发出穿过其间隙回到其相邻的两磁铁s极，在矩形磁铁组(2)的磁铁正下方形成左右交替排布的高强度水平偏置磁场(3)，激励与检测信号线圈(4)通入射频脉冲电流，在被测试件(9)近表面感应前后交替排布的涡电流(5)，涡电流(5)与水平偏置磁场(3)相互作用形成垂直于被测试件(9)表面且同向的洛伦兹力(6)，而被测试件(9)在应力的作用下将产生超声波，从而在被测试件(9)中实现超声纵波(8)的高效激发和接收；通过信号放大和对反射信号的处理和分析，便能检测出纵波的一次回波和二次回波。6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述被测试件(9)为非铁磁性金属材料。

技术总结
本发明公开了一种纵波式电磁超声探头及检测方法，该探头由多个相同磁极面对面布置的矩形磁铁组、激励与检测信号线圈、信号连接线和固定磁铁组的探头外壳组成，其中线圈固定在矩形磁铁组的磁铁下方，线圈导体部分位于磁铁正下方，线圈间隙正对于磁铁间隙。将该电磁超声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其相邻的两磁铁S极，在磁铁正下方形成左右交替排布的高强度水平偏置磁场，线圈通入射频脉冲电流，在被检试件近表面感应前后交替排布的涡电流，与水平磁场相互作用形成垂直于被检试件表面且同向的洛伦兹力，从而在被检试件中实现超声纵波的高效激发和接收。波的高效激发和接收。波的高效激发和接收。


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：2022.01.29
技术公布日：2022/5/6