一种使用层叠硅钢片作为背板的高效电磁超声换能器制造技术

技术编号:17777821 阅读:50 留言:0更新日期:2018-04-22 05:26
本发明专利技术公开一种高效电磁超声换能器,由待测试件、激励线圈、层叠硅钢片和磁铁组成。层叠硅钢片位于激励线圈正上方,层叠硅钢片主平面与激励线圈轴向方向垂直。磁铁位于层叠硅钢片上方,磁铁的磁化方向为竖直方向。激励线圈放置在待测试件上面,激励线圈所形成的平面与时间表面平行。激励线圈导线两端与外部脉冲发生器输出端连接,脉冲电流流过激励线圈用于在待测试件内部产生超声波。本发明专利技术通过在传统电磁超声换能器中引入层叠硅钢片作为背板,降低了激励线圈周围磁路上的磁阻,从而增大了其在待测试件中产生的动态磁场强度及涡流密度,进而增强了所产生的超声波,提升了电磁超声换能器的换能效率。

【技术实现步骤摘要】
一种使用层叠硅钢片作为背板的高效电磁超声换能器
本专利技术涉及电磁超声无损检测技术,具体为一种提高换能效率的电磁超声换能器。
技术介绍
电磁超声换能器EMAT(electromagneticacoustictransducer)是一种利用电磁耦合的方式激励和接收超声波的换能器,具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适用于高温检测等特点,多被应用于金属棒、板、管等的缺陷检测、尺寸测量、应力检测等。电磁超声的作用机理分为两种:洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机理为:激励线圈中通入高频脉冲电流,因电磁感应在金属试样中耦合出电涡流J,在外部静态磁场Bs和激励线圈产生的动态磁场Bd的作用下产生洛伦兹力:F=Bs×J+Bd×J,引起金属表面局部受力震动从而产生超声波。磁致伸缩机理只在铁磁性材料中出现,如:铁、镍等,由铁磁性材料的磁致伸缩特性所决定,激励线圈中的交变电流引起线圈周围的磁场发生交变,从而引起铁磁性材料发生交替伸缩变化从而产生超声波,接收过程为激励过程的逆过程。电磁超声换能器的一般结构如图2所示,主要由磁铁、线圈、金属试样和其他支撑结构组成,不同的线圈结构配合磁铁可以在试样中产生不同类型的超声波,如:纵波、横波、表面波等等,超声波频率与脉冲电流的频率有关。电磁超声的复杂的能量转换过程导致其换能效率相对于传统压电超声低得多,大量研究致力于提升电磁超声的换能效率,提高其接收端的信噪比以提高检测精度。一般简单的方法就是提升脉冲发生器的发射功率,从而提高接收信号的信噪比。这种方法需要提升脉冲发生器的输出电压及电流,但受限于元器件制造水平,脉冲发生器的输出电压及电流提升有限。目前对于电磁超声换能器换能效率提升的研究多在于对换能器结构的改进,有国外研究人员使用铁氧体作为线圈的背板来提升转换效率。由于铁氧体本身具有较低的饱和磁通密度(0.5T)和较低的居里温度(450℃),在静态磁场和动态磁场的叠加下很容易使铁氧体背板发生磁饱和,导致其转换效率提升不理想,且在高温环境中铁氧体容易失去磁性而丧失提升转换效率的功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提升电磁超声的能量转换效率,以提高信噪比和检测精度,同时可应用于高温环境。本专利技术采用如下技术方案:一种高效电磁超声换能器,其特征在于:包括磁铁(1)、层叠硅钢片(2)、激励线圈(3)、和待测试件(4)组成,所述的激励线圈(3)放置在待测试件(4)上方,激励线圈(3)所形成的平面与试件表面平行,激励线圈(3)两端与外部脉冲发生器的输出端用导线连接,脉冲电流流过激励线圈(3),用于在待测试件内部产生超声波,层叠硅钢片(2)位于激励线圈(3)上方,层叠硅钢片(2)主平面与激励线圈(3)轴向方向垂直,磁铁(1)位于层叠硅钢片(2)上方,磁铁(1)的磁化方向为竖直方向。进一步地,所述层叠硅钢片由若干厚度为小于0.5mm的硅钢片堆叠而成。硅钢片可以是取向硅钢片或无取向硅钢片,实验对比验证两者对换能效率的提升没有明显的区别。硅钢片与硅钢片之间有薄绝缘层,用于增加硅钢片之间的阻抗,从而减小激励线圈在硅钢片中的涡流损耗。进一步地,所述激励线圈为回折线圈或赛道形线圈。线圈匝数越多越好,但线圈匝数同时决定着换能器的阻抗,线圈阻抗与脉冲发生器的输出阻抗不匹配将降低脉冲发生器的输出功率。实际线圈匝数应通过试验选取,将换能器阻抗与脉冲发生器输出阻抗匹配到最佳状态。线圈由内部为金属导体、外部为绝缘体的导制作而成,可使用漆包铜线绕制,或使用印刷电路板。进一步地,所述脉冲发生器所产生的脉冲电流可以为宽频脉冲电流,或者窄带脉冲电流。窄带脉冲电流所产生的超声波的频率比较集中,有利于接收端进行信号提取。进一步地,所述磁铁作用为提供竖向静态偏置磁场。该磁铁提供的静态磁场的强度决定了静态洛伦兹力的大小,所以其磁化强度应越大越好,类型可以是永磁体或电磁铁。电磁铁采用脉冲电磁铁,脉冲电磁铁可以在瞬间提供较大的偏置磁场,脉冲发生器的脉冲电流输出时刻与脉冲电磁铁的工作时刻保持同步。本专利技术利用硅钢的高导磁率(约7000)和高饱和磁通密度(约2T)的特性降低了激励线圈周围磁路的磁阻,增加了激励线圈在待测试件中产生的磁通密度Bd,也增加了其中的涡流密度J,从而提升所产生的超声波的强度。硅钢拥有较高的导磁率和饱和磁通密度,但其也有较高的电导率,高电导率使得激励线圈容易在其中耦合出涡流,造成涡流损耗,降低换能器的换能效率。本专利技术使用堆叠硅钢片是为了提高硅钢片的等效电阻率,从而降低激励线圈在硅钢片中产生的涡流密度,降低能量损失。经过实验验证,0.5mm的层叠硅钢片可以将能量损失降低到可忽略程度。同时,硅钢片的高居里温度(约700℃)保证了探头在较高温度下仍能保证较高的换能效率。附图说明图1为本专利技术电磁超声换能器立体图。图2为传统电磁超声换能器结构图。图3为本专利技术沿x-z平面的截面图。图4为本专利技术中线圈在堆叠硅钢片存在的情况下的磁路图。图5为本专利技术中实施的脉冲电流。图6为本专利技术电磁超声换能器和传统电磁超声换能器产生的超声信号的对比图。具体实施方式下面结合附图说明本专利技术的典型实施方式:如图1所示,本专利技术由待测试件(4)、激励线圈(3)、层叠硅钢片(2)和磁铁(1)组成。所述激励线圈(3)放置在待测试件(4)上方,激励线圈(3)所在平面平行于待测试件(4)表面。激励线圈(3)可紧贴待测试件(4),或者保持一定的提离距离(小于10mm),并与待测试件(4)之间电绝缘。激励线圈(3)两端与外部脉冲发生器的输出端使用导线连接,脉冲发生器中产生的脉冲电流流过激励线圈,在试样中产生洛伦兹力和磁致伸缩力,从而引起试样表面局部震动产生超声波。层叠硅钢片(2)位于激励线圈(3)正上方,且层叠硅钢片(2)的主平面与激励线圈(3)的轴向垂直,层叠硅钢片(2)与激励线圈(3)之间相互接触但处于电绝缘状态。磁铁(1)位于层叠硅钢片(2)正上方,磁铁(1)的磁化方向为竖直方向。层叠硅钢片(2)充当了磁铁(1)的磁轭,在待测试件(4)表面产生竖直方向的静态偏置磁场。激励线圈(3)为4匝赛道形线圈,线圈由直径为0.56mm的铜质漆包线绕制而成,线圈中通入最大幅值为270A、主频率为100kHz的宽频脉冲电流,脉冲电流波形图如图5所示。在实施检测时,激励线圈(3)被放在待测试件4上面,激励线圈(3)到待测试件(4)的距离为1mm。层叠硅钢片(2)由35片厚度为0.5mm的无取向硅钢片堆叠而成。硅钢片表面涂有一层绝缘层,硅钢片的z向长度为10mm。层叠硅钢片(2)放置于激励线圈(3)正上方,其主平面与激励线圈(3)的轴向垂直。磁铁(1)为方形钕铁硼永磁体,放置于层叠硅钢片(2)的正上方,其磁化方向为z方向,N极指向层叠硅钢片(2)。待测试件(4)为45#钢板,厚度为1mm,换能器在待测试件(4)中产生的超声波为兰姆波。接收换能器到激发换能器的距离为15cm,接收换能器为传统换能器,结构如图2所示。实验对比了激励换能器中加入硅钢片作为背板,以及不使用背板时接收到的超声波强度,结果如图6所示。检测时,激励线圈(3)周围因高频交变电流的存在而产生交变磁场。在高导磁率层叠硅钢片(2)存在的情况下,交变磁场在试件中的磁通密度将变大,同时耦合出的涡流密度也会变大,因此所产生的洛伦兹力就本文档来自技高网
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一种使用层叠硅钢片作为背板的高效电磁超声换能器

【技术保护点】
一种使用层叠硅钢片作为背板的高效电磁超声换能器,其特征在于:包括磁铁(1)、层叠硅钢片(2)、激励线圈(3)、和待测试件(4)组成,所述的激励线圈(3)放置在待测试件(4)上方,激励线圈(3)所形成的平面与试件表面平行,激励线圈(3)两端与外部脉冲发生器的输出端用导线连接,脉冲电流流过激励线圈(3),用于在待测试件内部产生超声波,层叠硅钢片(2)位于激励线圈(3)上方,层叠硅钢片(2)主平面与激励线圈(3)轴向方向垂直,磁铁(1)位于层叠硅钢片(2)上方,磁铁(1)的磁化方向为竖直方向。

【技术特征摘要】
1.一种使用层叠硅钢片作为背板的高效电磁超声换能器,其特征在于:包括磁铁(1)、层叠硅钢片(2)、激励线圈(3)、和待测试件(4)组成,所述的激励线圈(3)放置在待测试件(4)上方,激励线圈(3)所形成的平面与试件表面平行,激励线圈(3)两端与外部脉冲发生器的输出端用导线连接,脉冲电流流过激励线圈(3),用于在待测试件内部产生超声波,层叠硅钢片(2)位于激励线圈(3)上方,层叠硅钢片(2)主平面与激励线圈(3)轴向方向垂直,磁铁(1)位于层叠...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐科任威平周鹏何健鹏
申请(专利权)人:北京科技大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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