基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，包括：扇形周期性永磁体、栅格线圈和被测铝板；其中，扇形周期性永磁体为极性交错排列且间距固定的扇形结构；栅格线圈为电流方向与线圈密绕方向共心同向的结构，栅格线圈缠绕在扇形周期性永磁体上；被测铝板位于扇形周期性永磁体和栅格线圈正下方。该超声导波聚焦换能器采用新型换能器结构，使有限的超声能量在某个感兴趣的特定位置进行信号聚焦，进而精确的提取测量信号并分析缺陷情况，实现对铝板表面缺陷进行高效探查、灵敏检测的目的。

Ultrasound guided wave focused transducer based on defect detection of aluminium plate

The invention discloses an ultrasonic guided wave focusing transducer based on defect detection of an aluminium plate, which comprises a sector periodic permanent magnet, a grid coil and an aluminium plate under test; in which the sector periodic permanent magnet is a sector structure with staggered polarity and fixed spacing; the grid coil is a concentric and concentric structure with current direction and coil closely wound direction, and the grid coil is wound in the sector periodic permanent magnet. On the body; the aluminium plate under test is positioned directly below the sector periodic permanent magnet and the grid coil. The ultrasonic guided-wave focusing transducer uses a new transducer structure to focus the limited ultrasonic energy at a specific location of interest, and then accurately extracts the measured signal and analyzes the defect situation, so as to achieve the purpose of efficient detection and sensitive detection of the surface defects of aluminum plate.

【技术实现步骤摘要】
基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器
本专利技术涉及无损检测
，特别涉及一种基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器。
技术介绍
金属板材在工业生产中应用十分广泛，也是构成多种重要工业设施的重要结构。然而，这些设备中的金属板材在长期运行过程中，介质腐蚀、材料老化、地质灾害、外力冲击及意外事故等不可避免会使其产生缺陷。若未及时进行检测修复，会对这些设备的安全稳定运行造成极大的负面影响，极易导致介质泄漏，甚至引起火灾和爆炸，造成严重的环境污染、经济损失甚至人员伤亡。为了及时发现金属板材中存在的缺陷，并采取措施避免事故的发生，维护其安全稳定运行，需要按时对金属板材等结构件进行检测，这对于确保人民生命财产安全、保证正常的工业生产生活具有重大意义。工业在役金属板的在线检测方法主要包括涡流检测、漏磁检测及超声检测等，但每种方法都有自身的适用范围及局限性。涡流检测和漏磁检测由于原理上的特点，难以有效检测出材料内部的微小裂纹；超声检测技术具有穿透能力强、缺陷定位准确度高、灵敏度高、检测速度快等优点，但常规超声体波逐点扫描的工作方式难以对大规模金属板构件进行检测，而且对多种服役环境探头无法直接接触到的金属板构件更是束手无策。超声体波在金属板等波导中传播时，受波导边界束缚并经过复杂的反射、干涉及波型转换，可形成沿波导延伸方向传播的超声导波。超声导波具有衰减小、传播距离远、声场100％覆盖构件厚度、易于调节导波模态等特点，可实现单端激励、长距离检测以及复杂结构和服役环境金属板构件的持续监测，从而能极大提高检测效率，具有广阔的应用前景。在对金属板材尤指铝板缺陷检测的现有技术中，一般需要利用压电超声换能器激发超声波振动，并依托耦合剂将超声波振动传播到金属板材内部，从而实现超声导波检测。但是，基于压电超声换能器的超声导波检测技术由于压电换能原理的限制，需要依托耦合剂将超声波振动耦合到待测金属板内，因此很难适用于具有非接触要求及高温等特殊工况下的检测。电磁超声换能器(EMAT，ElectromagneticAcousticTransducer)依赖于电磁耦合方式完成换能器线圈内的交变电流到被测材料内机械振动的能量转换，无需耦合介质，可以直接在金属板材内产生超声导波，并易于调节超声导波模式，可用于非接触及高温等特殊工况下的检测。因此，有必要采用电磁超声换能器作为铝板缺陷超声导波检测的激励源和接收器，从而实现非液体耦合检测。目前基于全向收发与定向收发的SH导波电磁超声换能器在实际金属板材缺陷检测中得到广泛的应用，但是由于EMAT固有的低能量转换效率，在缺陷识别与信号提取方面仍然存在较大问题，因此需要急需一种能量聚焦电磁超声换能器来改进缺陷检测方法并提高检测效率。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，该超声导波聚焦换能器采用新型换能器结构，使有限的超声能量在某个感兴趣的特定位置进行信号聚焦，进而精确的提取测量信号并分析缺陷情况，实现对铝板表面缺陷进行高效探查、灵敏检测的目的。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，包括：扇形周期性永磁体、栅格线圈和被测铝板；其中，所述扇形周期性永磁体为极性交错排列且间距固定的扇形结构；所述栅格线圈为电流方向与线圈密绕方向共心同向的结构，所述栅格线圈缠绕在所述扇形周期性永磁体上；所述被测铝板位于所述扇形周期性永磁体和所述栅格线圈正下方。本专利技术实施例的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，通过简单的换能器结构设计，使有限的超声能量在某个感兴趣的特定位置进行信号聚焦，提高信号的强度与检测的精度，进而为不同类型缺陷的检测与识别提供了可靠的信息，并通过对周期性永磁体与线圈的合理布置来达到聚焦超声信号并检测识别缺陷的目的。另外，根据本专利技术上述实施例的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述扇形周期性永磁体的磁化方向为所述被测铝板表面法线方向，垂直于所述被测铝板的表面，并且组成所述扇形周期性永磁体的每个磁体的磁化强度相同。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述扇形周期性永磁体的半径为所述扇形周期性永磁体内外边缘到扇形中心的距离差。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所有位于所述扇形周期性永磁体正下方的所述栅格线圈长度等于所述扇形周期性永磁体的半径。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：超声导波聚焦换能器的发射端和超声导波聚焦换能器的接收端。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：测量装置，所述测量装置包括：脉冲电源发生器与接收器、导线、示波器和匹配电阻。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述扇形周期性永磁体的扇形结构中心为聚焦点，在所述聚焦点位置设置所述超声导波聚焦换能器的发射端，所述超声导波聚焦换能器的发射端的输出端与所述示波器的输入端相连。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述扇形周期性永磁体相邻磁极的间距为所激发导波的半波长。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：屏蔽罩和/或法拉第笼。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器的整体装置结构示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器的实验结果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器。图1为根据本专利技术一个实施例的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器结构示意图。如图1所示，该基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器包括：被测铝板101、栅格线圈102和扇形周期性永磁体103。其中，扇形周期性永磁体为极性交错排列且间距固定的扇形结构；栅格线圈为电流方向与线圈密绕方向共心同向的结构，栅格线圈缠绕在扇形周期性永磁体上；被测铝板厚度均匀，被测铝板位于扇形周期性永磁体和栅格线圈正下方。该超声导波聚焦换能器采用新型换能器结构，使有限的超声能量在某个感兴趣的特定位置进行信号聚焦，进而精确的提取测量信号并分析缺陷情况，实现对铝板表面缺陷进行高效探查、灵敏检测的目的。需要说明的是，导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波(Iamb)和漏兰姆波，在本专利技术的实施例中，超声导波采用的是SH超声导波。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，扇形周期性永磁体的磁化方向为被测铝板表面法线方向，垂直于被测铝板的表面，且扇形周期性永磁体的每个磁体的磁化强度相同。可选地，超声导波聚焦换能器放置于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，其特征在于，包括：扇形周期性永磁体、栅格线圈和被测铝板；其中，所述扇形周期性永磁体为极性交错排列且间距固定的扇形结构；所述栅格线圈为电流方向与线圈密绕方向共心同向的结构，所述栅格线圈缠绕在所述扇形周期性永磁体上；所述被测铝板位于所述扇形周期性永磁体和所述栅格线圈正下方。

【技术特征摘要】
1.一种基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，其特征在于，包括：扇形周期性永磁体、栅格线圈和被测铝板；其中，所述扇形周期性永磁体为极性交错排列且间距固定的扇形结构；所述栅格线圈为电流方向与线圈密绕方向共心同向的结构，所述栅格线圈缠绕在所述扇形周期性永磁体上；所述被测铝板位于所述扇形周期性永磁体和所述栅格线圈正下方。2.根据权利要求1所述的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，其特征在于，所述扇形周期性永磁体的磁化方向为所述被测铝板表面法线方向，垂直于所述被测铝板的表面。3.根据权利要求2所述的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，其特征在于，组成所述扇形周期性永磁体的每个磁体的磁化强度相同。4.根据权利要求1所述的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，其特征在于，所述扇形周期性永磁体的半径为所述扇形周期性永磁体内外边缘到扇形中心的距离差。5.根据权利要求1所述的基于铝板缺陷检测的超声导波聚焦换能器，其特征在于，所有位于所述扇...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄松岭，孙洪宇，王珅，赵伟，黄紫靖，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11