一种电磁超声表面波换能器及其设计方法技术

一种电磁超声表面波换能器及其设计方法，属于电磁超声技术领域。本发明专利技术是为了解决现有电磁超声表面波换能器换能效率较低的问题。本发明专利技术中的电磁超声表面波换能器通过改变磁铁尺寸和线圈结构，充分利用磁场中磁感应强度较大、水平分量较多的区域，提高换能器的工作效率，增大激发出表面波的信号幅度。有着完整的设计思路，无需通过多次尝试确定换能器中磁铁参数；通过使用曲折线圈新结构，进一步提升换能器效率和表面波信号幅度。本发明专利技术可广泛用于使用超声表面波进行检测的电磁超声装置。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁超声表面波换能器及其设计方法
本专利技术属于电磁超声
，尤其涉及一种电磁超声换能器。
技术介绍
电磁超声技术是利用电磁超声换能器在板材内激发超声波进行无损检测的技术。电磁超声技术使用条件简单且过程环保，因而成为铝合金板材无损检测技术的研究热点。电磁超声技术中换能器的性能直接决定了无损检测的效果。以往的电磁超声表面波换能器常采用宽度大于线圈宽度的磁铁和各匝导线均匀分布的线圈，且磁铁和线圈没有一套完整的设计方法，导致换能效率较低。申请号为201310169063.5的《一种单向发射电磁超声表面波换能器及采用该换能器检测金属表面缺陷的方法》中主要针对换能器的指向性进行改良，而没有涉及磁铁尺寸的设计原则。在EnhancementofsignalamplitudeofsurfacewaveEMATsbasedon3-Dsimulationanalysisandorthogonaltestmethod(NDT&EInternational,2013,(59):11-17)中虽然涉及到磁铁宽度的设计原则，但研究范围仅限于磁铁宽度大于线圈宽度且线圈各匝导线均匀分布的情况，未考虑磁铁宽度小于线圈时，磁铁边缘的水平磁场也可有效激发电磁超声表面波以及线圈各匝导线不均匀分布时的情况。而过宽的磁铁和均匀分布的线圈会使得电磁超声表面波换能器的换能效率不能达到最优。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有电磁超声表面波换能器换能效率较低的问题，现提供一种电磁超声表面波换能器及其设计方法。一种电磁超声表面波换能器，它包括：磁铁、曲折线圈和铜箔；所述曲折线圈包括：导线和骨架，曲折线圈的匝数为n，其中n＝5,6,7；所述骨架为左右对称结构，沿骨架的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线，以两个相邻的导线槽为一级，n个导线槽中的导线数量从曲折线圈的两端向骨架的中心方向逐级递减；磁铁、曲折线圈和铜箔的长度均相等，曲折线圈和铜箔的宽度相等，磁铁的宽度小于曲折线圈的宽度，且满足：(w1/w2)＝-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694；其中，h＝t1/λ，t1为磁铁的厚度，λ为磁铁激发的表面波的波长，w1为磁铁的宽度，w2为曲折线圈的宽度；磁铁、铜箔和曲折线圈依次重叠固定。一种电磁超声表面波换能器的设计方法，该方法是基于一种电磁超声表面波换能器的模型实现的，该模型包括：磁铁、曲折线圈和铜箔；所述曲折线圈包括：导线和骨架，曲折线圈的匝数为n，其中n＝5,6,7；所述骨架为左右对称结构，沿骨架的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线；磁铁、铜箔和曲折线圈依次重叠固定；所述方法包括以下步骤：步骤一：根据实际测量需求和工程应用限制条件确定待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁的厚度t1，所述磁铁的厚度t1为：在工程应用限制条件下，磁铁所允许的最大厚度；步骤二：利用待设计换能器的工作频率f和待测试件的表面波波速c，计算得出激发表面波波长λ，然后根据该激发表面波波长λ确定曲折线圈的宽度w2；步骤三：利用磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ，获得磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h；步骤四：以磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的比例为纵坐标，磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h为横坐标，分别在500kHz、750kHz和1MHz的频率下，改变磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的比例进行仿真，获得三种频率下三条磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的最佳比例和磁铁的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线；步骤五：将步骤四获得的三种频率下三条磁铁(1)的宽度w1与曲折线圈(2)的宽度w2的最佳比例和磁铁(1)的厚度t1与激发表面波波长λ的比例的关系曲线进行拟合，获得一条最佳比例经验曲线；所述最佳比例经验曲线的表达式为：(w1/w2)＝-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694，利用磁铁的厚度t1和激发表面波波长λ的比例关系h，在最佳比例经验曲线上找到比例关系h的对应点，根据该对应点获得磁铁的宽度w1与曲折线圈的宽度w2的最佳比例关系w1/w2，然后利用曲折线圈的宽度w2获得磁铁的宽度w1；步骤六：依据上述待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁(1)的厚度t1、曲折线圈(2)的宽度w2、磁铁(1)的宽度w1和换能器结构，组装换能器，保证曲折线圈12个导线槽中均设有1根导线，依次单独激发每个导线槽中的导线，得出每个导线槽中的导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像；根据该图像表示出的各导线槽中的导线表面波的激发效率和导线槽中导线的平均数设置各导线槽中的导线数目，获得一种电磁超声表面波换能器。本专利技术中的电磁超声表面波换能器通过改变磁铁尺寸和线圈结构，充分利用磁场中磁感应强度较大、水平分量较多的区域，提高换能器的工作效率，增大激发出表面波的信号幅度。本专利技术中的电磁超声表面波换能器与传统的电磁超声表面波换能器相比，在相同发射信号下，换能效率更高，激发表面波的信号幅度更大。有着完整的设计思路，无需通过多次尝试确定换能器中磁铁参数；通过使用曲折线圈新结构，进一步提升换能器效率和表面波信号幅度。本专利技术可广泛用于使用超声表面波进行检测的电磁超声装置。附图说明图1为本专利技术所述一种电磁超声表面波换能器的结构示意图；图2为工作频率为500kHz的电磁超声表面波换能器在各不同磁铁厚度下磁铁与线圈宽度比和面外振幅拟合曲线图；其中，曲线A表示磁铁厚度为29.3mm，曲线B表示磁铁厚度为23.44mm，曲线C表示磁铁厚度为17.58mm，曲线D表示磁铁厚度为11.72mm；图3为工作频率为500kHz的电磁超声表面波换能器在水平和竖直方向的磁场下，表面波的幅度与传播距离的图像，其中，实线表示垂直磁场，虚线表示水平磁场；图4为500kHz、750kHz和1MHz频率下磁铁与曲折线圈宽度最佳比例和磁铁厚度与波长的比例的经验曲线图；图5为磁铁与曲折线圈宽度最佳比例和磁铁厚度与波长的比例经验曲线图；图6为包含有12个导线槽，且每个导线槽中均为1根导线的曲折线圈，各导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像，其中No.1～No12分别表示12个导线槽中导线单独产生表面波的幅度与传播距离的图像。具体实施方式具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电磁超声表面波换能器，它包括：磁铁1、曲折线圈2和铜箔3；所述曲折线圈2包括：导线2-1和骨架2-2，曲折线圈2的匝数为n，其中n＝5,6,7；所述骨架2-2为左右对称结构，沿骨架2-2的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线2-1，以两个相邻的导线槽为一级，n个导线槽中的导线数量从曲折线圈2的两端向骨架2-2的中心方向逐级递减；磁铁1、曲折线圈2和铜箔3的长度均相等，曲折线圈2和铜箔3的宽度相等，磁铁1的宽度小于曲折线圈2的宽度，且满足：(w1/w2)＝-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694；其中，h＝t1/λ，t1为磁铁1的厚度，λ为磁铁1激发的表面波的波长，w1为磁铁1的宽度，w2为曲折线圈2的宽度；磁铁1、铜箔3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁超声表面波换能器，其特征在于，它包括：磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3)；所述曲折线圈(2)包括：导线(2‑1)和骨架(2‑2)，曲折线圈(2)的匝数为n，其中n＝5,6,7；所述骨架(2‑2)为左右对称结构，沿骨架(2‑2)的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线(2‑1)，以两个相邻的导线槽为一级，n个导线槽中的导线数量从曲折线圈(2)的两端向骨架(2‑2)的中心方向逐级递减；永磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3)的长度均相等，曲折线圈(2)和铜箔(3)的宽度相等，磁铁(1)的宽度小于曲折线圈(2)的宽度，且满足：(w1/w2)＝‑0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694；其中，h＝t1/λ，t1为磁铁(1)的厚度，λ为磁铁(1)激发的表面波的波长，w1为磁铁(1)的宽度，w2为曲折线圈(2)的宽度；磁铁(1)、铜箔(3)和曲折线圈(2)依次重叠固定。

【技术特征摘要】
1.一种电磁超声表面波换能器，其特征在于，它包括：磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3)；所述曲折线圈(2)包括：导线(2-1)和骨架(2-2)，曲折线圈(2)的匝数为n，其中n＝5,6,7；所述骨架(2-2)为左右对称结构，沿骨架(2-2)的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线(2-1)，以两个相邻的导线槽为一级，n个导线槽中的导线数量从曲折线圈(2)的两端向骨架(2-2)的中心方向逐级递减；磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3)的长度均相等，曲折线圈(2)和铜箔(3)的宽度相等，磁铁(1)的宽度小于曲折线圈(2)的宽度，且满足：(w1/w2)＝-0.0009571(h)2+0.0266(h)+0.7694；其中，h＝t1/λ，t1为磁铁(1)的厚度，λ为磁铁(1)激发的表面波的波长，w1为磁铁(1)的宽度，w2为曲折线圈(2)的宽度；磁铁(1)、铜箔(3)和曲折线圈(2)依次重叠固定。2.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波换能器，其特征在于，所述导线(2-1)为漆包线导线。3.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波换能器，其特征在于，所述铜箔(3)的厚度为0.1mm。4.根据权利要求1所述的一种电磁超声表面波换能器，其特征在于，所述磁铁(1)为N52型钕铁硼永磁体。5.一种电磁超声表面波换能器的设计方法，其特征在于，所述电磁超声表面波换能器包括：磁铁(1)、曲折线圈(2)和铜箔(3)；所述曲折线圈(2)包括：导线(2-1)和骨架(2-2)，曲折线圈(2)的匝数为n，其中n＝5,6,7；所述骨架(2-2)为左右对称结构，沿骨架(2-2)的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线(2-1)；磁铁(1)、铜箔(3)和曲折线圈(2)依次重叠固定；所述方法包括以下步骤：步骤一：根据实际测量需求和工程应用限制条件确定待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁(1)的厚度t1，所述磁铁(1)的厚度t1为：在工程应用限制条件下，磁铁(1)所允许的最大厚度；步骤二：利用待设计换能器的工作频率f和待测试件的表面波...

【专利技术属性】
技术研发人员：康磊，金昱，苏日亮，张超，潘峰，蒋川流，柳新，王淑娟，翟国富，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23