一种感容式电磁超声波换能器制造技术

一种感容式电磁超声波换能器，属于超声换能器技术领域，本发明专利技术为解决现有技术方案中电磁超声换能器激发纵波的强度受试件材料电磁性能影响较大，无法满足检测需求的问题。它包括：永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层和水膜；在金属试件的上方，依次堆叠有水膜、介质层、线圈、绝缘介质和永磁体，铜极板设置在线圈中心处；永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层、水膜和金属试件的中心线重合；永磁体用于提供静磁场，使金属试件表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；线圈用于提供电场；铜极板作为导体用于引导电场的空间分布；水膜用于排除换能器和金属试件之间的空气。本发明专利技术用于金属构件的超声无损检测。

【技术实现步骤摘要】
一种感容式电磁超声波换能器
本专利技术涉及一种感容式电磁超声波换能器，属于超声换能器

技术介绍
螺栓是工业现场极为重要的零件，同时也是工业设备安全最薄弱的环节，螺栓轴力的检测与监测是保证工业设备健康长时间服役的重要手段。目前，螺栓的轴力测量主要依赖超声法。为对已安装的螺栓进行超声应力测量，通常采用横纵波结合的方法。电磁超声技术作为一种非接触、无须耦合剂的超声技术，在应力检测方面有极大优势。然而，传统的电感式电磁超声换能器受限于工作原理，激发纵波的强度受试件材料的电磁性能影响巨大。在铁磁性材料中激发的纵波强度远低于横波强度，无法满足检测需求。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有技术方案中电磁超声换能器激发纵波的强度受试件材料电磁性能影响较大，无法满足检测需求的问题，提供了一种感容式电磁超声波换能器。本专利技术所述一种感容式电磁超声波换能器，包括永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层和水膜；在金属试件的上方，依次堆叠有水膜、介质层、线圈、绝缘介质和永磁体，铜极板设置在线圈中心处；永磁体、绝缘介质、线圈、铜极板、介质层、水膜和金属试件的中心线重合；永磁体用于提供静磁场，使金属试件表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；绝缘介质用于隔绝永磁体和铜极板，使永磁体不带电；线圈用于提供电场；铜极板作为导体用于引导电场的空间分布；介质层用于将电场传递至金属试件；水膜用于排除换能器和金属试件之间的空气，提高传递至金属试件的电场强度。本专利技术的优点：本专利技术在保留传统电磁超声无须耦合剂优势的同时，为弥补电感式电磁超声换能器的不足，提出了一种感容式电磁超声波换能器。该换能器在保留电感式电磁超声换能器非接触、无需耦合剂优势的前提下，具备可同时激励与接收比例可调的横波和纵波的能力。本传感器结构上优点包括：1、提出感容式电磁超声波换能器：本传感器结构上电感式换能器和电容式换能器互为对称，合理组合了电容式和电感式电磁超声换能器，具有灵活可配置的多种激励与接收超声信号的方式，同时激励比例可调的横波和纵波，针对不同应用场合，合理组合两种EMAT(电磁超声换能器)，可以获得性能更为丰富的电磁超声换能器。2、能够同时激发比例可调节的横纵波：受限于换能机理，传统的电感式电磁超声换能器激励纵波的强度强烈依赖于试件的电磁性能，在铁磁性材料当中，纵波的激励强度受到极大的抑制，远远低于横波的激励强度。本专利技术提出的感容式电磁超声换能器可以使得纵波和横波的强度比例为任意需求值，而不受制于测试试件。即使在电感式EMAT难以应用的铁磁性材料也可以激发出强度较大的纵波。也可以作为纯纵波换能器或纯横波换能器使用。3、试件本身即为声源：由于声波是在试件表面产生的，声波的传播范围仅是试件内部，不存在耦合界面。因而不会因为耦合剂的引入对测量结果产生误差。这对应力测量和高精度测厚是非常重要的。因为MPa级别的应力一般产生的形变等级仅为10μm级。常规压电超声耦合剂的使用使得每次测量结果一致性不好，测量精度也不够高。而本传感器由于具有上述特征，可以完全消除上述误差，进一步提高超声应力测量和厚度测量的精度。4、测量结果受外界因素影响低：由于不需要耦合剂，应用本传感器进行应力测量，操作流程可以大大简化。测量时，不需要对试件进行打磨、不需要通过施加一定的压力使得耦合剂厚度一致，测量完毕后只需要简单地清理掉水膜即可，检测效率有望大大提高。本专利技术提出的一种感容式电磁超声波换能器，能够准确测量已安装螺栓的轴力，操作简便，提高检测效率，不仅能够用于金属构件的超声无损检测，还适用于其他使用纵横波法测量应力且要求非接触的场合。附图说明图1是本专利技术所述一种感容式电磁超声波换能器的结构示意图；图2是本专利技术所述感容并联激励电感接收工作模式的原理图；图3是本专利技术所述感容并联激励感容接收工作模式的原理图；图4是本专利技术所述感容串联激励电感接收工作模式的原理图；图5是本专利技术所述感容串联激励感容接收工作模式的原理图；图6是本专利技术所述电容激励电感接收工作模式的原理图；图7是本专利技术所述电容激励感容接收工作模式的原理图；图8是本专利技术所述电感激励电容接收工作模式的原理图；图9是本专利技术所述电感激励感容接收工作模式的原理图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种感容式电磁超声波换能器，包括永磁体1、绝缘介质2、线圈3、铜极板4、介质层5和水膜6；在金属试件7的上方，依次堆叠有水膜6、介质层5、线圈3、绝缘介质2和永磁体1，铜极板4设置在线圈3中心处；永磁体1、绝缘介质2、线圈3、铜极板4、介质层5、水膜6和金属试件7的中心线重合；永磁体1用于提供静磁场，使金属试件7表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；绝缘介质2用于隔绝永磁体1和铜极板4，使永磁体1不带电；线圈3用于提供电场；铜极板4作为导体用于引导电场的空间分布；介质层5用于将电场传递至金属试件7；水膜6用于排除换能器和金属试件7之间的空气，提高传递至金属试件7的电场强度。本实施方式中，铜极板4也可以采用金极板、银极板或铝极板。直径10mm,厚0.5mm。铜极板4与介质层5结合方式为真空镀膜工艺。本实施方式中，所述绝缘介质2采用氧化铝陶瓷，直径30mm，厚度2mm，与永磁体1同轴放置，通过胶粘方式紧密结合。进一步的，所述永磁体1的充磁方向垂直于线圈3所在平面。本实施方式中，永磁体1采用直径30mm，高30mm的钕铁硼永磁体，充磁方向为厚度方向。再进一步的，所述线圈3为密绕平面线圈，铜极板4与线圈3处于同一平面内。本实施方式中，线圈3采用螺旋线圈，使用线径0.5mm铜漆包线紧密绕制，外径30mm，内径12mm。再进一步的，所述介质层5采用钛酸钡、掺铁钛酸锶、碳酸铜钙中至少一种。本实施方式中，介质层5厚度0.15mm，直径30mm，与线圈3结合方式为真空镀膜工艺或粘胶。再进一步的，所述水膜6采用纯水或水质量分数大于50％的水溶液。本实施方式中，水膜6采用纯水或水质量分数大于50％的水溶液制成的，而水是一种容易获得的具有较大介电常数的液体(相对介电常数约81)，不能将其认为是压电超声传感器中耦合剂，起到耦合声波的作用。具体实施方式二、下面结合图2-图9说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一作进一步限定，所述铜极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，包括永磁体(1)、绝缘介质(2)、线圈(3)、铜极板(4)、介质层(5)和水膜(6)；/n在金属试件(7)的上方，依次堆叠有水膜(6)、介质层(5)、线圈(3)、绝缘介质(2)和永磁体(1)，铜极板(4)设置在线圈(3)中心处；永磁体(1)、绝缘介质(2)、线圈(3)、铜极板(4)、介质层(5)、水膜(6)和金属试件(7)的中心线重合；/n永磁体(1)用于提供静磁场，使金属试件(7)表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；/n绝缘介质(2)用于隔绝永磁体(1)和铜极板(4)，使永磁体(1)不带电；/n线圈(3)用于提供电场；/n铜极板(4)作为导体用于引导电场的空间分布；/n介质层(5)用于将电场传递至金属试件(7)；/n水膜(6)用于排除换能器和金属试件(7)之间的空气，提高传递至金属试件(7)的电场强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，包括永磁体(1)、绝缘介质(2)、线圈(3)、铜极板(4)、介质层(5)和水膜(6)；
在金属试件(7)的上方，依次堆叠有水膜(6)、介质层(5)、线圈(3)、绝缘介质(2)和永磁体(1)，铜极板(4)设置在线圈(3)中心处；永磁体(1)、绝缘介质(2)、线圈(3)、铜极板(4)、介质层(5)、水膜(6)和金属试件(7)的中心线重合；
永磁体(1)用于提供静磁场，使金属试件(7)表面流过的电流受力，引发振动形成横波或纵波；
绝缘介质(2)用于隔绝永磁体(1)和铜极板(4)，使永磁体(1)不带电；
线圈(3)用于提供电场；
铜极板(4)作为导体用于引导电场的空间分布；
介质层(5)用于将电场传递至金属试件(7)；
水膜(6)用于排除换能器和金属试件(7)之间的空气，提高传递至金属试件(7)的电场强度。


2.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述永磁体(1)的充磁方向垂直于线圈(3)所在平面。


3.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述线圈(3)为密绕平面线圈，铜极板(4)与线圈(3)处于同一平面内。


4.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述介质层(5)采用钛酸钡、掺铁钛酸锶、碳酸铜钙中至少一种。


5.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述水膜(6)采用纯水或水质量分数大于50％的水溶液。


6.根据权利要求1所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，所述铜极板(4)、介质层(5)、水膜(6)和金属试件(7)构成一个换能器电容；
换能器工作模式包括：
感容并联激励电感接收工作模式、感容并联激励感容接收工作模式、感容串联激励电感接收工作模式、感容串联激励感容接收工作模式、电容激励电感接收工作模式、电容激励感容接收工作模式、电感激励电容接收工作模式和电感激励感容接收工作模式。


7.根据权利要求6所述的一种感容式电磁超声波换能器，其特征在于，感容并联激励电感接收工作模式的工作过程包括：
换能器电容与匹配电感串联，线圈(3)与匹配电容串联，换能器电容串联回路与线圈(3)串联回...

【专利技术属性】
技术研发人员：李展鹏，周纬航，屈正扬，秦伊人，李永虔，李策，汪开灿，
申请(专利权)人：零声科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32