一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其阵元为跑道线圈，该传感器主要由激励线圈和永磁体两部分构成。设计时涉及的参数主要包括单阵元线圈的形式、单阵元线圈导线的间距d、单阵元宽度w、提离距离h、阵列中阵元数目N、阵元间距D，以及永磁体的宽度W和高度H。相对于传统的传感器，本发明专利技术所设计的传感器具有的优点主要包括增强了激励信号和接收信号的强度、降低了聚焦声场的旁瓣、提高了缺陷识别能力、具有优异的成像效果等。通过实验，使用该传感器成功实现了对尺寸为200mm

【技术实现步骤摘要】
一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器


[0001]专利技术涉及一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，属于电磁 超声无损检测
相较于常规的电磁超声传感器，该传感器提高了接收 信号信噪比、降低了聚焦声场的旁瓣、提升了缺陷识别能力。

技术介绍

[0002]铝合金材料以其质量轻、强度高、以及耐腐蚀性好等特点被广泛的运用于 航空航天、汽车制造和船舶加工等领域。但在生产、运输和材料服役过程中经 常会出现一些缺陷而致使材料的性能发生改变，最终导致严重的安全责任事故。 因此，对其进行准确、高效的无损检测在实际的生产生活中具有重要的价值和 意义。
[0003]工业上常规的无损检测方式有射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测 和超声检测五大类。射线检测方法成本高、对人体有害。同时，当照相角度不 合适时，射线照相法容易发生漏检的情况。磁粉检测可用于检测锻件、铸件等， 其优点是可用于检测结构较复杂的试件，如泵、压缩机部件等设备。但其仅限 于检测磁性材料的试件，且仅可检测接近于近表面的缺陷，对非磁性材料和深 层缺陷的检测不适用。相对于磁粉检测，渗透检测弥补了不能检测非磁性材料 的不足。渗透检测可对非磁性材料，如塑料和陶瓷等材料的试件进行检测且可 以一次性全面检测出形状复杂的缺陷。其主要的局限在于检测程序过于繁琐、 效率较低，检测灵敏度低，对检测人员要求高。涡流检测是基于电磁感应原理 的一种无损检测方法。在涡流检测中，由线圈充当换能器，线圈将能量传递给 被测试件，同时涡流所产生的交变磁场又作用于线圈，通过线圈中的电信号变 化来获得相关信息。从而，涡流检测具有无需耦合、检测灵敏度高的优点。但 是，该种方式检测深度浅，只能检测表层缺陷。超声检测是利用频率高于20kHz 的机械波——超声波来进行检测的一种无损检测方式。超声检测具有穿透力强、 对类似裂纹、夹杂等平面型缺陷检测灵敏度高的特点。但是其无法对形状复杂 工件进行检测，且需要用耦合剂来填充探头与试件之间的空隙。
[0004]由于压电超声检测技术在检测时需要耦合剂，可以非接触测量的电磁超声 技术受到人们的关注。电磁超声检测技术利用电磁耦合的方式激励和接收超声 波，其主要由线圈、外部磁场和试件本身三部分构成。当试件表面的线圈通入 交变电流时，试件表面产生涡流，涡流在外加磁场的作用下，受到机械力的作 用而产生振动，形成超声波波源。当传感器接收超声波时，试件中粒子的运动， 在外加磁场的作用下线圈中产生感应电动势，引起输出端的电压变化。
[0005]电磁超声检测技术解决了压电超声检测技术中需要使用耦合剂的问题，实 现了非接触测量。这种非接触测量方式可以被广泛的运用在极端温度条件下， 同时对试件的表面粗糙度等参数的要求不高。除此之外，非接触测量为高速在 线测量提供了基础。相对于压电超声检测技术需要通过楔块才能激发出横波， 通过改变线圈的形式，在一定的激发条件下，电磁超声传感器可以产生横波、 表面波等多种形式的超声波。
[0006]对于电磁超声检测技术，存在的一个主要不足就是换能效率低。为利用电 磁超声
检测技术的众多优点，克服换能效率低的缺点，电磁超声相控阵技术的 成为解决问题的关键。电磁超声相控阵技术通过对各通道激励信号进行延迟时 间的设置，使得声束可以聚焦于试件内部某一点。声束的聚焦有效的增强了聚 焦点处信号的强度，通过叠加效应克服了传感器换能效率低的不足。同时，声 束的偏转使得电磁超声相控阵具有更加广泛的用途。
[0007]本专利技术设计了一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，极大增强了 接收信号的信噪比，增大了缺陷检出效率。同时，利用相控阵技术实现了对缺 陷的扇形扫描成像。

技术实现思路

[0008]针对单一电磁超声传感器的线圈信号强度小、检测灵敏度低和无法对缺陷成 像的问题，本专利技术设计了一种接收信号信噪比更高、能分辨的缺陷更小、对缺 陷成像质量更好的传感器——一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器。 设计时涉及的参数主要包括单阵元线圈的形式、单阵元线圈导线的间距d、单阵 元宽度w、提离距离h、阵元数目N以及各阵元间的距离D。以及永磁体的宽度 W和高度H。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下设计方案：
[0010]一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器主要包括永磁体1、激励线圈 2和试件3。从电磁超声传感器的换能原理可知，试件属于传感器的一部分，但 是在实际检测时，待测试件的材料是不固定的，从而待测试件部分在本设计的 范围中，本设计仅针对永磁体和线圈部分。其特征在于：永磁体1采用钕铁硼 材料使其产生较强的偏置磁场。线圈2部分由多个阵元组成，每个阵元的线圈 形式为跑道线圈。永磁体1位于线圈2的对称轴上，紧贴线圈2表面。
[0011]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：单阵 元的线圈形式为跑道线圈，与传统的单阵元为线性导线和单匝环形导线相比， 改变了线圈形式，增加了导线数量，提高了接收信号的信噪比。
[0012]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：单阵 元的跑道线圈导线间距d，跑道线圈导线间距d避免超声波子波的分裂而导致缺 陷成像时产生伪像。同时，减小了传感器的尺寸。
[0013]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的提离距离h，提离距离h的设计保证了传感器的非接触性。同时，最大限度 的保证了产生超声信号的强度。
[0014]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的阵元数目N，阵元数目N的设计保证了传感器实现声束聚焦和偏转的功能。 同时，降低了对激励和采集传感器的硬件系统的要求。
[0015]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的阵元宽度w，阵元宽度w的设计使得传感器接收信号的信噪比较高的同时， 声场的旁瓣相对于主瓣强度小，降低了声场旁瓣对成像的影响。另外，在设计 的阵元宽度下，传感器的横向分辨率大，可用该传感器分辨更小的缺陷。
[0016]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：传感 器的阵元间距D，阵元间距D的设计提高了传感器接收信号的信噪比，降低了 声场旁瓣对成像的影
响，并提高了传感器的横向分辨率。
[0017]所述的一种阵元为跑道线圈的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：永磁 体的宽度W和高度H，宽度为W、高度为H的永磁体提供了较强的均匀偏置磁 场，同时配合设计的线圈最大限度减小了传感器整体所占的体积，尽可能的控 制了传感器的尺寸。
[0018]本专利技术可以获得如下有益效果：
[0019]1、相较于常规传感器中采用的单根导线或单回折线圈，采用跑道线圈作为 单阵元极大提高了接收信号的信噪比；线圈间导线间距d的设计避免了超声波 子波的产生，提高了电磁超声相控阵传感器成像的质量。
[0020]2、提离距离h的设计提高了激励信号的强度；
[0021]3、阵元宽度w和阵元间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，包括线圈和永磁体；其特征在于，该电磁超声相控阵传感器的结构特征包括：单阵元线圈的形式、单阵元线圈导线的间距d、单阵元宽度w、提离距离h、阵元数目N以及各阵元间的距离D，以及永磁体的宽度W和高度H；单阵元线圈为跑道线圈形式，提高激励和接收信号的信噪比；单阵元线圈导线的间距d，避免超声波子波的分裂而导致缺陷成像时产生伪像并减小电磁超声相控阵传感器尺寸；提离距离h，保证产生超声信号的强度；电磁超声相控阵传感器的阵元数目N，保证传感器实现声束聚焦和偏转功能，降低了对激励和采集传感器的硬件系统的要求；电磁超声相控阵传感器的阵元宽度w和传感器的阵元间距D，在使得传感器接收信号的信噪比较高的同时，声场的旁瓣相对于主瓣强度小，降低声场旁瓣对成像的影响；永磁体的宽度W和高度H，为线圈提供了较强的均匀偏置磁场的同时，配合设计的线圈最大限度减小电磁超声相控阵传感器整体所占体积，控制电磁超声相控阵传感器的尺寸。2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：线圈中通入电流幅值大小为1A、中心频率为1MHz的五周期汉宁窗调制的正弦波信号；提取与传感器中心线成θ＝30
°
夹角、深度为R＝10mm深度的位移幅值。3.根据权利要求1所述的一种用于铝合金材料缺陷检测的电磁超声相控阵传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增华，王铭权，郭彦弘，吴斌，何存富，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：