多相位结构的电磁超声换能器及超声波高效激发的方法

摘要

本发明涉及一种多相位结构的电磁超声换能器及利用其进行超声波高效激发的方法。其中EMAT激励线圈的设计，采用多个折线绕组，以提高超声波激发的空间密度，折线绕组由多层回折线圈构成，结合在空间及相位上错开的电流激励，错位关系与激励相位吻合，可增加有效激励区域中的安匝数，提高超声波强度，实现超声波的高效激励和单向发射。本发明中永磁体充磁方向为水平充磁，适用于被测物为铁磁性材料，基于磁致伸缩效应原理的电磁超声无损检测。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁超声无损检测，尤其涉及一种多相位结构的电磁超声换能器。

背景技术

天然气管道在运行过程中会出现腐蚀、裂纹等缺陷，这些缺陷严重影响了管道的安全运行，所以必须对管道进行检测以评估其安全性。腐蚀缺陷的检测主要是采用漏磁技术，而对裂纹的检测一般使用超声检测技术。压电超声检测需要耦合介质，很难应用于天然气管道的在线检测。

电磁超声是无损检测领域出现的新技术，以其精度高、不需要耦合剂、非接触、适合于高温检测、移动检测，以及容易激发各种超声波型等优点，正越来越受到人们的关注和重视。

但其局限性在于能够提取到的被检测表面缺陷信息量离散，难以对板材表面和内部的缺陷位置进行定位并估算其损伤情况；特别是其能量转换效率较低，需要大功率脉冲电流来激励，限制了该技术的应用。

为提高电磁超声换能器的能量转换效率，本发明提供了一种多相位结构的EMAT及利用其进行超声波高效激发的方法。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种多相位结构的电磁超声换能器，能够提高电磁超声换能器的能量转换效率，实现超声波的高效激发。

本发明所要解决的次要技术问题是提供一种使用上述的电磁超声换能器进行超声波激发的方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种多相位结构的电磁超声换能器，包括：永磁体、多相EMAT线圈、被测铁磁性材料、信号源、多相驱动电路构成；所述的永磁体置于被测铁磁性材料上方，对被测铁磁性材料进行充磁，提供水平方向上的偏置磁场；

所述多相EMAT线圈由n个折线绕组构成，n>1；并置于所述被测铁磁性材料表面，以提高超声波激发的空间密度；所述折线绕组之间等间距l分布于所述EMAT线圈平面；

所述折线绕组由m层回折线圈构成，m>1;所述回折线圈采用S型回折走线方式，并保证各层对应位置走线的电流同向，各层的所述回折线圈通过层间过孔电气联接；

所述回折线圈中相邻走线之间的间距p=nxl；所述间距p由所激发的超声波在所述被测铁磁性材料中传播的速度C与频率f决定，且其数学关系为p=C/2f;

所述信号源产生频率f的周期信号S，通过移相产生初相为iπ/n的同频周期信号S_[i]输出，1≤i≤n；所述同频周期信号S_[i]经由所述多相驱动电路激励后，依次接入所述n个折线绕组，使得相邻的所述折线绕组中的激励电流相位差均为π/n。

一种利用上述的多相位结构的电磁超声换能器进行超声波高效激发的方法，具体步骤为：

1）将所述永磁体和被测铁磁性材料按上述的空间关系布置，对被测铁磁性材料进行水平方向上的充磁，形成的水平偏置磁场；

2）将多相EMAT线圈置于所述水平偏置磁场范围内，且按一定提离值置于被测铁磁性材料表面正上方。其中，所述多相EMAT线圈中折线绕组的走线方向与所述水平偏置磁场保持垂直；

3）由信号源激发频率为f的周期信号S，并经由移相产生n个同频周期信号S_[i]，1≤i≤n；相邻信号间的相位差均为π/n；

4）将所述n个同频周期信号S_[i]分别接入对应的多相驱动电路，形成n个等相位差的同频激励输出；

5）根据同频激励的相位差，依次将所述多相驱动电路的n个激励输出端与所述多相EMAT线圈中n个折线绕组电气相连；

6）在所述多相EMAT线圈的激励下，被测铁磁性材料质点产生对应频率的机械振动，并形成频率f的超声波；该超声波与偏置磁场平行，且沿各折线绕组的激励电流初相增大方向单向传播。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明把多相位结构的EAMT线圈与多相激励电流相结合，通过提高超声波激发的空间密度、空间强度以及空间指向性，实现了超声波的高效激励以及单向发射。

附图说明

图1为本发明优选实施例中多相位结构的电磁超声换能器结构示意图；

图2为本发明优选实施例中孤立折线绕组走向示意图；

图3为本发明优选实施例中三相激励下的三相位EMAT线圈示意图；

图4为本发明优选实施例中三相激励下电磁超声换能器的侧面剖视图；

具体实施方式

下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

参考图1-4，一种多相位结构的电磁超声换能器，包括：永磁体10、多相EMAT线圈11、被测铁磁性材料12、信号源、多相驱动电路构成；所述的永磁体10置于被测铁磁性材料12上方，对被测铁磁性材料12进行充磁，提供水平方向上的偏置磁场；

所述多相EMAT线圈由n个折线绕组构成，n>1；本实施例中优选为3相，即n=3；并置于所述被测铁磁性材料表面，以提高超声波激发的空间密度；所述折线绕组之间等间距l分布于所述EMAT线圈平面；

所述折线绕组由m层回折线圈构成，m>1;所述回折线圈采用S型回折走线方式，并保证各层对应位置走线的电流同向，各层的所述回折线圈通过层间过孔电气联接；

所述回折线圈中相邻走线之间的间距p=nxl；所述间距p由所激发的超声波在所述被测铁磁性材料中传播的速度C与频率f决定，且其数学关系为p=C/2f;

对于3相EMAT线圈，则有3xl=C/2f，即l=C/6f。

下面以PCB双层板(m=2)为载体，结合图2,3对所述多相EMAT线圈11进行说明：

图中深色线段代表位于PCB板上层的折线线圈走线线段，浅色线段代表位于PCB板下层的折线线圈走线线段，深色线段与浅色线段交接的转折处所画的深色圆形代表层间过孔，将上层回折线圈走线线段与下层回折线圈走线线段电气连接，使上层/下层激励电流通过层间过孔流至下层/上层。

如图2所示，先对孤立折线绕组的电流走向进行说明（n=1）。图中线段粗细及标号用于辅助说明电流路径。

激励电流从PCB板的上层中标号0端出发，经上层走线（深色粗线段）至层间过孔1处，经层间过孔衔接，激励电流流入PCB板下层，下层走线（浅色粗线段）至层间过孔2处，激励电流经过层间过孔流入PCB板上层。以同样的方式，激励电流在PCB板的上下层之间切换，电流流至层间过孔3处。

当激励电流流至图2最右端时，激励电流转而向图2的左方回折，层间过孔2与层间过孔3之间的折线绕组线段位于PCB板上层，而层间过孔4与层间过孔5之间的折线绕组线段位于PCB板下层。两层对应位置走线的激励电流同向。以类似的方式使激励电流通过层间过孔6，流回标号7端。构成折线绕组回路0-1-2-3-4-5-6-7。

如图3所示，将图1孤立折线绕组向图示右侧平移1/6个超声波波长距离，成为第二相位折线绕组，再将第二相位折线绕组向图示右侧平移1/6个超声波波长距离，形成三相位结构的EMAT线圈。

经孤立折线绕组平移后，各折线线圈在PCB板上均匀分布，有利于提高超声波激发的空间密度。本实施例中，任意位置的交叉走线线段都处于不同层；并且上下层对应位置走线的激励电流均能保持同向，有利于增加激励的安匝数，提高超声波激发的空间强度。

进一步参考图4，一种利用多相位结构的电磁超声换能器进行超声波高效激发的方法：

将永磁体10和被测铁磁性材料12按图4所述的空间关系布置，对被测铁磁性材料12进行水平方向上的充磁，形成的水平偏置磁场。

将多相EMAT线圈11置于水平偏置磁场范围内，且按1mm提离值置于被测铁磁性材料12表面正上方。其中，多相EMAT线圈11中折线绕组的走线方向与偏置磁场保持垂直。

截面处激励电流方向有垂直纸面向内（使用×表示）及垂直纸面向外（使用·表示）两个方向。从图4左向右观察，激励电流方向依次穿过纸面，先后出现于由深色表示的上层-下层-上层对应导线段，再经浅色表示的下层-上层-下层路径返回左侧。其中不同相折线绕组及激励电流使用不同形状区分，分别为圆形、方形以及三角形。

图4中坐标图展示时间(设为x轴)以及质点位置或电流(设为y轴)之间关系。沿x轴可以观察任一相折线绕组在对应位置的激励电流随时间变化关系。沿y轴可以观察任一时刻下各相折线绕组上激励电流相位关系，以及各对应位置被测铁磁性材料质点振动情况。

由信号源激发的三相同频周期信号分别形成三个等相位差的同频激励输出。依次将三相驱动电路的激励输出端与EMAT线圈中三个折线绕组电气相连。取三相位EMAT线圈绕组中间段位置观察，三相激励电流相位关系如图3坐标图所示。

在EMAT线圈的激励下，被测铁磁性材料质点产生对应频率的机械振动，并形成频率f的超声波。该超声波与偏置磁场平行，沿水平方向传播。

对各相超声波向右侧传播过程进行分析，被测铁磁性材料质点产生对应频率的机械振动在频率及相位上均与该位置激励电流相位相同（即超声波在向右侧传播过程中同相相互叠加），该方向的超声波强度得到有效提高。同样对各相激励超声波向左测传播过程进行分析，三相电流激励超声波相位不同，叠加结果为零，即激发超声波在向左侧传播的过程中相互抵消。因此，该多相结构的EMAT可实现超声波的单向发射。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。