一种用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器

摘要

一种用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器，属于金属板材的导波层析成像技术领域，具体涉及一种单一模式180度指向角的电磁超声兰姆波换能器。解决了现有电磁超声兰姆波换能器指向角小、激发的导波模式混合的问题，本发明的永磁铁为长、宽均大于线圈直径的长方体永磁铁，且永磁铁的静磁场磁感应强度不低于0.15T；每匝半圆型的曲折线圈包含m根导线，且相邻两匝导线在径向上的中心距离为d＝λ/2，n匝半圆型的曲折线圈制作成双面PCB电路板，所述PCB电路板设置在永磁铁的正下方。本发明适用于各种材料属性均匀的金属板材结构的层析成像。

说明书

技术领域

本发明属于金属板材的导波层析成像技术领域，具体涉及一种单一模式180度指向角 的电磁超声兰姆波换能器。

背景技术

在材料、机械和化工等领域中，铝板在生产、加工、运输和使用中容易产生裂纹、腐 蚀等缺陷。而现代工业对产品质量要求非常严格，小缺陷都可能对环境与经济造成严重威 胁。因此许多国家都把无损检测作为控制产品质量的关键性技术环节加入自己的生产体系 中。随着检测技术的提升，现代工业对无损检测的要求已不再是简单的确定缺陷有无，还 要确定缺陷尺寸、深度等信息，这就需要用到新技术与之结合来完成检测。电磁超声兰姆 波层析成像技术正是将电磁超声兰姆波与层析成像技术相结合发展出来的一种新型无损 检测技术。该技术可以提供大量直观信息，可以形象地描述缺陷轮廓，从而可以进一步对 工件质量、性能进行评价。

目前用于在无损检测领域的换能器多为压电超声换能器。使用该换能器时，必须要在 被测试件表面涂抹纯净均匀的耦合剂(如油、水和软膏等)。由于耦合剂的引入，使得压 电超声技术的应用受到了一些限制，例如不适用于高温、高速、表面粗糙试件的检测；再 如检测盲区较大，检测效率较低等。电磁超声换能器不仅无需耦合剂，检测效率高，检测 信号强，而且可以灵活地选择所激发的兰姆波模式及其最优工作点，进而显著提升超声波 的缺陷灵敏度。因此，电磁超声换能器在大面积、长距离或深埋地下的板材、钢轨、管道 等工业试件快速检测中具有独特优势。

兰姆波检测采用“线扫描”方式对试件进行检测，与体波检测的“点扫描”方式相比效率 更高。同时，兰姆波在试件中传播时衰减小，传播距离长。采用双探头进行一发一收检测 时，接收到的兰姆波信号携带了两探头之间试件的整体信息，利用联合迭代重建算法对兰 姆波信号的走时信息进行成像，即可获得缺陷的位置、尺寸等信息。

导波层析成像对测试件的扫描方式有多种，包括双跨孔扫描方式、平行扫描方式、扇 束扫描方式、圆形阵列扫描方式等，其中在双跨孔扫描方式、扇束扫描方式、圆形阵列扫 描方式下，都对换能器有较大指向角的要求。以双跨孔扫描方式为例，在层析成像技术中 对测试件的扫描方式如图1所示，图1中的黑点表示换能器的位置，将板材结构的四周按 图1所示布置发射、接收换能器。板的上端和左侧等间距布置发射换能器，下端和右侧等 间距布置接收换能器。上端的发射换能器依次发射，并由下端换能器各点同时接收；左端 的发射换能器依次发射，由右端换能器各点同时接收。常规的曲折线圈有较强的指向性， 发射接收都需要调整好方向使线圈的中轴线在一条直线上，否则接收信号强度将会减弱， 甚至有可能人为的引入误差，不利于检测。为了满足导波层析成像技术的扫描要求，需要 声场覆盖区域大的换能器，能够在较大指向角上发射、接收超声导波信号。

目前使用于导波层析成像的换能器多为基于电磁超声技术的螺旋线圈换能器，该换能 器虽然能够达到全指向角发射接收信号的要求，但激发的波形常为多种模式导波的混合波 形，要用于导波层析成像还需进行信号处理分离出单一模式的导波，处理方法较为复杂， 且在处理过程中容易产生新的误差。本发明是间距一定的半圆形曲折线圈，在选择合适工 作点的情况下能够激发模式单一的导波，并且可以满足大指向角的要求，适用于导波层析 成像。

发明专利“一种全向SH导波电磁超声换能器”(申请号：201210125086.1)提及的适用 于包括导电和非导电材料在内的各种均匀、各向同性弹性板结构的缺陷检测和健康监测的 全向SH导波电磁超声换能器。其局限在于导波层析成像过程中，当换能器指向角为360度 时占用面积较大，最终制成的换能器体积大，不易携带与使用。该发明激发SH导波时需要 预磁化圆环状铁镍合金带，然后将粘贴了回折线圈的铁镍合金带采用胶带固定在待检测平 板结构之上，结构较为复杂，操作较为麻烦。而本专利为180度指向角的换能器，能够完全 满足层析成像扫描要求且体积较小，而且激发兰姆波只需将磁铁置于线圈上方，激发简便， 工艺简单。

发明专利“电磁声探伤仪”(申请号：99250252.7)提及到的聚焦回折式线圈，发射线 圈与接收线圈呈弧线形，弧线中心为声聚焦点，由于声干涉作用声聚焦点变成柱状形式， 在焦柱长度内的缺陷的反射波幅值较高。此专利虽然为弧线形设计，但其功能为聚焦声波 增加分辨率，并没有起到大指向角发射接收导波的作用，不适用于导波的层析成像。

《仪器仪表学报》(2010.6，v31n6)所发表文章“周向一致兰姆波电磁超声换能器设计 与实现”与发明专利“一种周向一致单一S0模态Lamb波电磁声传感器”(申请号： 201110280961.9)涉及一种用于在非铁磁性铝板中激励周向一致Lamb波的换能器结构， 该换能器只能产生单一S0模式的兰姆波，其线圈为利用PCB板制作的密绕圆盘状螺旋线 圈，通过改变线圈的内外径比与兰姆波波长参数来达到模式选择的功能。而本专利在选择 合适工作点的情况下通过线圈中相邻两匝导线中心之间的径向距离为拟激发兰姆波波长 一半的原理进行设计，使得各匝导线下方引起的质点振动声源形成强烈的相长干涉，从而 更为有效地激发单一模式兰姆波。

发明内容

本发明是为了解决现有电磁超声兰姆波换能器指向角小、激发的导波模式混合的问题， 提出了一种用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器。

本发明所述一种用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器，它包括纵向充磁的永磁 铁和n匝半圆型的曲折线圈；其中，2≤n≤14；

所述永磁铁为长、宽均大于线圈直径的长方体永磁铁，且永磁铁的静磁场磁感应强度 不低于0.15T；

每匝半圆型的曲折线圈包含m根导线，且相邻两匝导线在径向上的中心距离为d＝λ/2， 其中λ为选定的兰姆波模式在频率f下的波长；所述3≤m≤23；

n匝半圆型的曲折线圈制作成双面PCB电路板，所述PCB电路板设置在永磁铁的正下 方；该永磁铁产生磁场方向垂直于PCB电路板的静磁场；

所述兰姆波模式分为：反对称模式和对称模式；

反对称模式：分为零阶反对称模式、一阶反对称模式、二阶反对称模式……K阶反对 称模式，K为正整数；

所述反对称模式为板中质点相对于板中间层作反对称运动；

对称模式：分为零阶对称模式、一阶对称模式、二阶对称模式……K阶对称模式；

所述对称模式为板中质点相对于板中间层作对称运动。

本发明通过电磁耦合方式激发超声波，不需要耦合介质，可用于非接触式检测；

半圆形的换能器具有180度指向性，与全指向性超声换能器相比体积较小，且能够满足 导波层析成像技术对超声换能器较大指向角的需求。

本发明在选择合适工作点的情况下通过线圈中相邻两匝导线中心之间的径向距离为拟 激发兰姆波波长一半的原理进行设计，使得各匝导线下方引起的质点振动声源形成强烈的 相长干涉来激发单一模式兰姆波，消除了多模式的影响，方便提取回波的特征参数，适用 于各种材料属性均匀的金属板材结构的层析成像。

附图说明

图1是导波层析成像双跨孔扫描示意图；图中P侧为发射曲折线圈位置，Q侧为接 收射曲折线圈位置，图中标有a的圆圈为待测试件的缺陷点；

图2是换能器示意图；

图3是2mm铝板上A0模式且工作点为0.5MHz·mm的PCB线圈图；

图4是2mm铝板上S0模式且工作点为1.5MHz·mm的PCB线圈图；

图5是换能器接收到的A0模式回波信号图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于导波 层析成像的电磁超声兰姆波换能器，它包括纵向充磁的永磁铁1和n匝半圆型的曲折线圈 2；其中，2≤n≤14；

所述永磁铁为长、宽均大于线圈直径的长方体永磁铁1，且永磁铁1的静磁场磁感应 强度不低于0.15T；

每匝半圆型的曲折线圈2包含m根导线，且相邻两匝导线在径向上的中心距离为d＝λ/2， 其中λ为选定的兰姆波模式在频率f下的波长；所述3≤m≤23；

n匝半圆型的曲折线圈2制作成双面PCB电路板，所述PCB电路板设置在永磁铁1的 正下方；该永磁铁1产生磁场方向垂直于PCB电路板的静磁场；

所述兰姆波模式分为：反对称模式和对称模式；

反对称模式：分为零阶反对称模式、一阶反对称模式、二阶反对称模式……K阶反对 称模式，K为正整数；

所述反对称模式为板中质点相对于板中间层作反对称运动；

对称模式：分为零阶对称模式、一阶对称模式、二阶对称模式……K阶对称模式；

所述对称模式为板中质点相对于板中间层作对称运动。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于导波层析成像的电 磁超声兰姆波换能器的进一步说明，n匝半圆型的曲折线圈2采用漆包线绕制而成。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于导波层析成像的电 磁超声兰姆波换能器的进一步说明，永磁铁1采用N52型钕铁硼永磁铁。

具体实施例：

选定测试件的材料属性、厚度，将其代入兰姆波的特征方程，得到兰姆波激发方程和 激发曲线。选定兰姆波的模式后，在兰姆波的激发曲线上可以找到预计工作点的相速度 C_p和频率f的信息，代入公式λ＝C_p/f中，得到兰姆波的波长信息；线圈中相邻两匝导线中 心之间的径向距离为d＝λ/2，算出曲折线圈的相邻导线间距。

以印制电路板(PCB)工艺为例，采用用于导波层析成像的电磁超声兰姆波换能器在 2mm的铝板上激发单一A0模式(零阶反对称模式)的兰姆波时，选择0.5MHz·mm工作 点确定出工作频率为0.25MHz。根据铝板中兰姆波的激发曲线得到在频率为0.25MHz时， 相速度为1891.34m/s，代入公式λ＝C_p/f，可以得到兰姆波的波长λ＝7.562mm，曲折线圈的 相邻两匝导线间距L为3.784mm，最终的180度指向角兰姆波线圈如图3所示；

在2mm的铝板上激发单一S0模式(零阶对称模式)的兰姆波时，选择1.5MHz·mm 工作点确定出工作频率为0.75MHz；根据铝板中兰姆波的激发曲线得到在频率为0.75MHz 时，相速度为5212.5m/s，代入公式λ＝C_p/f，可以得到兰姆波的波长λ＝6.95mm，曲折线圈 的相邻导线间距L为3.475mm，最终设计的180度指向角兰姆波线圈如图4所示。

当测试件为钢板时，需代入钢板的材料属性参数即钢板中的横波和纵波的波速以及钢 板厚度到兰姆波的特征方程，得到兰姆波的激发方程和激发曲线。根据相同方法可以得到 兰姆波波长，从而确定线圈中相邻两匝导线中心之间的径向距离。

线圈一匝导线中包含3～23根导线，在径向上相邻两匝导线中心的距离为d。

半圆形的换能器具有180度指向性，与全指向性超声换能器相比体积较小，且能够满 足导波层析成像技术对超声换能器较大指向角的需求。

将曲折线圈中通入3～10个周期的频率为0.1～2MHz的猝发音信号，通过阻抗匹配， 可在电磁超声换能器中产生高频大功率发射电流。

一组典型应用为两个换能器相距320mm，换能器利用一发一收的检测方式，在2mm 厚铝板上进行实验，激励信号为中心频率为250kHz的5个周期的正弦波信号，图5为接 收信号图，第一个回波信号为A0模式(零阶反对称模式)波包信号。

在层析成像的应用中，换能器工作于一发一收的方式下。可将换能器以层析成像要求的 扫描方式进行排布，接收到的兰姆波信号携带了两探头之间试件的整体信息，利用联合迭 代重建算法对兰姆波信号的走时信息进行处理运算，对金属板材进行成像，完成精确检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发 明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权 利要求书确定的专利保护范围。