一种电磁铁式横波电磁声换能器

摘要

本发明公开了一种电磁铁式横波电磁声换能器，该传感器包括E型硅钢磁轭、励磁线圈、蝶形线圈。励磁线圈缠绕在E型硅钢磁轭的中心极上形成电磁铁，蝶形线圈放置在待测钢板表面，将电磁铁中心极覆盖在蝶形线圈中心矩形区域正上方为其提供偏置磁场。基于洛伦兹力与磁致伸缩机理，通过仿真证明了该换能器能够产生横波，且产生的横波能量远大于纵波；通过实验证明了该换能器能够实现在钢板厚度方向上单一体波激励，提高了横波的纯净度，易于信号分析。利用研制的电磁铁式横波电磁声换能器可实现对铁磁性板材的高效快速检测，在板结构健康监测和无损评价领域，具有极大的应用价值和潜力。

说明书

技术领域

本发明为一种电磁铁式横波电磁声换能器，属于超声无损检测领域，可在钢板中激励出较纯净的横波。

背景技术

核电站、火电厂、石油化工冶金等领域中铁磁性板材应用广泛，由于长期处于极端的工作环境，材料不可避免的会出现裂纹、夹杂、分层和氧化等问题，这些问题严重影响了材料的使用寿命和设备安全，在实际使用中造成无可挽回的灾难和经济损失，因此及时的进行无损检测从而减少经济损失以及安全隐患具有重要意义。

电磁声换能器具有非接触、无需耦合、结构灵活、使用便捷等优点，广泛用于超声无损检测领域。目前针对电磁声换能器的研究主要集中在永磁铁式电磁声换能器，但其缺点是在检测铁磁材料时移动困难且极易吸附铁屑；并且在铁磁性材料中洛伦兹力与磁致伸缩机理共同作用，因此会在钢板厚度方向上同时激发出横波和纵波，当板厚较小时会导致横波与纵波叠加严重，给信号分析带来困难。此时，研制一种能够在钢板厚度方向上激励单一体波的电磁铁式电磁声换能器非常有必要。目前，针对电磁铁式体波电磁声换能器的报道较少。Hernandez等研制了脉冲电磁铁和螺旋线圈组成的电磁铁式电磁声换能器，克服了永磁体由于其相对较低的最高工作温度所造成的限制，能在温度高达250℃的低碳钢样品上进行实验，且与永磁铁式电磁声换能器相比，该换能器常温下在钢中产生的剪切波显著增强。郑阳等提出了一种吸盘式脉冲电磁铁的电磁声换能器，能结构能更好地适应螺旋线圈，实现超声体波的激励与接收，结果表明此种传感器在铁磁性材料上的换能效率远大于非铁磁性材料上的换能效率。目前，针对钢板中激励出较纯净横波的电磁声换能器的研究鲜有报道。

发明内容

本发明旨在设计一种电磁铁式横波电磁声换能器，该换能器能够实现在钢板厚度方向上纯横波激励，其性能要优于传统螺旋线圈体波换能器。利用这种换能器更易于信号分析，便于对铁磁性板材进行结构健康监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

电磁铁式横波电磁声换能器，包括E型硅钢磁轭1，励磁线圈2，蝶形线圈3。其特征在于：励磁线圈2缠绕在E型硅钢磁轭1的中心极处，通电后磁场方向为从电磁铁中心极竖直向下分左右两路沿磁轭向中心极上方回归；蝶形线圈3放置在钢板上，且位于E型硅钢磁轭1的正下方，其中E型硅钢磁轭1的中心极刚好将蝶形线圈3的中心矩形区域覆盖，其中心矩形区域为该换能器横波的激发区域。

所述的电磁铁式横波电磁声换能器，其特征在于：E型电磁铁由E型硅钢磁轭1和励磁线圈2组成，硅钢材料的磁化能力强，磁感应强度高，在功率不变的情况下可减小磁轭体积，减轻重量；同时，在励磁线圈2中通入电流后，E型磁轭1中心极下方产生竖直向下的偏置磁场，其磁场强度比相同尺寸下柱形磁轭产生的磁场强度大。

所述的电磁铁式横波电磁声换能器，其特征在于：蝶形线圈3的中心矩形区域导线平行且通电后此区域的电流方向一致，因此蝶形线圈大部分的电流密度都集中在此区域，两侧导线产生的电流密度明显较低；与螺旋线圈相比，在线圈中心位置处蝶形线圈能够产生更加均匀的水平动磁场，而螺旋线圈的中心位置出现了竖直方向的动磁场。因此，根据钢板中洛伦兹力与磁致伸缩机理的分析，在竖直偏置磁场作用下，蝶形线圈能够产生更加纯净的横波。

本发明可以获得如下有益效果：

1、蝶形线圈3抑制了基于磁致伸缩机理产生的纵波，使该换能器在洛伦兹力与磁致伸缩机理作用下均产生横波，提高了横波的纯净度，易于信号分析；

2、E型硅钢磁轭1的中心极刚好将蝶形线圈3的中心矩形区域覆盖，使得磁场分布更加均匀，保证了换能器激励横波的稳定性；

3、电磁铁式电磁声换能器能够实现通电有磁，断电无磁，克服了传统永磁铁在钢板表面吸附铁屑且难以移动的问题，提高了检测效率。

附图说明

图1为电磁铁式横波电磁声换能器结构示意图；

图2为电磁铁式横波电磁声换能器二维有限元仿真模型图；

图3为E型电磁铁磁通密度分布仿真云图；

图4为螺旋线圈和蝶形线圈在钢板中的动磁场仿真云图；a)螺旋线圈磁场云图

b)蝶形线圈磁场云图。

图5为钢板中点P位置的仿真位移图；

图6为电磁铁式横波电磁声换能器实验系统图；

图7为电磁铁式横波电磁声换能器在钢板中的接收信号；

图8为螺旋线圈代替蝶形线圈的电磁铁式电磁声换能器在钢板中的接收信号；

图中：1、E型硅钢磁轭，2、励磁线圈，3、蝶形线圈，4、多通道数字示波器，5、高能脉冲激励接收装置RPR4000，6、直流稳压电源，7、钢板，8、电磁声换能器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于洛伦兹力和磁致伸缩机理，设计了一种电磁铁式横波电磁声换能器，利用该传感器在钢板上激励出较纯净的横波。

电磁铁式横波电磁声换能器结构示意图如图1所示，包括E型硅钢磁轭1、励磁线圈2、蝶形线圈3。检测对象为钢板，规格为200×100×30(单位：mm)。在COMSOLMultiphysics中建立二维有限元仿真模型如图2所示，为了之后提取钢板中超声波的波形，在钢板中绘制一点P，P点位于E型电磁铁式EMAT中心极的正下方，钢板厚度方向的中心位置。图3为E型电磁铁的磁通密度分布图，从图中箭头可以看出，磁场从电磁铁中心极竖直向下分左右两路沿磁轭向中心极上方回归。图4为螺旋线圈与蝶形线圈的磁场仿真云图，图中显示蝶形线圈能够产生更加均匀的水平动磁场，而螺旋线圈的中心位置出现了竖直方向的动磁场，与换能器的工作机理要求相悖。图5为P点x和y方向的位移分量，即体波的横波和纵波。利用两个连续波包的时间差，通过渡越时间法计算图5中波包的速度为3232m/s，与横波的理论速度3220m/s十分接近，相对误差仅为0.3％，且图中显示y方向位移分量相较于x方向位移分量趋近于一条直线，说明该电磁铁式电磁声换能器产生的横波远比纵波大得多，其产生的纵波能量较低可以忽略。

为了证明蝶形线圈比螺旋线圈在激励横波方面更有优势，在其他条件均相同的情况下，做了如下对比实验。实验系统如图6所示，包括多通道数字示波器4，高能脉冲激励接收装置RPR40005，直流稳压电源6，钢板7，电磁声换能器8。选用200×100×30(单位：mm)规格的钢板7作为被测试件，电磁声换能器8放在钢板7的中心位置处激励与接收。直流稳压电源6给E型电磁铁供电，使其产生稳定的偏置磁场，高能脉冲激励接收装置RPR40005与蝶形线圈3相连，为换能器提供高能脉冲信号并通过控制接收器增益可以放大传感器接收信号；多通道数字示波器4与高能脉冲激励接收装置RPR40005相连，用于显示和存储波形。在这两次实验中，除电磁声换能器的激励线圈不同外，其他条件均一致。螺旋线圈和蝶形线圈中均通入激励信号为中心频率为2MHz经汉宁窗调制的3周期正弦信号。

采用蝶形线圈的电磁铁式电磁声换能器的接收信号如图7所示，除了激励信号所产生的串扰信号外，能分辨出三个明显的回波波包，通过渡越时间法可以判断出第一个小波包为横波传播到底面产生横转纵的模态转换，在20μs处的波包为横波一次回波，接近40μs处的波包为横波二次回波。采用螺旋线圈的电磁铁式电磁声换能器的接收信号如图8所示，除了激励信号产生的串扰信号外，能分辨出五个明显的回波波包，通过时间飞行法对波包的速度进行计算，可以判断出在10μs处的波包为纵波的一次回波，紧接着的两个波包为纵波或横波在底面反射后发生模态转换，在20μs处的波包为横波一次回波，接近40μs处的小波包为横波二次回波。

从图7和图8可以看出，蝶形线圈能够有效抑制纵波的产生，更有利于激发横波，螺旋线圈在激发的横波一次回波前存在纵波和较多小波包，不利于信号分析。且通过对比发现，两种线圈产生的横波一次回波的幅值相近，但螺旋线圈产生的横波衰减较大，二次回波几乎消失，不利于后续进行数据分析。因此可以得出，应用蝶形线圈的电磁铁式横波电磁声换能器性能要优于传统螺旋线圈体波换能器，提高了激励横波的纯净度。