本發(fā)明涉及電磁超聲無損檢測(cè)技術(shù)，具體為一種提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的換能器及方法。

背景技術(shù)：
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電磁超聲換能器(Electromagnetic acoustic transducer，簡(jiǎn)稱EMAT)是一種激發(fā)和接收超聲波的裝置。該裝置無需聲耦合劑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以方便地激發(fā)多種模式的超聲波，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，因此廣受研究者關(guān)注。在金屬導(dǎo)體中激發(fā)電磁超聲，通常有兩種方法，一種是基于洛倫茲力機(jī)理，一種是基于磁致伸縮機(jī)理?；诼鍌惼澚Φ碾姶懦晸Q能器通常用于非鐵磁性導(dǎo)電材料的檢測(cè)，通常由磁鐵，線圈和檢測(cè)試件組成，線圈設(shè)置在待檢測(cè)試件上，磁鐵設(shè)置在線圈上面。檢測(cè)時(shí)，在發(fā)射線圈中施加猝發(fā)激勵(lì)信號(hào)，線圈在被測(cè)試件上感應(yīng)出與激勵(lì)信號(hào)同頻率的電渦流，電渦流在磁鐵的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)作用下在待測(cè)試件中產(chǎn)生洛倫茲力，在動(dòng)態(tài)洛倫茲力作用下待測(cè)試件中產(chǎn)生超聲波，超聲波接收的過程就是超聲波激發(fā)過程的逆過程。

根據(jù)洛倫茲力的計(jì)算公式：F=J×B

其中J為電渦流密度，B為偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度。由洛倫茲力的計(jì)算公式可知，要提高信號(hào)強(qiáng)度，只能提高激勵(lì)電流或者提高偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度，然而受限于功率放大器的功率及線圈所能承受的電流等因素，不可能無限的增加激勵(lì)電流，當(dāng)線圈參數(shù)、激勵(lì)電流、線圈和磁鐵的提離高度一定時(shí)，在線圈中施加激勵(lì)信號(hào)后在鋁板中產(chǎn)生的電渦流J是一定的。而當(dāng)J一定時(shí)，要想提高信號(hào)強(qiáng)度，只有提高靜態(tài)偏置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，然而當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到一定的值的時(shí)候，想再提高其磁感應(yīng)強(qiáng)度在成本和技術(shù)難度上都是很高的，同時(shí)磁鐵存在磁飽和的問題，所以單靠增加磁感應(yīng)強(qiáng)度也存在著局限性。目前提高超聲信號(hào)強(qiáng)度通常都通過降低提離高度，增加線圈匝數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)，但是效果并不是很明顯。由于電磁超聲換能器存在換能效率比較低、激發(fā)出的超聲信號(hào)微弱導(dǎo)致接收到的信號(hào)的信噪比較低、信號(hào)強(qiáng)度弱導(dǎo)致傳輸距離有限等問題，給大范圍、長距離檢測(cè)帶來困難。因此，有必要提高電磁超聲換能器的信號(hào)強(qiáng)度，增加檢測(cè)靈敏度和超聲信號(hào)的信噪比，使電磁超聲檢測(cè)技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的換能器及方法，通過改進(jìn)換能器結(jié)構(gòu)、利用磁場(chǎng)的疊加特性，采用雙磁鐵來增強(qiáng)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)在非鐵磁性金屬材料檢測(cè)時(shí)獲得更高的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比、提高換能器的測(cè)量靈敏度、增大檢測(cè)范圍的目的。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的換能器，包括上導(dǎo)軌，上絲杠，線圈，上磁鐵，上固定座，上滑塊，待測(cè)試件，下導(dǎo)軌，下絲杠，下磁鐵，下固定座以及下滑塊，所述線圈設(shè)置于待測(cè)試件上方且與待測(cè)試件不相接觸，上磁鐵設(shè)置于線圈上方，線圈與上磁鐵安裝在上固定座上，上固定座與上滑塊連接，上滑塊與上絲杠采用螺旋傳動(dòng)，上滑塊安裝在上導(dǎo)軌上，所述上絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)上滑塊沿上導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，上滑塊帶動(dòng)上磁鐵和線圈一起沿著上導(dǎo)軌移動(dòng)，所述下磁鐵設(shè)置于待測(cè)試件下方且與待測(cè)試件不相接觸，下磁鐵安裝在下固定座上，下固定座與下滑塊連接，下滑塊設(shè)置在下絲杠和下導(dǎo)軌上，所述下絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下滑塊帶動(dòng)下磁鐵沿著下導(dǎo)軌移動(dòng)，所述上導(dǎo)軌與下導(dǎo)軌平行安裝，所述待測(cè)試件上方的上磁鐵與待測(cè)試件下方的下磁鐵在垂直方向上投影重合，保持上磁鐵與下磁鐵相互平行，所述上磁鐵和下磁鐵形成的磁場(chǎng)與待測(cè)試件垂直。

進(jìn)一步地，所述上磁鐵與下磁鐵安裝的極化方向一致。

進(jìn)一步地，所述線圈與待測(cè)試件之間的間距為0.5-1.5mm，所述下磁鐵與待測(cè)試件之間的間距為0.5-2mm。

本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：一種提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的方法，包括如下步驟：

步驟一：上磁鐵與下磁鐵安裝的極化方向一致，偏置磁場(chǎng)方向垂直于待測(cè)試件，上磁鐵與下磁鐵的偏置磁場(chǎng)穿過待測(cè)試件形成閉合回路，磁場(chǎng)在待測(cè)試件內(nèi)部進(jìn)行矢量疊加后，在垂直于待測(cè)試件的方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)；

步驟二：在線圈中施加猝發(fā)激勵(lì)信號(hào)，線圈在待測(cè)試件上感應(yīng)出電渦流，電渦流與上磁鐵、下磁鐵的靜態(tài)磁場(chǎng)在待測(cè)試件中產(chǎn)生洛倫茲力，在動(dòng)態(tài)洛倫茲力作用下在待測(cè)試件中產(chǎn)生超聲波；

步驟三：控制待測(cè)試件上側(cè)的上滑塊與下側(cè)的下滑塊分別由往同一方向同步運(yùn)動(dòng)，即可在待測(cè)試件不同的位置發(fā)射超聲波進(jìn)行掃描檢測(cè)，將上絲杠與下絲杠以相同的速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證上滑塊和下滑塊以相同的速度做同方向的直線運(yùn)動(dòng)，以保持上磁鐵與下磁鐵在檢測(cè)過程中在待測(cè)試件上的投影保持重合。

本發(fā)明具有如下有益效果：通過兩塊磁鐵的磁場(chǎng)疊加，待測(cè)試件內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度通過矢量相加后在垂直于待測(cè)試件的方向磁場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)。因此在待測(cè)試件內(nèi)激發(fā)超聲波的洛倫茲力強(qiáng)度得到提高，使得發(fā)射的超聲波信號(hào)強(qiáng)度提高。本發(fā)明換能器可以滿足鋁板等非鐵磁性金屬板材的在線非接觸自動(dòng)化掃描檢測(cè)。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的換能器的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為單個(gè)磁鐵的磁場(chǎng)分布圖。

圖3為本發(fā)明的磁場(chǎng)分布圖。

圖4為通常采用的單個(gè)磁鐵的換能器激發(fā)的波形圖。

圖5為本發(fā)明換能器激發(fā)的波形圖。

具體實(shí)施方式：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的換能器包括上導(dǎo)軌1，上絲杠2，線圈3，上磁鐵4，上固定座5，上滑塊6，待測(cè)試件7，下導(dǎo)軌8，下絲杠9，下磁鐵10，下固定座11以及下滑塊12。線圈3設(shè)置于待測(cè)試件7上方且與待測(cè)試件7不相接觸，上磁鐵4設(shè)置于線圈3上方，線圈3與上磁鐵4安裝在上固定座5上，上固定座5與上滑塊6連接，上滑塊6與上絲杠2采用螺旋傳動(dòng)，上滑塊6安裝在上導(dǎo)軌1上，上絲杠2轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)上滑塊6沿上導(dǎo)軌1做直線運(yùn)動(dòng)，上滑塊6帶動(dòng)上磁鐵4和線圈3一起沿著上導(dǎo)軌1移動(dòng)。下磁鐵10設(shè)置于待測(cè)試件7下方且與待測(cè)試件7不相接觸，下磁鐵10安裝在下固定座11上，下固定座11與下滑塊12連接，下滑塊12設(shè)置在下絲杠9和下導(dǎo)軌8上，當(dāng)下絲杠9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下滑塊12帶動(dòng)下磁鐵10沿著下導(dǎo)軌8移動(dòng)。上導(dǎo)軌1與下導(dǎo)軌8平行安裝。在檢測(cè)之前，調(diào)整上滑塊6和下滑塊12的位置，將待測(cè)試件7上方的上磁鐵4與待測(cè)試件7下方的下磁鐵10調(diào)整到同一垂直線上，保持待測(cè)試件7上方的上磁鐵4與待測(cè)試件7下方的下磁鐵10相互平行，且上磁鐵4和下磁鐵10形成的磁場(chǎng)與待測(cè)試件7垂直。

檢測(cè)時(shí)，在線圈3中施加猝發(fā)激勵(lì)信號(hào)，線圈3在待測(cè)試件7上感應(yīng)出電渦流，電渦流與上磁鐵4、下磁鐵10的靜態(tài)磁場(chǎng)在待測(cè)試件7中產(chǎn)生洛倫茲力，在動(dòng)態(tài)洛倫茲力作用下在待測(cè)試件7中產(chǎn)生超聲波；通過控制待測(cè)試件7上側(cè)的上滑塊6與下側(cè)的下滑塊12分別由往同一方向同步運(yùn)動(dòng)，即可在待測(cè)試件7不同的位置發(fā)射超聲波進(jìn)行掃描檢測(cè)。為了保持上磁鐵4與下磁鐵10在檢測(cè)過程中在待測(cè)試件7上的投影保持重合，需要上絲杠2與下絲杠9以相同的速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證上滑塊6和下滑塊12以相同的速度做同方向的直線運(yùn)動(dòng)。

上磁鐵4和下磁鐵10在安裝時(shí)，上磁鐵4和下磁鐵10在垂直方向上投影重合，安裝的極化方向一致。也即如果上磁鐵4的N極在上S極在下，則下磁鐵10也是N極在上S極在下。圖2示出了單個(gè)磁鐵時(shí)，磁場(chǎng)在待測(cè)試件與磁鐵中的分布情況，圖3為本發(fā)明所采用的雙磁鐵結(jié)構(gòu)時(shí)磁力線在待測(cè)試件與磁鐵中的分布情況，從圖2與圖3可以看出，磁力線從下磁鐵N極出發(fā)，穿過待測(cè)試件進(jìn)入上磁鐵的S極，然后又從上磁鐵的N極回到下磁鐵的S極，形成閉合回路。

因此，上磁鐵4與下磁鐵10的磁場(chǎng)在上磁鐵4與下磁鐵10之間進(jìn)行疊加，在上磁鐵4與下磁鐵10之間形成垂直于待測(cè)試件7的磁場(chǎng)線，于是垂直于待測(cè)試件7方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度B變大了，根據(jù)洛倫茲力的計(jì)算公式F=J×B知洛倫茲力變大了，因此在線圈中通以交變的激勵(lì)電流以后，激發(fā)出來的超聲幅值也提高了。反過來，如果上磁鐵的S極在上，N極在下，則下磁鐵也是S極在上，N極在下，激發(fā)出來的超聲信號(hào)也一樣，但是相位相反。

上磁鐵4與線圈3在安裝時(shí)與待測(cè)試件7之間需要有足夠的提離間距，以保證在移動(dòng)過程中不會(huì)與待測(cè)試件7接觸，避免線圈3和上磁鐵4與待測(cè)試件7板面產(chǎn)生摩擦，造成線圈3漏電、損傷線圈3或者損傷待測(cè)試件7，影響檢測(cè)效果，通常線圈3與待測(cè)試件7之間的間距為0.5-1.5mm最佳。下磁鐵10與待測(cè)試件7之間的間距為0.5-2mm最佳。

圖4為采用的單個(gè)磁鐵的換能器激發(fā)的波形圖，線圈與待測(cè)試件之間的提離間距為1mm，沒有安裝下磁鐵時(shí)換能器激發(fā)出的位移波形圖。圖5為采用本發(fā)明實(shí)施例后，也就是在產(chǎn)生圖4波形的換能器基礎(chǔ)上，在待測(cè)試件下方安裝有下磁鐵，下磁鐵與待測(cè)試件之間距離為1mm時(shí)換能器激發(fā)出的位移波形圖。對(duì)比圖4與圖5的信號(hào)波形，采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)后，在保持其他條件不變的情況下，通過增加下磁鐵，所激發(fā)出的超聲幅值比單個(gè)磁鐵時(shí)的超聲信號(hào)的強(qiáng)度得到了大幅提高，表明本發(fā)明設(shè)計(jì)的換能器具有激勵(lì)效率和接收靈敏度高，信噪比好的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明提高電磁超聲信號(hào)強(qiáng)度的換能器，一方面，本發(fā)明提供一種能夠提高基于洛倫茲力機(jī)理的電磁超聲換能器的信號(hào)強(qiáng)度的方法，該方法是基于磁場(chǎng)的疊加原理，通過在非鐵磁性待測(cè)試件的另一側(cè)增加一塊磁鐵，兩塊磁鐵放置的極化方向相同，偏置磁場(chǎng)方向垂直于待測(cè)試件的板面，兩塊磁鐵的偏置磁場(chǎng)穿過待測(cè)試件形成閉合回路，在待測(cè)試件內(nèi)部疊加，垂直于待測(cè)試件方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)。根據(jù)公式：F＝J×B可知，在激勵(lì)電流、磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈的提離高度等條件不變的情況下，與電渦流J垂直的方向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，將使得待測(cè)試件內(nèi)的洛倫茲力增加，因此產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度得到提高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。