一种基于惠更斯原理的Rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置的制作方法

一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置
技术领域
1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置。


背景技术：

2.无损检测就是指在检查机械材料内部不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、状态及缺陷的类型、数量、形状、性质、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。
3.电磁超声技术作为一种无接触的无损检测方法，具有许多优点，如不受表面粗糙度的影响、不需要耦合剂等。然而，传统的电磁超声换能器在聚焦性能和检测效果上仍有改进空间。因此，需要研究一种新型的电磁超声换能器，以提高聚焦性能和检测效果。
4.工业金属板的在线检测方法主要包括涡流检测、漏磁检测及超声检测等。涡流检测和漏磁检测由于原理上的特点，难以有效检测出材料内部的微小裂纹；超声检测技术具有穿透能力强、缺陷定位准确度高、灵敏度高、检测速度快等优点。
5.中国专利cn115210016a公开了缺陷检测及修复系统可用于在连铸阶段期间检测并修复铸造金属内的亚表面缺陷。所述系统可包含：检测装置，其具有用以使用超声波检测所述铸造金属内的缺陷的一或多个检测单元；及修复装置，其具有用以修复由所述检测装置在含有所述经检测缺陷的所述铸造金属的目标区域中检测到的所述缺陷的一或多个修复单元。
6.上述专利实现对金属板材的亚表面缺陷进行检测以及修复，检测和修复功能双兼，但还存在电磁超声换能器在铝板缺陷检测中转换效率低、接收到的超声波信号的幅值小等问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，用于解决现有技术中电磁超声换能器的转换效率低、接收到的rayleigh波信号幅值小的问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，包含非线性高能超声测试设备、单向点聚焦式换能器；所述非线性高能超声测试设备连接有单向点聚焦式换能器；
10.所述单向点聚焦式换能器包含永磁体、线圈a和线圈b，所述线圈a和线圈b呈扇形回折型，所述线圈a与线圈b的线圈回折区域为圆弧形，所述线圈a与线圈b错位叠加后呈扇
形且共圆心，所述线圈a与线圈b为交错排列结构，线圈a与线圈b的回折弧线依次排列且分别经过对方线圈的回折半径r1的圆心上，所述线圈a与线圈b的激励电流相位差为90
°
，且幅值相同，所述线圈a与线圈b正上方设有永磁体，所述线圈a和线圈b下方设有被测铝板，所述线圈a与线圈b错位叠加后共圆心位置在被测铝板表面的投影为rayleigh波单向点聚焦的位置，所述线圈a与线圈b离圆心最近的圆弧到圆心的距离为焦点半径，所述线圈a与线圈b的焦点半径为大小不等的预定值。
11.优选的，所述非线性高能超声测试设备频率设置为0.5-2mhz，激励信号振幅为2a，脉冲个数设置为6个，脉冲宽度设置为4.1125，脉冲延迟设置为2.0，增益等级设置为70。
12.优选的，所述非线性高能超声测试设备分别连接有控制端和示波器，所述非线性高能超声测试设备分别连接单向点聚焦式换能器的线圈a及线圈b，所述非线性高能超声测试设备与线圈a之间依次连接有第一抗阻匹配和双向器，所述非线性高能超声测试设备与线圈b之间连接有第二抗阻匹配；所述非线性高能超声测试设备连接有前置扩大机，所述前置扩大机与接收器相连接，所述接收器放置在被测铝板上方。
13.优选的，所述线圈a与线圈b的线圈回折半径r1为0.1-2mm，线圈a与线圈b的线圈相邻回折弧形线之间的距离2倍的r1值，线圈a与线圈b的线圈回折圈数为大小不等的预定值，所述线圈a与线圈b共心的圆心角为大小不等的预定值。
14.优选的，被测铝板与线圈a和线圈b中间通过绝缘材料或空气隔开。
15.优选的，所述永磁体产生的磁感线的ns极沿被测铝板法线方向排列。
16.优选的，所述被测铝板厚度均匀，所述铝板固定于水平平面上。
17.优选的，所述第一阻抗匹配和第二阻抗匹配的阻值为150ω。
18.优选的，所述单向点聚焦式换能器外部套设有法拉第笼。
19.与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
20.(1)本发明通过线圈a和线圈b的双扇形回折型，错位叠加后且共圆心的结构设计，极大的增强了表面波信号幅值，采用独特的单向结构，在小型件上，可以极大的抑制来自其他方向的端面回波的干扰，整体上大幅提高了信号的信噪比；同时通过对非线性高能超声测试设备的设置下，不仅实现了rayleigh波的单向点聚焦技术，而且极大地提高了换能器的能量转换效率以及信号的强度和检测精度，检测结果比传统换能器检测结果表面波信号增强3倍，在材料表面缺陷检测时，具有更高的聚焦性能和灵敏度，可更精准的分析及评估铝板表面及内部的质量。
21.(2)本发明通过在单向点聚焦式换能器外套设法拉第笼，有效减少外部电磁干扰对检测结果的影响。
附图说明
22.图1是本发明本发明一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置的线圈a与线圈b交错叠加后的结构示意图；
23.图2是本发明一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置整体装置结构示意图；
24.图3是本发明一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置惠更斯原理示意图；
[0025][0026]
图4是本发明一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置基于洛伦兹力的单向点聚焦式换能器换能机理示意图；
[0027]
图5为采用传统emat与本发明提供的一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置在实际铝板上的表面波激发效率结果对比示意图。
具体实施方式
[0028]
以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0029]
实施例1
[0030]
一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，包含非线性高能超声测试设备、单向点聚焦式换能器；所述非线性高能超声测试设备连接有单向点聚焦式换能器；
[0031]
所述单向点聚焦式换能器包含永磁体、线圈a和线圈b，所述线圈a和线圈b呈扇形回折型，所述线圈a与线圈b的线圈回折区域为圆弧形，所述线圈a与线圈b错位叠加后呈扇形且共圆心，所述线圈a与线圈b为交错排列结构，线圈a与线圈b的回折弧线依次排列且分别经过对方线圈的回折半径r1的圆心上，所述线圈a与线圈b的激励电流相位差为90
°
，且幅值相同，所述线圈a与线圈b正上方设有永磁体，永磁体为周期磁铁，尺寸为14mm*25mm*30mm，所述线圈a和线圈b下方设有被测铝板，所述线圈a与线圈b错位叠加后共圆心位置在被测铝板表面的投影为rayleigh波单向点聚焦的位置。
[0032]
在本实施例中，所述非线性高能超声测试设备频率设置为1.462mhz，激励信号振幅为2a，脉冲个数设置为6个，脉冲宽度设置为4.1125，脉冲延迟设置为2.0，增益等级设置为70。
[0033]
在本实施例中，所述非线性高能超声测试设备分别连接有控制端和示波器，所述非线性高能超声测试设备分别连接单向点聚焦式换能器的线圈a及线圈b，所述非线性高能超声测试设备与线圈a之间依次连接有第一抗阻匹配和双向器，所述非线性高能超声测试设备与线圈b之间连接有第二抗阻匹配；所述非线性高能超声测试设备连接有前置扩大机，所述前置扩大机与接收器相连接，所述接收器放置在被测铝板上方。
[0034]
在本实施例中，所述线圈a与线圈b的线圈回折半径r1为0.5mm，线圈a与线圈b的线圈相邻回折弧形线之间的距离1mm，线圈a与线圈b的线圈回折圈数为12圈，所述线圈a与线圈b共心的圆心角30
°
，所述线圈a与线圈b离圆心最近的圆弧到圆心的距离为焦点半径，所述线圈a与线圈b的焦点半径80mm。
[0035]
在本实施例中，被测铝板与线圈a和线圈b中间通过绝缘材料或空气隔开。
[0036]
在本实施例中，所述永磁体产生的磁感线的ns极沿被测铝板法线方向排列。
[0037]
在本实施例中，所述被测铝板尺寸为200mm*100mm*1mm且厚度均匀，所述铝板固定于水平平面上。
[0038]
在本实施例中，所述接收器放置在被测铝板表面，所述接收器和单向点聚焦式换能器之间距离为80mm。
[0039]
在本实施例中，所述第一阻抗匹配和第二阻抗匹配的阻值为150ω。
[0040]
在本实施例中，所述单向点聚焦式换能器外部套设有法拉第笼。
[0041]
对比例1
[0042]
本对比例与实施例1，具体不同之处为：
[0043]
线圈为直线回折型线圈，且线圈数量只有一个，所述线圈回折数为12，回折宽度为所述线圈中心线宽21mm，线圈相邻回折之间的距离为2mm。
[0044]
通过实施例1和对比例1所用设备对同一块被测铝板的进行检测，检测结果如图5；
[0045]
本发明基于惠更斯原理对被测铝板进行检测；
[0046]
如图3所示，通过惠更斯原理可知，假设有两个相干波源o1和o2，波函数分别为：
[0047]
∈1＝a
1 cos(ωt+θ1)#(1)
[0048]
∈2＝a
2 cos(ωt+θ2)#(2)
[0049]
则o1，o1在p点引发的振动分别为：
[0050][0051][0052]
则在p点的合振动的表达式为：
[0053]
∈
p
＝∈
p1
+∈
p2
＝a cos(ωt+θ)
ꢀꢀ
#(5)
[0054]
其中
[0055][0056][0057]
试件内的超声波幅值满足惠更斯叠加原理。单向点聚焦式换能器中的每一根导线相当于一个点声源，当两列频率相同、振动方向相同的波，在相遇点的相位差恒定时，合成波场中会出现某些点的振动一直加强，某些点的振动一直减弱(或完全消失)。
[0058]
换能器主要由永磁体、线圈和待测试件组成。根据材料的物理性质,其换能机理可分为洛伦兹力、磁化力、磁致伸缩力3种形式。根据电磁学原理，基于洛伦兹力的单向点聚焦式换能器换能机理如图4所示，用信号源向设计的两个扇形回折线圈通入相位差为π/2的高频交变电流时(电流密度为j0)，使试件的近表面产生频率相同，相位相反的涡流密度je和以及交变磁场bd。涡流密度je将分别与交变磁场bd以及永磁体提供的静磁场bs相互作用，产生交变磁场洛伦兹力fd和静磁场洛伦兹力fs。两种洛伦兹力将驱使曲折线圈各匝导线下方的试件微粒做高频振动。
[0059]bd
＝μmhd#
ꢀꢀꢀ
(8)
[0060][0061]
je＝γee#
ꢀꢀ
(10)
[0062]fl
＝fs+fd＝je×bs
+je×bd
#
ꢀꢀꢀ
(11)
[0063][0064]
式中：hd是交变磁场的磁场强度；μm和γ分别为铝板的相对磁导率和电导率；ee是涡流产生的电场强度；fd和fs是交变磁场和静磁场分别与涡流产生的洛伦兹力密度；f
l
是fd和fs的合力密度；f
l
是在给体积v内的洛伦兹力。
[0065]
本发明一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声换能器激发原理如下：
[0066]
单向点聚焦式换能器的激发原理如图4所示，在线圈a、b中通入周波数、幅值相同，相位相差90
°
的高频脉冲电流。在t＝nt时刻(t为表面波的周期)，线圈b正下方的质点开始产生超声波；在t＝nt+t/4时刻，线圈a正下方的质点开始产生超声波。此时线圈b所产生的超声波已经沿传播方向传播了λ/4(λ为波长)，令线圈a、b错开λ/4，则在线圈中心左侧，线圈a、b激励产生的超声波相位相同，合位移为线圈a或b单独产生超声波位移的2倍，即线圈中心左侧为增强侧；在线圈中心右侧，两线圈激励产生的超声波位移相位相反，超声波相互抵消，合位移为0，即线圈中心右侧为削弱侧。再根据扇形回折线圈对超声波的汇聚作用，即可得到具有点聚焦效果的单向增强换能器。通过上述分析可知，当线圈a中的电流相位滞后线圈b中的电流相位时，超声波能量将聚焦于线圈左侧的一个区域，即圆弧对应的圆心。从而可以利用单项点聚焦式换能器对聚焦区域的高幅值声波检测聚焦区域内的微小缺陷。
[0067]
本发明一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置的工作原理如下：
[0068]
将单向点聚焦式换能器和接收器放置在铝板上方，启动设备，控制端调整非线性高能电磁超声测试设备，通过非线性高能超声测试设备对单向点聚焦式换能器发出超声信号激励源激发高频超声信号，激励信号采用等幅、等间隔的正弦波脉冲串，非线性高能超声测试设备与接收器之间产生交变电流，通过第一阻抗匹配和第二阻抗匹配稳定电路与线圈相连，当交流电经过磁场时，产生交变磁场，从而激发rayleigh波，交变磁场和永磁体的磁场相互作用，进而激发rayleigh波信号，激发的rayleigh波在被测铝板内传播；超声波能量的接收是发射的逆过程，当聚焦的rayleigh波遇到缺陷后，传播路径将会发生改变，向四周发散开来，产生缺陷的反射波，反射波能量沿表面传播经过接收线圈时，会使接收线圈正下方的材料晶格发生形变，并在永磁铁外加磁场的作用下产生电涡流，继而在接收线圈中产生感应电压，作为回波信号接收，接收器接收到的回波信号经过前置放大器和非线性高能超声测试将信号传输到示波器上进行显示，以此来分析及评估铝板表面及内部的质量，并及时采取必要的措施防止潜在的设备故障和事故。
[0069]
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和偏移处理。该类修改、改进和偏移处理在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、偏移处理仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
[0070]
此外，本领域技术人员可以理解，本说明书的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对它们的任何新的和有用的改进。相应地，本说明书的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件包括固件、常驻软件、微码等执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或
软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本说明书的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
[0071]
需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
[0072]
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其它的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施。

技术特征：
1.一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，包含非线性高能超声测试设备、单向点聚焦式换能器，其特征在于：所述非线性高能超声测试设备连接有单向点聚焦式换能器；所述单向点聚焦式换能器包含永磁体、线圈a和线圈b，所述线圈a和线圈b呈扇形回折型，所述线圈a与线圈b的线圈回折区域为圆弧形，所述线圈a与线圈b错位叠加后呈扇形且共圆心，所述线圈a与线圈b为交错排列结构，线圈a与线圈b的回折弧线依次排列且分别经过对方线圈的回折半径r1的圆心上，所述线圈a与线圈b的激励电流相位差为90
°
，且幅值相同，所述线圈a与线圈b正上方设有永磁体，所述线圈a和线圈b下方设有被测铝板，所述线圈a与线圈b错位叠加后共圆心位置在被测铝板表面的投影为rayleigh波单向点聚焦的位置，所述线圈a与线圈b离圆心最近的圆弧到圆心的距离为焦点半径，所述线圈a与线圈b的焦点半径为大小不等的预定值。2.根据权利要求1所述的一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述非线性高能超声测试设备频率设置为0.5-2mhz，激励信号振幅为2a，脉冲个数设置为6个，脉冲宽度设置为4.1125，脉冲延迟设置为2.0，增益等级设置为70。3.根据权利要求1所述的一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述非线性高能超声测试设备分别连接有控制端和示波器，所述非线性高能超声测试设备分别连接单向点聚焦式换能器的线圈a及线圈b，所述非线性高能超声测试设备与线圈a之间依次连接有第一抗阻匹配和双向器，所述非线性高能超声测试设备与线圈b之间连接有第二抗阻匹配；所述非线性高能超声测试设备连接有前置扩大机，所述前置扩大机与接收器相连接，所述接收器放置在被测铝板上方。4.根据权利要求1所述的一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述线圈a与线圈b的线圈回折半径r1为0.1-2mm，线圈a与线圈b的线圈相邻回折弧形线之间的距离2倍的r1值，线圈a与线圈b的线圈回折圈数为大小不等的预定值，所述线圈a与线圈b共心的圆心角为大小不等的预定值。5.根据权利要求1所述一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：被测铝板与线圈a和线圈b中间通过绝缘材料或空气隔开。6.根据权利要求1所述一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述永磁体产生的磁感线的ns极沿被测铝板法线方向排列。7.根据权利要求1所述一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述被测铝板厚度均匀，所述铝板固定于水平平面上。8.根据权利要求3所述一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述第一阻抗匹配和第二阻抗匹配的阻值为150ω。9.根据权利要求1所述一种基于惠更斯原理的rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，其特征在于：所述单向点聚焦式换能器外部套设有法拉第笼。

技术总结
本发明公开了一种基于惠更斯原理的Rayleigh波单向点聚焦式电磁超声无损检测装置，包含非线性高能超声测试设备、单向点聚焦式换能器，所述非线性高能超声测试设备连接有单向点聚焦式换能器；所述单向点聚焦式换能器包含永磁体、线圈A和线圈B，所述线圈A和线圈B呈扇形回折型，所述线圈A与线圈B的线圈回折区域为圆弧形，所述线圈A与线圈B错位叠加后呈扇形且共圆心，所述线圈A与线圈B的激励电流相位差为90


技术研发人员：陈涛 楼听雨 吕程 刘书诚 宋小春 吴樵
受保护的技术使用者：湖北特种设备检验检测研究院
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/12