矢量电磁超声传感器的制作方法

1.本技术涉及电磁超声探测技术领域，具体涉及一种矢量电磁超声传感器。


背景技术：

2.固体中传播的波动场测量是声学换能器辐射声场测量、超声波探伤等领域的关键。波动场测量传感器主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、激光测振器及电磁超声传感器等，传统的传感器往往只能接收换能区的合成声压，不具有矢量振动场探测功能。
3.例如，压电传感器和磁致伸缩传感器受限于其换能效应及结构，往往只能获得一个面上的声压，另外一些强指向性的换能器中，往往只能测得某个方向的波动场信息，很难采集到被测点处波动场的矢量振动信息，特别是当这种振动方向为时变多向状态或是在测量区域的各测量点振动方向不一致时。另外受到耦合剂的影响，在大面积的波动场测量中，压电传感器和磁致伸缩传感器较难获得对各测量点良好的一致性。
4.三维激光测振仪采用三个激光测振头协同测量，可以获得每一个被测点三维振动时的位移/速度信息，且能便捷地进行大面积扫描探测，在面内全向波动场探测中有较大优势，但其成本高昂，且由于其复杂的机电控制系统，对使用环境要求高，主要在室内环境使用，在操作环境多样化的超声波深伤工程现场不便使用。
5.电磁超声传感器由于免耦合剂特点，在波动场探测中具有极好的可重复性和一致性，在辐射声场测量和超声波探伤中有重要应用。然而传统的电磁超声传感器，主要采用单一的环形线圈、蝶形线圈、跑道线圈、回折线圈、排线线圈等结构，在探测波动场时，不能获得测量点的矢量振动场信息。由于测量点振动方向未知，测量设置中电磁超声线型探测单元（特别是蝶形线圈、跑道线圈、回折线圈、排线线圈等有方向的线圈）与测量点实际振动方向呈现随机的夹角，如果执行波动场扫查测量，将得到与实际声场差异极大的测量结果，使得测量方法不可行。此外，现有电磁超声换能器受限于线圈回路结构，换能面积较大（一般不小于直径5mm），难以实现高分辨率的波动场测量。


技术实现要素：

6.为了克服现有的波动场测量传感器存在的上述种种问题，本发明提供一种矢量电磁超声传感器，可应用于对被测点面内超声波振动矢量及全域各点矢量振动分布图的扫描探测中。
7.第一方面，本技术提供一种矢量电磁超声传感器，包括：一中空的柱状外壳以及在外壳内沿轴向依次设置的屏蔽层、矢量换能单元、磁体以及信号接口；所述矢量换能单元包括一支架，以及设置于所述支架上的至少两个线型探测元，每个线型探测元通过对应的引线将检测到的感应信号分别传输至所述信号接口；所述屏蔽层覆盖所述矢量换能单元的底面，其中心设有一开口，所述开口的中心与所述矢量换能单元底面的中心对齐；所述磁体用于提供垂直于所述矢量换能单元的偏置磁场；
所述信号接口用于输出所述感应信号。
8.在一实施例中，各所述线型探测元在所述支架上下底面中心处重叠。
9.在一实施例中，各所述线型探测元的宽度相同，相邻线型探测元之间的夹角相同。
10.在一实施例中，所述线型探测元采用导线绕制而成。
11.在一实施例中，所述圆形开口的直径与所述线型探测元的宽度相同。
12.在一实施例中，所述磁体为永磁体、柔性磁体、电磁体中的一种。
13.在一实施例中，所述支架上设置有用于固定所述线型探测元的线槽。
14.在一实施例中，所述屏蔽层背向所述矢量换能单元的一侧还设置有一保护层，所述保护层采用非金属材料制成。
15.本技术提供的矢量电磁超声传感器，通过布设至少两个具有一定夹角的线型探测元，可对固体金属材料表面被测点上至少两个方向的感应势场分量进行探测，随着线型探测元数量的增多，本技术的矢量电磁超声传感器可检测到被测点更多方向上的感应势场分量，进而实现在随机分布的面内全向波动场探测中，确保对任意方向的高灵敏度响应，获得更为准确的解析结果。同时，本技术的矢量电磁超声传感器的探测感应区由屏蔽层中心孔区大小决定，有效缩小接收器换能面积，极大地提高了全向波动场测量分辨率，利于获得高分辨率的波动场矢量振动分布图。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本技术提供的矢量电磁超声传感器的示意图。
18.图2为本技术提供的矢量换能单元的示意图。
19.图3a和图3b为本技术提供的屏蔽层与矢量换能单元的示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.以下将通过实施例对本技术提供的矢量电磁超声传感器进行具体的阐述。
22.第一方面，本技术提供一种矢量电磁超声传感器，图1为该矢量电磁超声传感器的示意图。如图1所示，该矢量电磁超声传感器包括：一中空的外壳1、矢量换能单元2、屏蔽层3、引线4、信号接口5、磁体（图中未示出）以及保护层6。保护层6、屏蔽层3、矢量换能单元2、磁体以及信号接口5在外壳1内沿其轴向依次设置。其中，信号接口5的一端位于外壳1的内侧，通过多芯连接器与各引线4连接，另一端露出外壳1，用于与信号接收器、采样器或其他仪器连接。保护层6采用非金属材料。
23.矢量换能单元2的具体结构可参见图2。如图2所示，矢量换能单元2包括一支架21，
以及呈不同角度设置于支架21上的线型探测元22，线型探测元的数量为至少两个，分别用于感应被测点感应势场在不同方向上的分量。支架21的形状例如图2所示的扁平圆柱形，还可以是扁平多边形或其他形状；此外，支架21的厚度可根据实际情况进行调整，本技术对此不进行限制。
24.各线型探测元22呈不同角度设置于支架21上，且各线型探测元22在支架21的上下底面的正中心处重叠，以图2所示的10个线型探测元为例，线型探测元的制作过程例如为：先在支架21上缠绕第一组独立直导线，形成第一层线型探测元aa’，然后用同样的方式分别缠绕形成线型探测元bb’、cc’、
…
、jj’，形成图2所示的矢量换能单元。可以理解的是，后缠绕的线型探测元bb’在支架21的上下底面中心处将先缠绕的线型探测元aa’压住，因此，后缠绕的线型探测元bb’在支架上下底面中心处的高度会略高于先缠绕的线型探测元bb’。因此在实际探测过程中，不同层的线型探测元距离被测材料表面探测点的提离距离也不同，为了实现线型探测元的探测结果一致性，需要在探测前建立各线型探测元的提离校准数据。
25.实际应用中，还可在支架21上设置多个凸起24，凸起与凸起之间形成线槽。线槽可根据线型探测元的数量成对设置，从支架的上底面或下底面看，成对的两个线槽与支架底面中心位于同一直线上。每个线型探测元可卡合缠绕在一对线槽上，线槽的设置有利于固定线型探测元，避免线型探测元散落。
26.每个线型探测元相互独立，在测量固体金属材料表面的声场时，独立接收被测点对应方向上的超声波感应信号，且均通过对应的引线将其检测到的感应信号分别传输至信号接口。也即，每个线型探测元和对应的引线构成了独立的探测通道，进行信号探测采集。
27.本技术在矢量换能单元2的中心通过外屏蔽层的方式设置矢量探测换能区域，屏蔽层3的具体结构可参见图3a，图3a从底面的角度展示屏蔽层。屏蔽层3覆盖于矢量换能单元2的下底面，其形状和矢量换能单元2的下底面形状类似，大小足够覆盖矢量换能单元2的线圈范围即可。屏蔽层3的中央开设有一开口31，该开口31的中心与矢量换能单元2底面的中心对齐。该开口31例如为图3a所示的圆形，也可以是多边形或其他形状。
28.矢量探测换能区域请参见图3a所示的矢量换能单元2下底面的示意图以及图3b所示的矢量换能单元2上底面的示意图。矢量探测换能区域23为与屏蔽层3的开口31对应的区域，其他区域为屏蔽区域25。屏蔽区域25内的所有线型探测元均被隔离屏蔽，不具有感应接收信号的功能，仅具备信号传输功能，只有矢量探测换能区域23内的线型探测元能够感应接收信号。
29.磁体设置于矢量换能单元2上底面的正上方，磁极方向竖直向下。磁体用于提供垂直于所述矢量换能单元的偏置磁场。本技术中，磁体包括但不限于永磁体、柔性磁体、电磁体。
30.为了达到更好的探测效果，本技术对矢量电磁超声传感器中部分模块的设置提供更加优选的方式。具体如下：进一步地，结合图3b，矢量换能单元2的各线型探测元的宽度d相同，且相邻线型探测元的夹角α相同，也即各线型探测元是以支架上下底面为中心均匀排布于支架上。
31.进一步地，各线型探测元采用导线绕制而成，且每个线型探测元可由单根导线构成也可由单根导线并排绕制成多匝构成。各线型探测元的匝数、绕制方向和绕制方式均一
致。除此之外，线型探测元还可以通过印刷电路板制作而成。
32.进一步地，结合图3a和图3b，屏蔽层3圆形开口31的半径可为各线型探测元22的宽度d的一半，即。换言之，即矢量探测换能区域23的直径和线型探测元的宽度d相同。这使得位于不同方向上的线型探测元的导线均可布满该矢量探测换能区域，保证各个方向上的线型探测元的换能面积完全一致。圆形开口31的直径例如为2mm。
33.本技术提供的矢量电磁超声传感器，通过布设至少两个具有一定夹角的线型探测元，在固体金属材料表面的波动场测量过程中，以该接收换能区域下方对应的金属材料表面区域作为测量点，由于不同线型探测元设置于不同的方向上，因此测量过程中对于任意测量点上任意方向的波动场振动均可以被该矢量换能单元探测到。本技术可实现固体金属材料表面中任意波动场的测量，同时能够有效缩小接收器换能面积，提高波动场测量分辨率。
34.本技术提供的矢量电磁超声传感器，通过布设至少两个具有一定夹角的线型探测元，可对固体金属材料表面被测点上至少两个方向的感应势场分量进行探测，随着线型探测元的数量的增多，本技术的矢量电磁超声传感器可检测到被测点更多方向上的感应势场分量，进而实现在随机分布的面内全向波动场探测中，确保对任意方向的高灵敏度响应，获得更为准确的解析结果。本技术的矢量电磁超声传感器结合矢量解析方法，即可得到被测点处较为准确的感应势场。同时，将本技术的矢量电磁超声传感器应用在面内全向波动场测量方法中，有效缩小接收器换能面积，提高波动场测量分辨率。
35.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
36.此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种矢量电磁超声传感器，其特征在于，包括：一中空的外壳以及在外壳内沿轴向依次设置的屏蔽层、矢量换能单元、磁体以及信号接口；所述矢量换能单元包括一支架，以及设置于所述支架上的至少两个线型探测元，每个线型探测元通过对应的引线将检测到的感应信号分别传输至所述信号接口；所述屏蔽层覆盖所述矢量换能单元的底面，其中心设有一开口，所述开口的中心与所述矢量换能单元底面的中心对齐；所述磁体用于提供垂直于所述矢量换能单元的偏置磁场；所述信号接口用于输出所述感应信号。2.根据权利要求1所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，各所述线型探测元在所述支架上下底面中心处重叠。3.根据权利要求2所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，各所述线型探测元的宽度相同，相邻线型探测元之间的夹角相同。4.根据权利要求3所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，所述线型探测元采用导线绕制而成。5.根据权利要求3所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，所述开口的直径与所述线型探测元的宽度相同。6.根据权利要求1所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，所述磁体为永磁体、柔性磁体、电磁体中的一种。7.根据权利要求1所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，所述支架上设置有用于固定所述线型探测元的线槽。8.根据权利要求1所述的矢量电磁超声传感器，其特征在于，所述屏蔽层背向所述矢量换能单元的一侧还设置有一保护层，所述保护层采用非金属材料制成。

技术总结
本发明提供一种矢量电磁超声传感器，涉及电磁超声探测技术领域。该传感器包括：一中空的柱状外壳以及在外壳内沿轴向依次设置的屏蔽层、矢量换能单元、磁体以及信号接口，且信号接口穿过外壳；矢量换能单元包括一扁圆柱状的支架，以及沿径向设置于支架上的至少两个线型探测元，每个线型探测元通过对应的引线将检测到的感应信号分别传输至信号接口；屏蔽层覆盖矢量换能单元的底面，其中央开设有一圆形开口，圆形开口的圆心与矢量换能单元底面的圆心对齐；磁体用于提供垂直于矢量换能单元的偏置磁场。通过本申请的矢量电磁超声传感器，可实现全向波动场的探测，有效缩小接收器换能面积，提高波动场测量分辨率。提高波动场测量分辨率。提高波动场测量分辨率。


技术研发人员：郑阳 张宗健
受保护的技术使用者：中国特种设备检测研究院
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/8/16