一种方向可控的线聚焦斜入射SV波电磁超声换能器的制作方法

一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器
技术领域
1.本发明涉及金属构件无损检测技术领域，特别涉及一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器。


背景技术：

2.电磁超声换能器依赖于电磁耦合方式完成换能器线圈内的交变电流到被测材料内机械振动的能量转换，无需耦合介质，可以直接在金属板材内产生超声导波，并易于调节超声导波模式，可用于非接触及高温等特殊工况下的检测。因此，有必要采用电磁超声换能器作为钢板缺陷超声导波检测的激励源和接收器，从而实现非液体耦合检测。
3.目前，大部分线聚焦斜入射电磁超声换能器结构大部分由圆柱形永磁体与曲折线圈组成，两者共同作用在金属构件中产生sv波。虽然现有的线聚焦sv波电磁超声换能器具有很好的方向性聚焦效果，但在实际检测过程时需要通过特定的手段(例如给线圈两侧添加屏蔽板等)来不断地改变其线聚焦入射角度，不利于检测效率的提高，因此需要对这检测过程进行改进优化。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种在不改变外部结构的情况下，可以实现激励角度不断变化的方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器，解决之前探测金属厚度范围较浅，聚焦线圈入射角度不易调整等问题。
5.本发明提供一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器，用于对金属构件进行扫查，包括换能器主体以及旋转扫查单元；所述换能器主体包括用于产生静磁场的永磁体滑块和用于产生感应涡流的双变间距螺旋线圈，所述永磁体滑块产生的静磁场的方向垂直于所述双变间距螺旋线圈；其中，所述双变间距螺旋线圈从线圈开口侧至线圈另一侧的相邻两根导线间距随所述永磁体滑块的旋转角度的增大而呈递增，且所述双变间距螺旋线圈的相邻两根导线间距满足相邻两根导线分别到聚焦点焦线之间的长度的差为1/2个波长，如下表达式：
[0006][0007]
式中，xi为水平方向上第i个点声源的坐标，xf为聚焦点横坐标，c为超声横波在试件中的波速，f为激励信号频率，yf为预设的聚焦深度或聚焦点纵坐标。
[0008]
另外，根据本发明上述实施例的一种车辆自动驾驶控制方法，还可以具有如下附加的技术特征：
[0009]
进一步地，所述旋转扫查单元包括：外缘框架，所述外缘框架的下部内壁上设置有所述双变间距螺旋线圈；设置在所述外缘框架内部的固定转轴，所述固定转轴与所述永磁体滑块固定连接；与所述固定转轴传动连接的方向调节旋钮；以及固定在所述外缘框架的
下部内壁上的转轴底座，所述转轴底座与固定转轴远离所述方向调节旋钮的一端活动连接。
[0010]
进一步地，所述旋转扫查单元还包括滑动轴承以及结构支撑架；其中，所述滑动轴承套设在所述固定转轴上，所述滑动轴承的外壁上固定套设有结构支撑架，结构支撑架远离所述滑动轴承的一端固定在所述外缘框架的内壁上。
[0011]
进一步地，所述永磁体滑块为长方体结构。
[0012]
进一步地，所述双变间距螺旋线圈为螺旋结构。
[0013]
进一步地，所述永磁体滑块采用钕铁硼永磁铁材料制成。
[0014]
进一步地，所述双变间距螺旋线圈为pcb印制而成。
[0015]
本发明还提供一种如上述实施例所述的双变间距螺旋线圈的设计方法，所述设计方法包括：步骤1：根据实际检测场景需要来确定所设计线圈的激励频率f及初始斜入射角至终止斜入射角的变化范围；步骤2：将各匝的双变间距螺旋线圈简化为二维平面，以第一个线圈中心点为原点建立二维笛卡尔坐标系，各匝的双变间距螺旋线圈沿x轴正半轴分布；步骤3：根据预设的斜入射角度θ与预设的聚焦深度yf计算聚焦线圈的聚焦点坐标(xf，yf)，其中，xf＝-tanθ*yf；步骤4：根据各斜入射角度的聚焦点坐标和起始线圈坐标计算第i个双变间距螺旋线圈的中心点坐标(xi，0)；步骤5：通过极坐标变换，将所有斜入射角度的各匝的双变间距螺旋线圈坐标变换为极坐标形式，并以相同的旋转角度对各组线圈在周向范围内进行排布，最终形成一个完整的螺旋线圈。
[0016]
本发明提供的一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器，具有以下有益效果：
[0017]
1、通过所设计的旋转扫查单元，能够使外部电机驱动转轴上的永磁体滑块在pcb线圈板上进行周向旋转，进而在待检测试件内部实现方向性可控的斜入射sv波的激励任务；
[0018]
2、基于所设计的双变间距螺旋线圈，在相同的激励参数条件下，换能器能够在不同周向角度范围内连续激励出具有不同辐射角度的sv波(即辐射范围呈现椭圆状)，满足实际检测工程中对于不规则形状结构件的检测调节精度的要求；
[0019]
3、在辐射角度范围的选择上，能够尽可能全面地覆盖激励与接收sv波的所有角度，实现单换能器激发、全角度范围检测。
附图说明
[0020]
图1为本发明一实施方式的一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器的装配示意图；
[0021]
图2为本发明一实施方式的一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器的双变间距螺旋线圈的设计原理图；
[0022]
图3为本发明一实施方式的一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器的线聚焦原理示意图。
[0023]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0024]
11、永磁体滑块；12、双变间距螺旋线圈；22、固定转轴；、23、方向调节旋钮；24、滑动轴承；25、结构支撑架；26、转轴底座。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0026]
请参阅图1，其示出了本技术的一种方向可控的线聚焦斜入射sv波电磁超声换能器，用于对金属构件进行扫查，包括换能器主体以及旋转扫查单元；所述换能器主体包括用于产生静磁场的永磁体滑块11和用于产生感应涡流的双变间距螺旋线圈12，所述永磁体滑块11产生的静磁场的方向垂直于所述双变间距螺旋线圈12；其中，所述双变间距螺旋线圈12从线圈开口侧至线圈另一侧的相邻两根导线间距随所述永磁体滑块11的旋转角度的增大而呈递增，且所述双变间距螺旋线圈12的相邻两根导线间距满足相邻两根导线分别到聚焦点焦线之间的长度的差为1/2个波长，如下表达式：
[0027][0028]
式中，xi为水平方向上第i个点声源的坐标，xf为聚焦点横坐标，c为超声横波在试件中的波速，f为激励信号频率，yf为预设的聚焦深度或聚焦点纵坐标。
[0029]
应用本实施例的技术方案，永磁体滑块11用于产生静磁场，双变间距螺旋线圈12用于产生感应涡流，而且双变间距螺旋线圈12与永磁体滑块11之间存在一定的提离距离，提离距离可以设置为0.1mm，通过永磁体滑块11所产生的的静磁场方向垂直于双变间距螺旋线圈12，涡流在静磁场的作用下受到洛伦兹力作用激励斜入射超声波。当声波经过缺陷区域反射后，双变间距螺旋线圈12又作为接收线圈与永磁体滑块11相互作用以接收金属构件的回波，进而对金属结构件内部损伤情况进行评估。
[0030]
需要说明的是，双变间距螺旋线圈12从线圈开口侧至线圈另一侧的相邻两根导线间距随所述永磁体滑块11的旋转角度的增大而呈递增，且双变间距螺旋线圈12相邻两根导线间距满足如下表达式:由上式表明相邻两根导线到焦线的传播路径之间的差值等于半个波长的长度，实现了基于本技术所设计的双变间距螺旋线圈12，在相同的激励参数条件下，换能器能够在不同周向角度范围内连续激励出具有不同辐射角度的sv波如图2所示，即辐射范围呈现椭圆状，满足实际检测工程中对于不规则形状结构件的检测调节精度的要求。
[0031]
在一些可选的实施例中，所述永磁体滑块11为长方体结构。
[0032]
在一些可选的实施例中，所述双变间距螺旋线圈12为螺旋结构。
[0033]
在一些可选的实施例中，所述永磁体滑块11采用钕铁硼永磁铁材料制成。这样，采用钕铁硼永磁铁材料制成的永磁体滑块11产生的静磁场较为稳定。
[0034]
在一些可选的实施例中，所述双变间距螺旋线圈12为pcb印制而成。
[0035]
针对电磁超声换能器的具体结构，进一步参阅图1，所述旋转扫查单元包括：外缘
框架21，所述外缘框架21的下部内壁上设置有所述双变间距螺旋线圈12；设置在所述外缘框架21内部的固定转轴22，所述固定转轴22与所述永磁体滑块11固定连接；与所述固定转轴22传动连接的方向调节旋钮23；以及固定在所述外缘框架21的下部内壁上的转轴底座26，所述转轴底座26与固定转轴22远离所述方向调节旋钮23的一端活动连接。
[0036]
该种结构设计，通过转动方向调节旋钮13，使得驱动固定转轴22上的永磁体滑块11在双变间距螺旋线圈12上方进行周向旋转，进而在待检测试件内部实现方向性可控的斜入射sv波的激励任务，且在不改变激励条件的情况下，其斜入射sv波的入射角度能在28
°
～65
°
的范围内进行变化。
[0037]
进一步地，所述旋转扫查单元还包括滑动轴承24以及结构支撑架25；其中，所述滑动轴承24套设在所述固定转轴22上，所述滑动轴承24的外壁上固定套设有结构支撑架25，结构支撑架25远离所述滑动轴承24的一端固定在所述外缘框架21的内壁上。
[0038]
这样，通过滑动轴承24将结构支撑架25与固定转轴22连接，并且结构支撑架25远离所述滑动轴承24的一端固定在所述外缘框架21的内壁上，使得在固定转轴22带动永磁体滑块11时，能够提高固定转轴22的稳定性。
[0039]
本技术还提供一种双变间距螺旋线圈的设计方法，所述设计方法包括：
[0040]
步骤1：根据实际检测场景需要来确定所设计线圈的激励频率f及初始斜入射角至终止斜入射角的变化范围；
[0041]
步骤2：将各匝的双变间距螺旋线圈12简化为二维平面，以第一个线圈中心点为原点建立二维笛卡尔坐标系，各匝的双变间距螺旋线圈12沿x轴正半轴分布；
[0042]
步骤3：根据预设的斜入射角度θ与预设的聚焦深度yf计算聚焦线圈的聚焦点坐标(xf，yf)(如图3所示)，其中，xf＝-tanθ*yf；
[0043]
步骤4：根据各斜入射角度的聚焦点坐标和起始线圈坐标计算第i个双变间距螺旋线圈12的中心点坐标(xi，0)；
[0044]
步骤5：通过极坐标变换，将所有斜入射角度的各匝的双变间距螺旋线圈12坐标变换为极坐标形式，并以相同的旋转角度对各组线圈在周向范围内进行排布，最终形成一个完整的螺旋线圈。
[0045]
在本实施例中，双变间距螺旋线圈12以固定圆心为定点由内向外依次增加相邻两根导线的间距，且在不同周向角度具有不同的增长速率。当固定转轴22带动永磁体滑块11进行周向转动时，换能器所激励的超声信号的入射角度会不断变化，信号的辐射范围会先增大后减小，呈现椭圆形状分布，因此更加适用于厚度不一致等不规则金属结构件的健康性监测任务。从而通过本技术的双变间距螺旋线圈12设计，可以在不改变线圈或添加其他辅助设备的情况下，实现在不同方向上的入射角度的变化。
[0046]
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。