一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器

1.发明涉及一种用于薄壁金属管状类结构件检测的声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，属于超声无损检测技术领域，由于该传感器激励的超声导波的声场为扩散的，相较于常规型周期永磁铁式电磁声传感器的声场辐射范围更大，提高了缺陷的检测范围。


背景技术：

2.薄壁金属管状类结构是目前生产生活中常见的结构形式，常被设计用于油气管道、储罐等运储结构，或是被设计用于吊臂等支撑类结构。这些结构件常年在不同的工作状况下服役，容易产生裂纹、腐蚀等缺陷，或是在生产制造过程中会产生加工缺陷，这类缺陷的存在会使结构件的强度大大降低，在其使用过程中很可能造成结构件失效，从而导致事故的发生，因此对其进行有效的检测尤为重要。目前常见的无损检测方法主要包括：目视法、射线检测技术、超声检测技术、磁粉检测、渗透检测以及电磁检测技术。对于薄壁金属管状类结构件，其截面尺寸较大，长度一般在几米到几十米。针对这种大尺寸薄壁金属管状类结构件的检测，上述常规的检测方法难以适应。超声导波以其传播距离远衰减小的优点，能够更好的适用于这种薄壁金属管状类结构件。
3.目前，激励和接收超声导波所用的传感器中，电磁声传感器以其模态便于调控，无需耦合的优点被广泛关注。作为能够激励sh0模态导波电磁声传感器之一的常规型周期永磁铁式电磁声传感器，虽然能够在薄壁金属管状类结构件中激励出模态单一sh0导波，但其声场指向性较为集中，不利于对缺陷进行大面积的扫查。为了更好的实现薄壁金属管状类结构件中缺陷的大范围扫查，在常规型周期永磁铁式电磁声传感器的基础上进行改进，以增大传感器声场的辐射范围和能量分布。
4.本发明通过增加周期永磁铁式电磁声传感器中磁铁的排布，调整磁铁的间距的倾角来增大传感器一侧的声场辐射范围，增大了缺陷的检测范围，并使传感器能量分布更加均匀。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，针对常规型周期永磁铁式电磁声传感器声场指向性集中的问题，从传感器的结构设计出发，通过增加磁铁排数和调整磁铁(线圈)间的倾角，使得传感器一侧的声场辐射范围增大，从而增大了缺陷的检测范围。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
7.一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，包括周期性永磁铁1、传感器骨架2、改进型跑道线圈3、传感器接头4；其特征在于：周期性永磁铁1置于传感器骨架2具有一定倾斜角度的凹槽中，改进型跑道线圈放置于传感器骨架2的正下方并于传感器接头4相连接，并且跑道线圈中的每条跑道均与每组周期性永磁铁相对应，传感器接头4固定于传感
器骨架2上。多组周期性永磁铁1置于传感器骨架2具有一定倾斜角度的凹槽中，提供多组具有一定倾斜角度分布的周期性磁场。改进型跑道线圈放置于传感器骨架2的正下方并于传感器接头4相连接，并且线圈中的每条跑道均与每组周期性永磁铁相对应。通过在传感器接头通入具有一定频率的交变电流，改进型跑道线圈则可在线圈正下方的待测金属表面感应出与线圈电流方向相反、频率相同，且具有一定倾斜角度分布的感应涡流场。在具有一定倾斜角度的周期性磁场和感应涡流场的相互作用下，会在待测金属试件表面产生具有一定倾斜角度分布的洛伦兹力场。在洛伦兹力的作用下，待测金属试件表面就会产生周期性的振动，从而在金属试件中激发出超声波。由于声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器产生的洛伦兹力场具有一定倾斜角度分布的，因此该传感器激励的声场是扩散形式的，相较于常规型周期永磁铁式电磁声传感器的声场辐射范围更大。
8.所述的一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，其特征在于：传感器骨架2中相邻周期性永磁铁凹槽之间存在一定的倾斜角度为θ。
9.所述的一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，其特征在于：改进型跑道线圈3中相邻跑道间的夹角为θ，且相邻跑道上的电流方向相反。
10.所述的一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，其特征在于：周期性永磁铁1中单个磁铁宽度a等于所设计的激励sh0模态导波波长的一半。
11.所述的一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，其特征在于：周期性永磁铁1的充磁方向为磁铁的厚度方向，且在放置时相邻单块永磁铁间的磁极方向相反。
12.本发明可以获得如下有益效果：
13.1、磁铁和线圈形成一定倾斜角度会使传感器一侧产生的声场更加分散，扩大了检测范围。
14.2、多排跑道线圈和周期性永磁铁会增大传感器的信号强度，并且能使产生声场的能量更加均匀。
附图说明
15.图1：声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器结构示意图；
16.图2：传感器骨架与激励线圈示意图；
17.图3：单块永磁铁示意图；
18.图4：声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器模型
19.图5：常规型周期永磁铁式电磁声传感器模型
20.图6：两种传感器声场分布对比示意图；
21.图中，1、周期性永磁铁，2、传感器骨架，3、激励线圈，4、传感器接头。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
23.声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器结构示意图如图1所示。该周期性永磁铁1、传感器骨架2、改进型跑道线圈3。通过建立有限元仿真模型来分析声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器的效果。声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器仿
真模型进行简化为图4所示，单块磁铁尺寸高度h为10mm，长度b为15mm，宽度a为7mm，倾斜角度为θ＝2.5
°
，共设置四排周期性永磁铁，每排周期性磁铁共由五块单一永磁铁组成，相邻永磁铁之间磁极相反。每列周期性永磁铁间的倾斜角度为θ＝2.5
°
，相邻线圈间的角度同为θ＝2.5
°
，线圈置于磁铁下方。为了方便观察改进效果，构建了常规型周期永磁铁式电磁声传感器仿真模型为图5。单块磁铁尺寸高度h为10mm，长度b为15mm，宽度a为7mm，置两排周期性永磁铁，磁铁(线圈)间相互平行，无倾角。两传感器均置于规格为600mm
×
600mm
×
4mm的钢板上，在线圈内通入中心频率在f＝220khz，幅值为1a的汉宁窗调制的正弦信号，且相邻跑道线圈上的电流相反。通过采集距离传感器中心100mm半圆周的直达波幅值最大值，来对比声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器和常规型周期永磁铁式电磁声传感器两种传感器效果。
24.图6所示为两种传感器声场指向性结果。通过指向性结果可清晰地看出常规型周期永磁铁式电磁声传感器的声场辐射范围在传感器中心
±
20
°
，声场集中；而声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器的声场辐射范围在传感器中心
±
30
°
，且声场辐射范围更大，且能量分布更加均匀。说明声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器较常规型周期永磁铁式电磁声传感器的检测范围更大。
25.本发明设计的一种声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器，该传感器采用具有一定倾斜角度的多组周期性永磁铁和线圈排布来使得传感器的声场辐射范围增加，能量分布更加均衡，增大了传感器的扫查范围。通过对比常规型周期永磁铁式电磁声传感器发现，声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器声场辐射范围较常规型周期永磁铁式电磁声传感器的声场辐射范围更大，且能量分布更加均衡，说明声场扩散式改进型周期永磁铁式电磁声传感器的扫查范围和检测能力得到了增强。