[發明專利]一種可聚焦和換向的SH波電磁超聲換能器

有效

• 申請號: 201611167811.6
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN107085042B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 宋小春;涂君;邱公喆;張旭;劉嘉誠;蔡文浩;高見;熊芝;陳濤
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

本發明涉及一種可聚焦和換向的SH波電磁超聲換能器。包括外殼1、耐磨層5、第一周期性永磁鐵6、第二周期性永磁鐵8、跑道型交流線圈7；聚焦操縱桿2與外殼1通過轉動副連接，工形齒輪3的上端齒輪固接于聚焦操縱桿2上的齒輪相嚙合；錐形齒輪12通過轉動副和工形齒輪3連接，工形齒輪3的下端齒輪與圓柱齒輪9相嚙合；圓柱齒輪9通過轉動副與錐形齒輪12相連接，錐形齒輪12通過轉動副與聚焦操縱桿2相連接，換向操縱桿4通過齒輪副與錐形齒輪12相連接；外殼1通過轉動副與換向操縱桿4相連接。本發明通過改變PPM對與其下方跑道型交流線圈7兩段平直導線間的夾角實現SH波聚焦，通過整體旋轉PPM對及其下方跑道型交流線圈實現SH波換向，從而實現SH波在一定角度內的扇掃。

技術領域

本發明屬于無損檢測技術領域，具體涉及一種可聚焦和換向的SH波電磁超聲換能器，適用于非鐵磁性金屬的電磁超聲探傷檢測。

背景技術

超聲波換能器是一種能實現機械能和聲能之間能量轉化的裝置。基于不同的激勵和接收原理，目前無損檢測領域主要有兩種超聲波換能器：一種是基于壓電效應的壓電換能器(Piezoelectric Transducer，簡稱PZT)，另一種是基于洛倫茲力和磁致伸縮力機理的電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，簡稱EMAT)。

電磁超聲是無損檢測領域的一種新興技術，與傳統的壓電超聲檢測技術相比，具有非接觸式測量、無需耦合劑、可激勵多種導波模態等特點，既可以實現常規超聲的各種檢測功能，又可以應用于高溫環境及帶有包覆層的試件檢測等特殊場合。由于其檢測速度快，環境適應性強，因而受到越來越多的關注。

電磁超聲換能器通過調整偏置磁鐵和交流線圈的空間布置方式，既可用于激勵體波，也可用于激勵導波。其中，導波可主要分為板波和管波，板波主要包括瑞利(Rayleigh)波、蘭姆(Lamb)波和水平剪切(Shear horizontal，簡稱SH)波，管波主要包括縱(Longitudinal)波、扭轉(Torsional)波和彎曲(Flexural)波。

SH波是一種存在于板類波導中的剪切波，其質點位移方向平行于板的表面。SH波有對稱模態(Symmetric mode)和反對稱模態(Anti-symmetric mode)兩種，其相速度和群速度取決于頻率和樣本厚度以及體剪切波的波速。在等厚度板中，SH₀模態是對稱的非頻散模態，且其波速等于介質中體剪切波的波速。

周期性永磁鐵電磁超聲換能器(Periodic Permanent Magnet EMAT，簡稱PPMEMAT)可以在非鐵磁性金屬板(如，鋁板等)中激勵出SH波，其主要由平行布置的PPM對、跑道型交流線圈、外殼、接口和阻抗匹配系統等組成。

PPM相鄰單元間的極性相反，提供垂直于檢測樣本表面的磁場，跑道型交流線圈中通入交變電流后，會在檢測樣本表面感應出渦電流，渦電流在PPM提供的垂直磁場作用下，產生特定方向周期性振動，從而在檢測樣本中激勵出SH波。

傳統激勵SH波的PPM EMAT，其PPM對與其下方跑道型交流線圈兩段平直導線部分通常平行布置，具有結構上的對稱性，因而會同時沿兩個相反的方向分別激勵出SH波，即實現SH波的雙向激發，因而很容易引入端部反射回波的干擾；加之PPM對呈平行布置，無法實現在局部區域內的聲能聚焦，而且跑道型交流線圈的兩個半圓形導線部分也容易引入非SH模態導波的干擾，導致換能器的信噪比降低，影響缺陷信號的識別和解釋。

傳統PPM EMAT激勵出的SH波沿波導在檢測試件的全厚度內振動傳播時，隨著傳播距離的增大，SH波的能量會因散射、透射和吸收等不斷衰減，使得檢測區域內的能量密度降低，從而影響其缺陷檢測和識別能力，減小SH波單次激勵的有效檢測范圍。

傳統激勵SH波的PPM EMAT，難以改變PPM對及其下方交流線圈的指向，因而難以實現SH波在一定檢測范圍內的扇形掃查。

發明內容