本實(shí)用新型涉及電磁超聲無損檢測技術(shù)，具體為一種提高電磁超聲信號強(qiáng)度的換能器。

背景技術(shù)：
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電磁超聲換能器(Electromagnetic acoustic transducer，簡稱EMAT)是一種激發(fā)和接收超聲波的裝置。該裝置無需聲耦合劑，結(jié)構(gòu)簡單，可以方便地激發(fā)多種模式的超聲波，可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，因此廣受研究者關(guān)注。在金屬導(dǎo)體中激發(fā)電磁超聲，通常有兩種方法，一種是基于洛倫茲力機(jī)理，一種是基于磁致伸縮機(jī)理。基于洛倫茲力的電磁超聲換能器通常用于非鐵磁性導(dǎo)電材料的檢測，通常由磁鐵，線圈和檢測試件組成，線圈設(shè)置在待檢測試件上，磁鐵設(shè)置在線圈上面。檢測時(shí)，在發(fā)射線圈中施加猝發(fā)激勵(lì)信號，線圈在被測試件上感應(yīng)出與激勵(lì)信號同頻率的電渦流，電渦流在磁鐵的靜態(tài)偏置磁場作用下在待測試件中產(chǎn)生洛倫茲力，在動態(tài)洛倫茲力作用下待測試件中產(chǎn)生超聲波，超聲波接收的過程就是超聲波激發(fā)過程的逆過程。

根據(jù)洛倫茲力的計(jì)算公式：F＝J×B，

其中J為電渦流密度，B為偏置磁場強(qiáng)度。由洛倫茲力的計(jì)算公式可知，要提高信號強(qiáng)度，只能提高激勵(lì)電流或者提高偏置磁場的強(qiáng)度，然而受限于功率放大器的功率及線圈所能承受的電流等因素，不可能無限的增加激勵(lì)電流，當(dāng)線圈參數(shù)、激勵(lì)電流、線圈和磁鐵的提離高度一定時(shí)，在線圈中施加激勵(lì)信號后在鋁板中產(chǎn)生的電渦流J是一定的。而當(dāng)J一定時(shí)，要想提高信號強(qiáng)度，只有提高靜態(tài)偏置磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，然而當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到一定的值的時(shí)候，想再提高其磁感應(yīng)強(qiáng)度在成本和技術(shù)難度上都是很高的，同時(shí)磁鐵存在磁飽和的問題，所以單靠增加磁感應(yīng)強(qiáng)度也存在著局限性。目前提高超聲信號強(qiáng)度通常都通過降低提離高度，增加線圈匝數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)，但是效果并不是很明顯。由于電磁超聲換能器存在換能效率比較低、激發(fā)出的超聲信號微弱導(dǎo)致接收到 的信號的信噪比較低、信號強(qiáng)度弱導(dǎo)致傳輸距離有限等問題，給大范圍、長距離檢測帶來困難。因此，有必要提高電磁超聲換能器的信號強(qiáng)度，增加檢測靈敏度和超聲信號的信噪比，使電磁超聲檢測技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本實(shí)用新型的目的在于提供一種提高電磁超聲信號強(qiáng)度的換能器，通過改進(jìn)換能器結(jié)構(gòu)、利用磁場的疊加特性，采用雙磁鐵來增強(qiáng)偏置磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)在非鐵磁性金屬材料檢測時(shí)獲得更高的信號強(qiáng)度和信噪比、提高換能器的測量靈敏度、增大檢測范圍的目的。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：一種提高電磁超聲信號強(qiáng)度的換能器，包括上導(dǎo)軌，上絲杠，線圈，上磁鐵，上固定座，上滑塊，待測試件，下導(dǎo)軌，下絲杠，下磁鐵，下固定座以及下滑塊，所述線圈設(shè)置于待測試件上方且與待測試件不相接觸，上磁鐵設(shè)置于線圈上方，線圈與上磁鐵安裝在上固定座上，上固定座與上滑塊連接，上滑塊與上絲杠采用螺旋傳動，上滑塊安裝在上導(dǎo)軌上，所述上絲杠轉(zhuǎn)動推動上滑塊沿上導(dǎo)軌做直線運(yùn)動，上滑塊帶動上磁鐵和線圈一起沿著上導(dǎo)軌移動，所述下磁鐵設(shè)置于待測試件下方且與待測試件不相接觸，下磁鐵安裝在下固定座上，下固定座與下滑塊連接，下滑塊設(shè)置在下絲杠和下導(dǎo)軌上，所述下絲杠轉(zhuǎn)動時(shí)，下滑塊帶動下磁鐵沿著下導(dǎo)軌移動，所述上導(dǎo)軌與下導(dǎo)軌平行安裝，所述待測試件上方的上磁鐵與待測試件下方的下磁鐵在垂直方向上投影重合，保持上磁鐵與下磁鐵相互平行，所述上磁鐵和下磁鐵形成的磁場與待測試件垂直。

進(jìn)一步地，所述上磁鐵與下磁鐵安裝的極化方向一致。

進(jìn)一步地，所述線圈與待測試件之間的間距為0.5-1.5mm，所述下磁鐵與待測試件之間的間距為0.5-2mm。

本實(shí)用新型還采用如下技術(shù)方案：一種提高電磁超聲信號強(qiáng)度的方法，包括如下步驟：

步驟一：上磁鐵與下磁鐵安裝的極化方向一致，偏置磁場方向垂直于待測試件，上磁鐵與下磁鐵的偏置磁場穿過待測試件形成閉合回路，磁場在待測試件內(nèi)部進(jìn)行矢量疊加后，在垂直于待測試件的方向上的磁場強(qiáng)度得到增強(qiáng)；

步驟二：在線圈中施加猝發(fā)激勵(lì)信號，線圈在待測試件上感應(yīng)出電渦流，電渦流與上磁鐵、下磁鐵的靜態(tài)磁場在待測試件中產(chǎn)生洛倫茲力，在動態(tài)洛倫茲力作用下在待測試件中產(chǎn)生超聲波；

步驟三：控制待測試件上側(cè)的上滑塊與下側(cè)的下滑塊分別由往同一方向同步運(yùn)動，即可在待測試件不同的位置發(fā)射超聲波進(jìn)行掃描檢測，將上絲杠與下絲杠以相同的速度同向轉(zhuǎn)動，保證上滑塊和下滑塊以相同的速度做同方向的直線運(yùn)動，以保持上磁鐵與下磁鐵在檢測過程中在待測試件上的投影保持重合。

本實(shí)用新型具有如下有益效果：通過兩塊磁鐵的磁場疊加，待測試件內(nèi)部的磁場強(qiáng)度通過矢量相加后在垂直于待測試件的方向磁場強(qiáng)度得到增強(qiáng)。因此在待測試件內(nèi)激發(fā)超聲波的洛倫茲力強(qiáng)度得到提高，使得發(fā)射的超聲波信號強(qiáng)度提高。本實(shí)用新型換能器可以滿足鋁板等非鐵磁性金屬板材的在線非接觸自動化掃描檢測。

附圖說明：

圖1為本實(shí)用新型提高電磁超聲信號強(qiáng)度的換能器的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為單個(gè)磁鐵的磁場分布圖。

圖3為本實(shí)用新型的磁場分布圖。

圖4為通常采用的單個(gè)磁鐵的換能器激發(fā)的波形圖。

圖5為本實(shí)用新型換能器激發(fā)的波形圖。

具體實(shí)施方式：

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

如圖1所示，本實(shí)用新型提高電磁超聲信號強(qiáng)度的換能器包括上導(dǎo)軌1，上絲杠2，線圈3，上磁鐵4，上固定座5，上滑塊6，待測試件7，下導(dǎo)軌8，下絲杠9，下磁鐵10，下固定座11以及下滑塊12。線圈3設(shè)置于待測試件7上方且與待測試件7不相接觸，上磁鐵4設(shè)置于線圈3上方，線圈3與上磁鐵4安裝在上固定座5上，上固定座5與上滑塊6連接，上滑塊6與上絲杠2采用螺旋傳動，上滑塊6安裝在上導(dǎo)軌1上，上 絲杠2轉(zhuǎn)動推動上滑塊6沿上導(dǎo)軌1做直線運(yùn)動，上滑塊6帶動上磁鐵4和線圈3一起沿著上導(dǎo)軌1移動。下磁鐵10設(shè)置于待測試件7下方且與待測試件7不相接觸，下磁鐵10安裝在下固定座11上，下固定座11與下滑塊12連接，下滑塊12設(shè)置在下絲杠9和下導(dǎo)軌8上，當(dāng)下絲杠9轉(zhuǎn)動時(shí)，下滑塊12帶動下磁鐵10沿著下導(dǎo)軌8移動。上導(dǎo)軌1與下導(dǎo)軌8平行安裝。在檢測之前，調(diào)整上滑塊6和下滑塊12的位置，將待測試件7上方的上磁鐵4與待測試件7下方的下磁鐵10調(diào)整到同一垂直線上，保持待測試件7上方的上磁鐵4與待測試件7下方的下磁鐵10相互平行，且上磁鐵4和下磁鐵10形成的磁場與待測試件7垂直。

檢測時(shí)，在線圈3中施加猝發(fā)激勵(lì)信號，線圈3在待測試件7上感應(yīng)出電渦流，電渦流與上磁鐵4、下磁鐵10的靜態(tài)磁場在待測試件7中產(chǎn)生洛倫茲力，在動態(tài)洛倫茲力作用下在待測試件7中產(chǎn)生超聲波；通過控制待測試件7上側(cè)的上滑塊6與下側(cè)的下滑塊12分別由往同一方向同步運(yùn)動，即可在待測試件7不同的位置發(fā)射超聲波進(jìn)行掃描檢測。為了保持上磁鐵4與下磁鐵10在檢測過程中在待測試件7上的投影保持重合，需要上絲杠2與下絲杠9以相同的速度同向轉(zhuǎn)動，保證上滑塊6和下滑塊12以相同的速度做同方向的直線運(yùn)動。

上磁鐵4和下磁鐵10在安裝時(shí)，上磁鐵4和下磁鐵10在垂直方向上投影重合，安裝的極化方向一致。也即如果上磁鐵4的N極在上S極在下，則下磁鐵10也是N極在上S極在下。圖2示出了單個(gè)磁鐵時(shí)，磁場在待測試件與磁鐵中的分布情況，圖3為本實(shí)用新型所采用的雙磁鐵結(jié)構(gòu)時(shí)磁力線在待測試件與磁鐵中的分布情況，從圖2與圖3可以看出，磁力線從下磁鐵N極出發(fā)，穿過待測試件進(jìn)入上磁鐵的S極，然后又從上磁鐵的N極回到下磁鐵的S極，形成閉合回路。

因此，上磁鐵4與下磁鐵10的磁場在上磁鐵4與下磁鐵10之間進(jìn)行疊加，在上磁鐵4與下磁鐵10之間形成垂直于待測試件7的磁場線，于是垂直于待測試件7方向的磁場強(qiáng)度B變大了，根據(jù)洛倫茲力的計(jì)算公式F＝J×B知洛倫茲力變大了，因此在線圈中通以交變的激勵(lì)電流以后，激發(fā)出來的超聲幅值也提高了。反過來，如果上磁鐵的S極在上，N極在下，則下磁鐵也是S極在上，N極在下，激發(fā)出來的超聲信號也一樣，但是相位相反。

上磁鐵4與線圈3在安裝時(shí)與待測試件7之間需要有足夠的提離間距，以保證在移動過程中不會與待測試件7接觸，避免線圈3和上磁鐵4與待測試件7板面產(chǎn)生摩擦，造成線 圈3漏電、損傷線圈3或者損傷待測試件7，影響檢測效果，通常線圈3與待測試件7之間的間距為0.5-1.5mm最佳。下磁鐵10與待測試件7之間的間距為0.5-2mm最佳。

圖4為采用的單個(gè)磁鐵的換能器激發(fā)的波形圖，線圈與待測試件之間的提離間距為1mm，沒有安裝下磁鐵時(shí)換能器激發(fā)出的位移波形圖。圖5為采用本實(shí)用新型實(shí)施例后，也就是在產(chǎn)生圖4波形的換能器基礎(chǔ)上，在待測試件下方安裝有下磁鐵，下磁鐵與待測試件之間距離為1mm時(shí)換能器激發(fā)出的位移波形圖。對比圖4與圖5的信號波形，采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)后，在保持其他條件不變的情況下，通過增加下磁鐵，所激發(fā)出的超聲幅值比單個(gè)磁鐵時(shí)的超聲信號的強(qiáng)度得到了大幅提高，表明本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的換能器具有激勵(lì)效率和接收靈敏度高，信噪比好的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)用新型提高電磁超聲信號強(qiáng)度的換能器，一方面，本實(shí)用新型提供一種能夠提高基于洛倫茲力機(jī)理的電磁超聲換能器的信號強(qiáng)度的方法，該方法是基于磁場的疊加原理，通過在非鐵磁性待測試件的另一側(cè)增加一塊磁鐵，兩塊磁鐵放置的極化方向相同，偏置磁場方向垂直于待測試件的板面，兩塊磁鐵的偏置磁場穿過待測試件形成閉合回路，在待測試件內(nèi)部疊加，垂直于待測試件方向的磁場強(qiáng)度得到增強(qiáng)。根據(jù)公式：F＝J×B可知，在激勵(lì)電流、磁鐵磁場強(qiáng)度、線圈的提離高度等條件不變的情況下，與電渦流J垂直的方向磁場強(qiáng)度增加，將使得待測試件內(nèi)的洛倫茲力增加，因此產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度得到提高。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。