[发明专利]电磁超声表面波接收换能器设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁超声表面波接收换能器的设计方法。

背景技术

电磁超声表面波接收换能器一般采用曲折线圈结构，主要有印刷电路板和骨架两种形式。其中骨架形式换能器采用漆包线绕制而成，比印刷电路板形式换能器接收电磁超声表面波信号效率更高，在电磁超声应用领域得到了广泛应用。但是，目前骨架形式电磁超声表面波接收换能器的设计主要以经验为主。如要采用直径0.19mm的漆包线和尺寸为1mm×1mm骨架槽设计电磁超声表面波接收换能器，一般每层放置5根漆包线并放置5层将槽填满，而且这些漆包线要均匀放置。这样，对换能器的制作工艺要求较高，而且由于导线数目多导致接收到的噪声信号强，接收信号信噪比低。

发明内容

本发明为了解决现有电磁超声表面波接收换能器设计中接收噪声强以及加工复杂的问题，而提出的一种电磁超声表面波接收换能器设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，所述设计方法是基于包括永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、待测金属试件、细化层和空气远场的换能器模型来进行的，所述电磁超声表面波换能器接收线圈为曲折线圈结构，采用漆包线在骨架上绕制而成，用来接收金属试件中的表面超声振动；所述待测金属试件厚度大于倍超声表面波波长；所述细化层位于接收线圈下方金属试件内；

所述设计方法的具体过程为：

步骤一、定义建模所需要的换能器参数，所述参数包括漆包线直径d，骨架中槽的宽度w和高度h，骨架每槽中漆包线绕的单层数目n和层数l；

步骤二、建立包括永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场的几何模型，保证接收线圈和金属试件之间有一定的提离距离；

步骤三、设定材料属性：永磁体设定为磁性材料；电磁超声表面波换能器接收线圈设定为漆包线；金属试件设定为待测金属材料；细化层设定为待测金属材料；空气远场设定为空气；

步骤四、划分物理场求解区域；所述的物理场包括电磁超声换能器接收过程中涉及的两个物理场——结构场和电磁场；所述的结构场求解区域包括金属试件和细化层；所述的电磁场求解区域包括永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场；

步骤五、结构场参数设定；所述金属试件和细化层的边界为自由边界；所述金属试件和细化层的初始位移和初始速度均为0；在所述金属试件的上表面的P处施加高斯分布载荷力信号；载荷力在金属试件中激发出表面波；

步骤六、电磁场参数设定；所述永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场初始磁矢位为0；所述永磁体垂直方向充磁；所述细化层为结构场和电磁场耦合区域，即结构场的表面波振动切割磁力线在接收线圈中感应出电压信号；

步骤七、有限元分网：所述永磁体、电磁超声表面波换能器接收线圈、金属试件、细化层和空气远场采用四面体单元进行分网；所述细化层分网时进行网格细化，增加模型计算精度；

步骤八、有限元求解：所述结构场和电磁场采用有限元方法求解，计算金属试件表面载荷力在接收线圈中引起的感应电压信号；

步骤九、改变接收线圈参数，主要参数包括漆包线直径d，骨架中槽的宽度w和高度h，骨架每槽中漆包线绕的单层数目n和层数l，重复步骤二至步骤八，从而获得不同参数接收线圈中的感应电压信号；

步骤十、利用步骤九获得的离散数据，拟合出各不同参数的接收线圈与对应的电磁超声表面波换能器接收电压信号的关系曲线，根据需要利用所述关系曲线对电磁超声表面波接收换能器进行设计；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述电磁超声表面波接收换能器设计方法将电磁超声换能器接收表面波过程准确完整的描述出来，而且可以灵活地改变接收线圈2参数，分析接收线圈2主要参数与电磁超声表面波接收换能器感应电压的关系；克服了现有电磁超声表面波接收换能器设计方法存在的经验设计、加工复杂以及接收信号信噪比低的缺陷。本发明提出的电磁超声表面波接收换能器设计方法具有操作简单，以及易于分析电磁超声表面波接收换能器参数对接收电压信号影响的特点。本发明可广泛用于任何金属表面波检测的电磁超声表面波接收换能器设计。

附图说明