[发明专利]一种电磁超声表面波换能器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁超声技术领域，尤其涉及一种电磁超声换能器。

背景技术

电磁超声技术是利用电磁超声换能器在板材内激发超声波进行无损检测的技术。电磁超声技术使用条件简单且过程环保，因而成为铝合金板材无损检测技术的研究热点。电磁超声技术中换能器的性能直接决定了无损检测的效果。以往的电磁超声表面波换能器常采用宽度大于线圈宽度的磁铁和各匝导线均匀分布的线圈，且磁铁和线圈没有一套完整的设计方法，导致换能效率较低。申请号为201310169063.5的《一种单向发射电磁超声表面波换能器及采用该换能器检测金属表面缺陷的方法》中主要针对换能器的指向性进行改良，而没有涉及磁铁尺寸的设计原则。在Enhancement of signal amplitude of surface wave EMATs based on3-D simulation analysis and orthogonal test method(NDT&E International,2013,(59):11-17)中虽然涉及到磁铁宽度的设计原则，但研究范围仅限于磁铁宽度大于线圈宽度且线圈各匝导线均匀分布的情况，未考虑磁铁宽度小于线圈时，磁铁边缘的水平磁场也可有效激发电磁超声表面波以及线圈各匝导线不均匀分布时的情况。而过宽的磁铁和均匀分布的线圈会使得电磁超声表面波换能器的换能效率不能达到最优。

发明内容

本发明是为了解决现有电磁超声表面波换能器换能效率较低的问题，现提供一种电磁超声表面波换能器及其设计方法。

一种电磁超声表面波换能器，它包括：磁铁、曲折线圈和铜箔；

所述曲折线圈包括：导线和骨架，曲折线圈的匝数为n，其中n＝5,6,7；

所述骨架为左右对称结构，沿骨架的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线，以两个相邻的导线槽为一级，n个导线槽中的导线数量从曲折线圈的两端向骨架的中心方向逐级递减；

永磁铁、曲折线圈和铜箔的长度均相等，曲折线圈和铜箔的宽度相等，磁铁的宽度小于曲折线圈的宽度，且满足：

(w₁/w₂)＝-0.0009571(h)²+0.0266(h)+0.7694；

其中，h＝t₁/λ，t₁为磁铁的厚度，λ为磁铁激发的表面波的波长，w₁为磁铁的宽度，w₂为曲折线圈的宽度；

磁铁、铜箔和曲折线圈依次重叠固定。

一种电磁超声表面波换能器的设计方法，该方法是基于一种电磁超声表面波换能器的模型实现的，该模型包括：磁铁、曲折线圈和铜箔；

所述曲折线圈包括：导线和骨架，曲折线圈的匝数为n，其中n＝5,6,7；

所述骨架为左右对称结构，沿骨架的一侧排布有2n个导线槽，每个导线槽内均设置有呈方波的形状曲折排布的导线；

磁铁、铜箔和曲折线圈依次重叠固定；

所述包括以下步骤：

步骤一：根据实际测量需求和工程应用限制条件确定待设计换能器的工作频率f、导线槽中导线的平均数和磁铁的厚度t₁，所述磁铁的厚度t₁为：在工程应用限制条件下，磁铁所允许的最大厚度；

步骤二：利用待设计换能器的工作频率f和待测试件的表面波波速c，计算得出激发表面波波长λ，然后根据该激发表面波波长λ确定曲折线圈的宽度w₂；

步骤三：利用磁铁的厚度t₁和激发表面波波长λ，获得磁铁的厚度t₁和激发表面波波长λ的比例关系h；

步骤四：以磁铁的宽度w₁与曲折线圈的宽度w₂的比例为纵坐标，磁铁的厚度t₁和激发表面波波长λ的比例关系h为横坐标，分别在500kHz、750kHz和1MHz的频率下，改变磁铁的宽度w₁与曲折线圈的宽度w₂的比例进行仿真，获得三种频率下三条磁铁的宽度w₁与曲折线圈的宽度w₂的最佳比例和磁铁的厚度t₁与激发表面波波长λ的比例的关系曲线；

步骤五：将步骤四获得的三条比例经验曲线进行拟合，获得一条最佳比例经验曲线；