[发明专利]一种基于Halbach原理的双线圈电磁超声换能器

说明书

本发明涉及一种用于机械制造及传感器领域的基于Halbach原理的双线圈电磁超声换能器。它能有效的增大超声波接收信号的幅度，减小噪音信号的产生，提高信噪比。其技术方案是：该电磁超声换能器由永久磁铁机构、线圈机构、换能器外壳机构组成，其永久磁铁机构包括六个永久磁铁阵列、永久磁铁外壳，永久磁铁阵列安装在永久磁铁外壳中，永久磁铁外壳与换能器外壳用固定螺钉连接；其线圈机构包括接收线圈、外侧激发线圈、内侧激发线圈，内侧激发线圈嵌套在外侧激发线圈中安装在激发线圈挡板的上边；线圈机构安装在永久磁铁机构的下边，换能器下箱盖与换能器上箱盖用锁紧螺钉连接。本发明能有效的提高超声波接收信号的幅度，信噪比提高7~9倍。

技术领域

本发明涉及一种用于机械制造及传感器领域的一种基于Halbach原理的双线圈电磁超声换能器，它广泛应用于金属板材的测厚。

背景技术

电磁超声换能器(Electro Magnetic Acoustic Transducer ,EMAT)主要应用在钢板或者铝板的测厚、火车轮轨道的探伤、输油管道探伤等领域，优点是可以实现在线检测，无需耦合剂，可以适应高温高压检测环境。目前问题是EMAT具有接收超声回波幅度小，信噪比低的缺点，限制了电磁超声换能器的应用。因此，如何提高换能器的信噪比是目前亟需解决的问题

针对电磁超声换能器的改进，国内外学者进行了大量的研究。文献：一种电磁超声检测用脉冲激励电源的研制（李鹏，清华大学，2012），设计出了一种功率可调节的电源，通过调节电源功率来调节信噪比，并在钢板或钢管上进行缺陷检测，但未提及在铝板或者其它非铁磁性材料上面的应用。一种电磁超声传感器的研制（庞炜涵，北京理工大学机械与车辆学院，2017）：研制出了一种电磁超声传感器，高频脉冲使用UCC3895作为信号源，IR2110作为全桥可逆电路驱动芯片，通过实验验证，该装置可以很好的在铝板上激发超声波并能够接收到信号，有较好的信噪比，但是该装置没有提及在铁磁性材料上面的应用。A NewElectromagnetic Acoustic Transducer Designfor Generating and receiving S0Lamb Waves in Ferromagnetic Steel Plate（Janpeng He,University of warwickConventry CV47AL,UK,2017）：文章介绍了一种新型的EMAT模型，该模型只采用线圈结构而舍弃了传统的永磁铁激励，这种新型结构对比了在洛伦兹力机制和磁致伸缩机制上面的效果，分别检测了铝板和钢板，结果显示磁致伸缩机制提高了信噪比。但由于施加的激发电流过大，存在极大的安全隐患。An Improved Design of the Spiral-Coil EMAT forEnhancing the Signal Amplitude（Xiaojuan Jia,Chongqing University,China,2017）:文章对EMAT的永久磁铁和螺旋线圈均做了改进。圆柱体的永久磁铁采用两部分构成，即一个柱形永磁铁嵌套在另一个磁铁环中，充磁方向相反。将原来的单个螺旋线圈改进为两个螺旋线圈，分别施加不同方向的电流作用。通过仿真和实验的比对，最终改进的EMAT传感器的信噪比大约为未改进前的1.96倍。这种信噪比在生锈严重的铁板上面不适用，需要使用具有更大信噪比的EMAT换能器。

发明内容

本发明主要工作是发明了一种基于Halbach原理的双线圈EMAT的方法和装置，它能够有效的增大超声波接收信号的幅度，减小噪音信号的产生，提高信噪比。

电磁超声传感器的信噪比e，如公式（1）所示：

（1）