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基于恒定電磁源機動變頻感應(yīng)場的物體檢測方法與裝置的制造方法

文檔序號:9287462閱讀:416來源:國知局
基于恒定電磁源機動變頻感應(yīng)場的物體檢測方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁超聲檢測領(lǐng)域,特別涉及一種基于恒定電磁源機動變頻感應(yīng)場的物體檢測方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲檢測是工業(yè)上常用的無損檢測方法之一。該方法發(fā)射超聲波與被測物體相互作用,通過研究反射、透射和散射波得到檢測目標(biāo)的某種聲學(xué)參數(shù)分布函數(shù),從而對檢測目標(biāo)的材質(zhì)、厚度、內(nèi)部缺陷的位置與大小等方面進行評定。
[0003]傳統(tǒng)超聲檢測采用壓電式,即將電壓加在壓電陶瓷或石英晶片探頭上,探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(zhì)進入被測物體,遇到缺陷或材質(zhì)改變后反射,部分反射波被探頭接收,探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖,經(jīng)儀器放大后進行顯示。這種方法通常需要耦合劑才能實現(xiàn)與被測物體之間的良好耦合,且對被測物體的表面質(zhì)量要求較高,因而難以適用于高溫、高速和粗糙表面的檢測環(huán)境。
[0004]電磁超聲(Electromagnetic Acoustic,EMA)檢測是一種新的無損檢測技術(shù)。電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)由三部分組成:(I)磁鐵:提供外加磁場;(2)高頻線圈:產(chǎn)生交變磁場;(3)被測物體。當(dāng)置于被測物體表面的高頻線圈通過高頻電流時,它在被測物體的趨膚層內(nèi)產(chǎn)生渦流,此渦流在外加磁場的作用下,受到機械力的作用,從而產(chǎn)生高頻振動,形成超聲波波源。在接收超聲波時,被測物體表面的震蕩也會在外加磁場力的作用下,在高頻線圈中感應(yīng)出電壓并被儀器接收。EMA檢測技術(shù)相比于傳統(tǒng)的壓電式超聲檢測技術(shù),有以下幾方面優(yōu)點:(I)無需任何耦合劑。EMAT的能量轉(zhuǎn)換是在被測物體表面的趨膚層內(nèi)直接進行的,因此所產(chǎn)生的超聲波不需要任何耦合介質(zhì),可以適用于多種檢測環(huán)境,如干燥、高溫、低溫等環(huán)境;(2) EMAT是一種非接觸的檢測方式,不要求檢測裝置與被測物體物理接觸,因此使用更為靈活;(3)可以靈活地產(chǎn)生各類波形,包括SH波。而SH波在傳統(tǒng)壓電式超聲檢測中很難耦合至被測物體;(4)對被測物體表面質(zhì)量要求不高。EMAT不需要與被測物體接觸,因此對被測物體表面不要求特殊清理,較粗糙的表面也可直接檢測;(5)檢測速度快。傳統(tǒng)壓電式超聲的檢測速度一般都在10米/分鐘左右(國產(chǎn)設(shè)備),而EMAT可達到40米/分鐘,甚至更快。
現(xiàn)有電磁超聲檢測存在的主要問題是(I)換能效率不高。EMAT換能器產(chǎn)生的原始信號一般功率較低,因此需要更復(fù)雜的信號處理技術(shù)隔離噪聲;(2)發(fā)射源對反射信號干擾嚴重,反射信號信噪比較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)換能效率不高、接收信號信噪比低等不足,提供一種基于恒定電磁源機動變頻感應(yīng)場的物體檢測裝置。
[0006]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于恒定電磁源機動變頻感應(yīng)場的物體檢測方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
本發(fā)明的基本原理是采用永磁鐵結(jié)合通有直流電的線圈,形成恒定電磁源。通過運動遮擋方式,使被測物體表面形成交替變化的電場和磁場強度,即形成交變感應(yīng)場,從而在趨膚層內(nèi)引起渦流,最終產(chǎn)生超聲波波源。接收時利用磁感應(yīng)元件感應(yīng)超聲波的反射波所引起的磁場,經(jīng)后臺處理器處理后得出被測物體的檢測結(jié)果。本發(fā)明中電磁超聲的發(fā)射端與接收端相對靜止,且發(fā)射端為恒定電磁源,因此根據(jù)電磁理論,發(fā)射端對接收端不造成干擾,接收信號的信噪比大幅提升,檢測精度大大提高。
[0008]本發(fā)明包括一個前端檢測裝置和后臺處理器。前端檢測裝置將所獲取的檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺處理器;后臺處理器負責(zé)接收前端檢測裝置發(fā)來的數(shù)據(jù),并進行分析處理,提供檢測結(jié)果。
[0009]前端檢測裝置包括永磁鐵、線圈、磁屏蔽罩、馬達、磁感應(yīng)元件、固定桿。本發(fā)明采用永磁鐵結(jié)合通有直流電的線圈,形成恒定電磁源,并將其置于磁屏蔽罩內(nèi),永磁鐵的一端貼近磁屏蔽罩的內(nèi)壁。永磁鐵的形狀可以根據(jù)需要選擇,可選形狀包括圓柱體,長方體,三棱柱等。磁屏蔽罩的功能是屏蔽磁場和電場,即磁屏蔽罩內(nèi)的磁場和電場不能泄露到磁屏蔽罩外,同時磁屏蔽罩外的磁場和電場不能進入磁屏蔽罩內(nèi)。本發(fā)明可以根據(jù)需要選用不同材料、不同形狀的磁屏蔽罩,可選材料包括鋁合金、鎳鐵高磁導(dǎo)率合金等,可選形狀包括圓柱體、球體、長方體等。
[0010]永磁鐵貼近磁屏蔽罩內(nèi)壁的一端周圍安置若干磁感應(yīng)元件,以永磁鐵為中心對稱分布,其數(shù)量可以根據(jù)需要靈活選擇,磁感應(yīng)元件可以是磁敏元件、線圈等。磁感應(yīng)元件必須與永磁鐵和線圈保持相對靜止,從而不會對恒定電磁源進行感應(yīng)。
[0011]在磁屏蔽罩靠近永磁鐵一端開若干小孔組,每個小孔組包括一個中心孔和若干圍繞中心孔對稱分布的周邊孔。周邊孔的數(shù)目與磁感應(yīng)元件的數(shù)目相同。中心孔既作為發(fā)射孔,也作為接收孔;周邊孔則作為接收孔。小孔形狀可以根據(jù)需要,比如匹配被測物體的形狀等,相應(yīng)設(shè)置。小孔形狀可以是圓形、方形、直線形、曲線形等。當(dāng)磁屏蔽罩某個小孔組的發(fā)射孔與永磁鐵上下對齊時,其周邊接收孔應(yīng)與磁感應(yīng)元件—對齊。由于磁屏蔽罩對電磁場的屏蔽作用,恒定電磁源所產(chǎn)生的電場和磁場只能通過發(fā)射孔和接收孔泄露到磁屏蔽罩外。當(dāng)永磁鐵與某個小孔組的發(fā)射孔正對時,恒定電磁源的電場和磁場從該小孔組的發(fā)射孔泄露到磁屏蔽罩外,此時被置于永磁鐵下方的被測物體感應(yīng)到最強的電場和磁場;當(dāng)永磁鐵與發(fā)射孔由正對位置稍微錯開時,被測物體所感應(yīng)的電場和磁場強度有所減小;當(dāng)永磁鐵遠離發(fā)射孔,以至于從發(fā)射孔泄露到磁屏蔽罩外的電場和磁場完全移出被測物體時,被測物體所感應(yīng)的電場和磁場強度最小。綜上所述,本發(fā)明通過恒定電磁源與磁屏蔽罩上小孔組的相對運動,以及磁屏蔽罩的遮擋作用,使被測物體表面形成交替變化的電場和磁場強度,即形成交變感應(yīng)場,從而產(chǎn)生渦流,最終形成超聲波波源。
[0012]恒定電磁源與磁屏蔽罩小孔組的相對運動可以通過以下方法中的任意一種實現(xiàn):
方法一:將磁屏蔽罩與一馬達相連,恒定電磁源保持靜止,磁屏蔽罩在馬達的帶動下,能夠以不同的速率運動;
方法二:將永磁鐵與一馬達相連,磁屏蔽罩保持靜止,永磁鐵在馬達的帶動下,使恒定電磁源以不同的速率運動; 方法三:將磁屏蔽罩和永磁鐵分別與一馬達相連,磁屏蔽罩和永磁鐵均在馬達的帶動下,以不同的速率運動。
[0013]運動速率決定了交變感應(yīng)場的變化頻率,而交變感應(yīng)場的變化頻率決定了所產(chǎn)生的超聲波的頻率。各個裝置的運動模式可以根據(jù)需要設(shè)計,比如:平面旋轉(zhuǎn)、往復(fù)擺動等。當(dāng)磁屏蔽罩和恒定電磁源同時運動時,可以使交變感應(yīng)場的變化頻率、變化模式更加多樣化。通過控制運動裝置的速率,可以實現(xiàn)不同變化頻率的交變感應(yīng)場,從而產(chǎn)生寬頻超聲波信號。寬頻信號可以增大信號的信息量,從而提升檢測精度。
[0014]上述所產(chǎn)生的超聲波信號在被測物體中傳播,當(dāng)遇到介質(zhì)改變(例如:被測物體有內(nèi)部裂紋、有氣泡、或者裝有其他介質(zhì)等情況)時發(fā)生反射,反射波在被測物體表面引起磁場,磁場通過磁屏蔽罩的接收孔被磁感應(yīng)元件接收。由于永磁鐵周圍安置了多個磁感應(yīng)元件,因此可以形成磁感應(yīng)接收陣列,提高檢測精度。當(dāng)永磁鐵與某個小孔組的發(fā)射孔正對時,磁感應(yīng)元件與該發(fā)射孔的周邊孔上下對齊,此時磁感應(yīng)元件感應(yīng)到最強的磁場,所接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度最高;當(dāng)永磁鐵與發(fā)射孔由正對位置逐漸錯開時,磁感應(yīng)元件所感應(yīng)的磁場強度也逐漸減小,所接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有所降低。因此,選擇永磁鐵與發(fā)射孔處于正對位置時所接收的數(shù)據(jù)進行處理,檢測精度更高。
[0015]當(dāng)需要大功率超聲波信號時,可在磁屏蔽罩內(nèi)的直流線圈兩端加載高壓,通過調(diào)節(jié)直流線圈
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