一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器

1.本发明涉及材料无损检测技术领域，尤其指一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器。


背景技术：

2.随着我国发展进入新时代，各种合金材料大量使用于探月工程、载人航天工程、军用设备等重大项目中。然而，在材料的制造生产中不可避免的会出现裂纹、缩孔、金属与非金属夹杂物等缺陷，因此及时的检测出有缺陷的材料并将其剔除显得尤为重要。在诸如超声检测、磁粉检测、射线检测等多种无损检测的方法中，超声检测技术以其较强的环境适应能力、适用范围大、精度高等优点脱颖而出。
3.使用常规的压电超声检测技术时，必须对被测件的表面进行预处理且需要与耦合剂配合使用，因此这种技术主要针对的是已经加工完成的常温(≤50
°
)的零件，其并不能在零件的加工过程中及时的发现缺陷，无法为及时改变加工策略提供有力依据。电磁超声检测作为一种新型的无损检测方式可以很好的解决上述问题。在电磁超声检测中，高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器通过电磁耦合在被测试件趋肤层形成涡流，进而在被测件的趋肤层产生超声波，这是一种非接触性无损检测，在检测过程中不需要耦合剂，对被测件的表面质量也要求不高，可以在高温等恶劣环境下进行，因此，它的应用范围更广。能实现高温下无损检测，不仅可以对金属材料、零件等热处理过程中进行实时检测，以此及时调整加工策略，实现降低成本，同时还可以对高温设备进行评估检测，保证设备安全性。
4.目前对高温材料进行无损检测的技术有所欠缺，申请号为201610078153.7公开的一种超高温电磁超声传感器，其是在换能器腔体中装填耐高温的隔热材料，以此来保证换能器中的磁铁保持在较低温度，这种方式只能实现短暂的隔温效果，换能器并不能长时间暴露在高温工作环境下。申请号为201810983490.x公开的一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法，其采用水冷循环，以达到持续降温目的，此方式对于水进入腔体的路线没有做出规划，因此冷却水对于永磁铁的冲击较大，且永磁体仅被两个螺栓悬空固定在腔体内，在循环冷却水的冲击下永磁体与腔体之间是容易发生松动的，另外此方案中换能器采用双工模式，亦或是激发与接收线圈处于同一永磁体下，这样的放置方式会导致换能器必须用金属板将永磁铁和线圈隔开，以消除永磁铁产生的涡流干扰，金属板则会转移掉一部分线圈承载的能量，导致高温环境下的换能效率进一步降低，从而影响检测的精度。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，该电磁超声换能器能有效提高换能效率。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种高温下高换能效率低水
流冲击信号稳定的电磁超声换能器，包括底端开口的中空筒体、耐高温的玻璃板、线圈和永磁体；
7.所述玻璃板安装于中空筒体的底部，将中空筒体的底端封口，所述线圈固定于玻璃板的下方，所述永磁体安装于中空筒体内且紧靠于玻璃板的上方，所述中空筒体上错位开设有一个冷却介质入口和冷却介质出口。
8.进一步地，该高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器还包括固定于玻璃板上且紧贴于中空筒体的环形体，所述永磁体的底部紧插于环形体中，所述环形体的底部向环形体内部延伸一圈形成一个承托永磁体的承载台，所述环形体上还开设有进口槽和出口槽，所述进口槽为从环形体的底端向上开设至高于承载台面的缺口槽，所述出口槽为从环形体的顶端向下开设至低于承载台台面的缺口槽；所述冷却介质入口和冷却介质出口一上一下分布，所述冷却介质入口与所述进口槽直接连通，且所述冷却介质入口的顶壁低于进口槽的顶部。
9.进一步地，所述环形体上开设的进口槽为一个，出口槽为三个，该一个进口槽和三个出口槽在环形体上呈均匀分布。
10.进一步地，所述环形体上开设进口槽的部位向上突出呈拱形，所述进口槽的深度大于出口槽的深度。
11.更进一步地，所述永磁体的顶部通过一个弹簧片抵靠着中空筒体的顶部。
12.更进一步地，该高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器还包括纵剖面呈l形的内底板，所述内底板安装于中空筒体的底部，所述玻璃板嵌装于中空筒体与内底板之间，所述线圈伸于内底板的中间且线圈最低处不高于内底板的底面。
13.再进一步地，该高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器还包括套于内底板外的外底板，所述内底板与外底板之间采用多个螺栓进行固定，所述外底板上安装有多个便于移动的万向滚轮。
14.再进一步地，所述中空筒体的顶部为可拆卸的上端盖。
15.再进一步地，所述中空筒体的顶端和底端分别开设有一圈密封槽，所述密封槽内装配有密封条。
16.优选地，所述线圈采用耐高温胶胶粘至玻璃板下，且所述线圈与内底板的缝隙间也充满着耐高温胶。
17.相比于传统的换能器，本发明提出的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器具有冷却介质低冲击力、高冷却效率、高换能效率和方便移动的优点，可有效实现检测时高温、高精度、连续和快速无损检测的要求。具体而言，本发明中永磁体和线圈之间被玻璃板分隔了起来，传统的电磁超声换能器采用金属板将两者分隔会导致试件表面产生的涡电流密度减小，使换能效率降低，而本发明采用玻璃板分隔永磁体和线圈，则不会影响三者之间的电磁耦合，不会影响试件表面的涡电流大小，能使得线圈上承载的大部分能量都转移到被检测试件的表面，有效地提升换能效率，改善了电磁超声波检测和判定缺陷的精度。另外，本发明利用环形体的巧妙设计，规划了冷却介质的流动路线，减小了冷却介质对永磁体的冲击，提高了降温效率，可使电磁超声换能器长时间保持低温，并且稳定耐用。不仅如此，本发明采取了内底板和外底板可拆卸式的结构，能快速便捷的更换探头，保障不同检测项目的顺利进行。
附图说明
18.图1为本发明所涉高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器的剖视图；
19.图2为本发明所涉高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器的爆炸图；
20.图3为本发明所涉高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器的中空筒体的轴测图；
21.图4为本发明所涉高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器的环形体的轴测图；
22.图5为本发明所涉高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器的万向滚轮的轴测图；
23.附图中：
24.1——中空筒体
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2——玻璃板
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3——线圈
25.4——永磁体
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5——环形体
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6——弹簧片
26.7——内底板
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8——外底板
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9——螺栓
27.10——万向滚轮
28.101——冷却介质入口
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102——冷却介质出口
29.103——上端盖
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104——密封槽
30.501——承载台
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502——进口槽
31.503——出口槽。
具体实施方式
32.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
33.如图1和图2所示，一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，包括底端开口的中空筒体1、耐高温的玻璃板2、线圈3和永磁体4。其中，玻璃板2安装于中空筒体1的底部，将中空筒体1的底端封口，线圈2固定于玻璃板2的下方，永磁体4安装于中空筒体1内且紧靠于玻璃板2的上方，中空筒体1上错位开设有一个冷却介质入口101和冷却介质出口102。
34.需要提出说明的是，电磁超声换能器采用一发一收，激发线圈处于一个电磁超声换能器中，接收线圈处于另外一个电磁超声换能器中，两者配套使用。本发明所涉线圈3为激发线圈或接收线圈，为了保证不同检测项目能快速正常的进行，可以事先准备好多种类型的带激发线圈的电磁超声换能器以及带接收线圈的电磁超声换能器。
35.如图1和2所示，永磁体4和线圈3之间显然是被玻璃板2分隔了起来，传统的电磁超声换能器是采用金属板将两者分隔，电磁超声换能器的灵敏度、信噪比，除与偏置磁场的大小有关之外，主要还受到线圈在被检测金属趋肤层内的诱导涡电流的强弱影响，采用金属板分隔永磁体和线圈，金属板也会产生对应的涡电流，导致在试件表面产生的涡电流密度减小，从而使换能效率降低，同时会改变永磁体、线圈和试件之间的电磁耦合情况，而本发明采用玻璃板2分隔永磁体4和线圈3，可使得两者的距离较大，则不会影响三者之间的电磁
耦合，不会影响试件表面的涡电流大小，能使得线圈3上承载的大部分能量都转移到被检测试件的表面，有效地提升换能效率，改善了电磁超声波检测和判定缺陷的精度。
36.为了使本发明所涉高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器能在高温环境下使用时，本发明在中空筒体1上错位开设有一个冷却介质入口101和冷却介质出口102，在将本发明放置于高温环境前，外部自带驱动泵的冷却源将冷却介质“水”(也可以是采用现有技术中适用于永磁铁冷却的其他冷却介质)通过冷却介质入口101进入中空筒体1中，再从冷却介质出口102流出，形成水循环回路，将本发明从高温环境离开后，继续保持通水10分钟，从而实现对中空筒体1内的永磁体4进行降温。
37.值得提出说明的是，在水循环降温的过程中，若水流量没有控制好，流动中的水有可能会对永磁体4造成冲击，从而出现申请号为201810983490.x公开的抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器所存在的“在循环冷却水的冲击下永磁体与腔体之间容易发生松动”的问题，因此，需要对水进入中空筒体1内的路线规划好。鉴于此，本发明提出的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器还包括固定于玻璃板2上且紧贴于中空筒体1的环形体5，永磁体4的底部紧插于环形体5中，环形体5的底部向环形体5内部延伸一圈形成一个承托永磁体4的承载台501，环形体5上还开设有进口槽502和出口槽503，进口槽502为从环形体5的底端向上开设至高于承载台501台面的缺口槽，出口槽503为从环形体5的顶端向下开设至低于承载台501台面的缺口槽；如图1-3所示，冷却介质入口101和冷却介质出口102一上一下分布，冷却介质入口101与进口槽502直接连通，且冷却介质入口101的顶壁低于进口槽502的顶部。
38.前述进口槽502和出口槽503的数量可以根据实际情况进行确定，只要能保持水流的畅通，均可以是多个，在本实施方式中，进口槽502为一个，出口槽503为三个，该一个进口槽502和三个出口槽503在环形体5上呈均匀分布。
39.在水循环的过程中，水经由冷却介质入口101到达进口槽502后，由于永磁体4的侧壁紧贴着进口槽502，因此此时水不能直接沿着中空筒体1的内壁向上流出，而进口槽502的开口朝下，因此此时水能穿过承载台502的侧面流向永磁体4的下部，再由于三个出口槽503的槽底低于承载台502的台面，因此，永磁体4下面的水可再通过三个出口槽503慢慢流至中空筒体1与永磁体4的间隙中，随后灌满，并通过冷却介质出口102排出，形成水循环回路。这种设计实现了水自下而上的冷却路线，减小了冷却水对永磁体4的冲击，提高了降温效率，因此可以使电磁超声换能器长时间保持低温，并且更加稳定耐用。
40.为保证中空筒体1内的进水量不小于出水量，环形体5上的进口槽502宜大于出口槽503，具体的，如图4所示，环形体5上开设进口槽502的部位向上突出呈拱形，进口槽502的深度大于出口槽503的深度。
41.为了进一步加强永磁体4固定在中空筒体1内的牢固性，除了将永磁体4紧插于环形体5中，还可以在永磁体4的顶部加设一个抵靠着中空筒体1顶部的弹簧片6，环形体5与弹簧片6相配合可将永磁体的位置加以束缚，使其在冷却水的冲击下保持固定，提供稳定的磁场，保证传感器可以使用在多种恶劣环境中。
42.前述电磁超声换能器的玻璃板2位于中空筒体1的底部，在一定情况下可能发生磨损，为了尽量避免这个问题，本发明所涉电磁超声换能器还可以在中空筒体1的底部安装一个内底板7，该内底板的纵剖面呈l形，玻璃板2嵌装于中空筒体1与内底板7之间，线圈3伸于
内底板7的中间且线圈3的最低处不高于内底板7的底面，可以与内底板7的底面平齐。值得一提的是，线圈3采用耐高温胶胶粘至玻璃板2下，且线圈3与内底板7的缝隙间也充满着耐高温胶，既起到加固的作用，还可以防止线圈3与内底板7的缝隙间堆积灰尘杂物。
43.考虑到实际应用过程中，检测目的不同所需要的波不同，也即需要不同的线圈，例如：检测表面波需要曲折线圈，检测横波需要螺旋线圈，因此，使用过程中可能会需要经常更换线圈，为此，本发明设计了一种分离式的电磁超声换能器，该电磁超声换能器在前述结构的基础上，还加装了外底板8，该外底板8套于内底板7外，且内底板7与外底板8之间采用多个螺栓9进行固定。当需要更换时，可以通过拆卸螺栓9将探头(探头指的是电磁超声换能器中除外底板8以外的其他结构)从外底板8上取下，换上合适的探头继续检测，此种方式可以快速便捷的更换探头。
44.另外，为了在检测的过程方便本发明在试件表面移动，如图5所示，可以在外底板8上安装多个万向滚轮10，有了该万向滚轮10，还可以避免线圈3在试件表明产生摩擦，避免影响换能器的使用寿命。
45.如图2所示，中空筒体1的顶部可以是可拆卸的上端盖103，设计这种可拆卸式结构的目的在于方便制造组装本发明。
46.为了防止冷却水在中空筒体1中发生外漏，影响整体的降温性能，中空筒体1的顶端和底端分别开设有一圈密封槽104，密封槽104内装配有密封条。
47.电磁超声换能器的灵敏度、信噪比，除偏置磁场的大小之外，主要受到线圈在被检测金属趋肤层内产生的诱导涡电流的强弱影响。在以往的高温换能器中，其铜制隔板也会产生对应的涡电流，导致在试件表面产生涡电流减小。在本发明中，玻璃背板替换掉了以往的铜背板。磁铁与线圈的距离较大，并且磁铁的电导率远小于以往使用的铜背板，因此在磁铁表面产生的涡电流远小于在铜背板中产生的涡电流。进而，线圈中的大部分能量能转换为试件表面的涡电流。在此设置下，能有效地提高换能器的换能效率。
48.由上述可知，本发明提供的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器具有冷却水低冲击力、高冷却效率、高换能效率和方便移动的优点，实现了实际应用中高温下高精度、连续和快速无损检测的要求。
49.上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
50.为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

技术特征：
1.一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：包括底端开口的中空筒体(1)、耐高温的玻璃板(2)、线圈(3)和永磁体(4)；所述玻璃板(2)安装于中空筒体(1)的底部，将中空筒体(1)的底端封口，所述线圈(2)固定于玻璃板(2)的下方，所述永磁体(4)安装于中空筒体(1)内且紧靠于玻璃板(2)的上方，所述中空筒体(1)上错位开设有一个冷却介质入口(101)和冷却介质出口(102)。2.根据权利要求1所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：还包括固定于玻璃板(2)上且紧贴于中空筒体(1)的环形体(5)，所述永磁体(4)的底部紧插于环形体(5)中，所述环形体(5)的底部向环形体(5)内部延伸一圈形成一个承托永磁体(4)的承载台(501)，所述环形体(5)上还开设有进口槽(502)和出口槽(503)，所述进口槽(502)为从环形体(5)的底端向上开设至高于承载台(501)台面的缺口槽，所述出口槽(503)为从环形体(5)的顶端向下开设至低于承载台(501)台面的缺口槽；所述冷却介质入口(101)和冷却介质出口(102)一上一下分布，所述冷却介质入口(101)与所述进口槽(502)直接连通，且所述冷却介质入口(101)的顶壁低于进口槽(502)的顶部。3.根据权利要求2所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：所述环形体(5)上开设的进口槽(502)为一个，出口槽(503)为三个，该一个进口槽(502)和三个出口槽(503)在环形体(5)上呈均匀分布。4.根据权利要求3所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：所述环形体(5)上开设进口槽(502)的部位向上突出呈拱形，所述进口槽(502)的深度大于出口槽(503)的深度。5.根据权利要求4所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：所述永磁体(4)的顶部通过一个弹簧片(6)抵靠着中空筒体(1)的顶部。6.根据权利要求5所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：还包括纵剖面呈l形的内底板(7)，所述内底板(7)安装于中空筒体(1)的底部，所述玻璃板(2)嵌装于中空筒体(1)与内底板(7)之间，所述线圈(3)伸于内底板(7)的中间且线圈(3)最低处不高于内底板(7)的底面。7.根据权利要求6所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：还包括套于内底板(7)外的外底板(8)，所述内底板(7)与外底板(8)之间采用多个螺栓(9)进行固定，所述外底板(8)上安装有多个便于移动的万向滚轮(10)。8.根据权利要求7所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：所述中空筒体(1)的顶部为可拆卸的上端盖(103)。9.根据权利要求8所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：所述中空筒体(1)的顶端和底端分别开设有一圈密封槽(104)，所述密封槽(104)内装配有密封条。10.根据权利要求9所述的高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器，其特征在于：所述线圈(3)采用耐高温胶胶粘至玻璃板(2)下，且所述线圈(3)与内底板(7)的缝隙间也充满着耐高温胶。

技术总结
一种高温下高换能效率低水流冲击信号稳定的电磁超声换能器包括中空筒体、玻璃板、线圈、永磁体、环形体、纵剖面呈L形的内底板和套于内底板外的外底板，内底板安装在中空筒体底部，玻璃板嵌装于中空筒体与内底板之间且将中空筒体的底端封口，线圈固定于玻璃板的下方并伸于内底板中，环形体位于玻璃板上且紧贴于中空筒体，永磁体的底部紧插于环形体中，环形体的底部向内延伸一圈形成一个承托永磁体的承载台，环形体上开设有进口槽和出口槽，进口槽为从环形体的底端向上开设至高于承载台面的缺口槽，出口槽为从环形体的顶端向下开设至低于承载台台面的缺口槽，进口槽与中空筒体上开设的一个冷却介质入口连通，中空筒体上还开设有一个冷却介质出口。有一个冷却介质出口。有一个冷却介质出口。


技术研发人员：吴运新 杨旭飞 吴雨唐
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1