基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)與方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁超聲探測技術，具體涉及利用一種機電混合裝置來產(chǎn)生能量聚集的交變電磁場和交變磁場，在探測物體表層引起渦流，產(chǎn)生超聲波波源來進行探測的裝置與方法。
【背景技術】
[0002]超聲探測主要是利用發(fā)射超聲波經(jīng)過探測物體反射后接收反射波，分析發(fā)射波和反射波來反演探測目標的某種聲學參數(shù)分布函數(shù)，從而對探測目標的材質(zhì)、厚度、內(nèi)部缺陷的位置與大小等方面進行評定。超聲的探測應用主要包括在工業(yè)上對各種材料的探測和在醫(yī)療上對人體的探測診斷，通過它可以探測出金屬等工業(yè)材料中有沒有氣泡、傷痕、裂縫等缺陷，可以探測出人體的軟組織、血流等是否正常。
[0003]傳統(tǒng)超聲探測所用的換能器采用壓電式，通常需要耦合劑才能實現(xiàn)與探測物之間的良好耦合，且對探測物的表面平整度要求較高，因而難以適用于高溫、高速和粗糙表面的探測環(huán)境，而且耦合劑的使用會改變探測物表面缺陷的聲學性能，因此難以檢測探測物淺表的缺陷。
[0004]上世紀60年代，一種不用耦合劑就可以激發(fā)超聲波的換能器被發(fā)現(xiàn)，很大程度上彌補了壓電傳感器的不足，它采用電磁耦合的方式在探測物中激發(fā)和接收超聲波波源信號，這種換能器被稱為電磁超聲換能器。此種探測方式避免使用耦合劑，適用于高溫、高速、粗糙表面等極端情況或者惡劣工作條件下。電磁超聲換能器主要由磁鐵、高頻線圈和探測物趨膚層(表面)組成。當高頻線圈通過高頻電流時，它在探測物的趨膚層內(nèi)產(chǎn)生與高頻線圈的高頻電流頻率相同、方向相反的渦流，此渦流在由磁鐵提供的靜態(tài)磁場的作用下，受到機械力的作用，從而產(chǎn)生高頻震蕩，形成超聲波波源。在接收超聲波時，探測物表面的震蕩也會在靜態(tài)磁場的作用下產(chǎn)生感生電磁場，在接收的高頻線圈中感應出電壓并被換能器接收。這種探測方式尤其適合應用在非接觸式的探測中。
[0005]電磁超聲探測技術相比于傳統(tǒng)的壓電式超聲檢測技術，在非接觸探測方面有以下幾個優(yōu)點:(I)無需任何耦合劑。電磁超聲換能器電磁到超聲的能量轉(zhuǎn)換是在探測物表面的趨膚層內(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)電磁超聲探測是一種非接觸的檢測方式，不要求檢測裝置與探測物物理接觸，因此使用更為靈活；(3)對探測物表面質(zhì)量要求不高。電磁超聲換能器不需要與探測物接觸，因此對探測物表面不要求特殊清理，較粗糙的表面也可直接檢測。
[0006]但是現(xiàn)有的電磁超聲探測仍有需要改進的地方:如，主要是用電的方式來產(chǎn)生磁場，即是用交變電流來產(chǎn)生，形式單一，由電場變成磁場有能量的損耗，轉(zhuǎn)換效率低；產(chǎn)生的超聲信號的頻率取決于交變電流的頻率，一般加載幾百或者幾千Hz到IMHz左右的高頻電信號，且頻帶不寬；電磁超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率較低，接收到的信號幅值較小，有礙于檢測精度的提高；當電磁超聲換能器為收發(fā)一體式的時候，接收的高頻線圈會受到發(fā)送高頻線圈產(chǎn)生的強的電磁場影響，致使探測物表面產(chǎn)生的渦流所產(chǎn)生的感生電磁場受到影響，使得接收的高頻線圈中感應出的電壓干擾嚴重，信噪比較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對目前電磁超聲探測交變磁場產(chǎn)生方式主要以交變電流為主，產(chǎn)生的超聲信號頻帶不寬，電能到磁能的轉(zhuǎn)換損失導致?lián)Q能器轉(zhuǎn)換效率低，受干擾嚴重等不足，本發(fā)明提出一種基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)。該裝置用機電混合裝置的若干個共軛線圈對產(chǎn)生交變電磁場以及其機械運動使得靜態(tài)磁場轉(zhuǎn)變成交變磁場，同時機械運動使交變電磁場有規(guī)律的泄露，使得在探測物處磁場能量匯聚，形成有規(guī)律的寬頻調(diào)頻超聲波波源。超聲波在探測物中傳播，經(jīng)反射后在探測物表面震蕩產(chǎn)生感生電磁場。再利用放置在若干個共軛線圈對產(chǎn)生的交變電磁場強度和靜態(tài)磁場強度都很微弱的位置處的磁感應接收陣列感應感生電磁場的變化，從而接收探測物反射的超聲波信號。本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn):
[0008]基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)，包括機電混合裝置和后臺數(shù)據(jù)處理平臺。機電混合裝置由若干個共軛線圈對、磁感應接收陣列、開孔屏蔽罩和可旋轉(zhuǎn)快門盤組成。所述共軛線圈對提供交變電磁場和靜態(tài)磁場；磁感應接收陣列感應感生電磁場的變化，從而接收探測物反射的超聲波信號；開孔屏蔽罩屏蔽磁場，共軛線圈對和磁感應接收陣列置于此開孔屏蔽罩內(nèi)，只向一些特定的開孔泄露磁場，形成磁場能量的匯聚；可旋轉(zhuǎn)快門盤，內(nèi)置于開孔屏蔽罩底面上面，或者外置于開孔屏蔽罩底面下面，機械運動控制開孔屏蔽罩的開孔的打開和閉合，使得靜態(tài)磁場轉(zhuǎn)變成交變磁場，與開孔泄露的交變電磁場在探測物表面，形成有規(guī)律的寬頻調(diào)頻超聲波波源。后臺數(shù)據(jù)處理平臺主要負責產(chǎn)生共軛線圈對所需的交變電流信號，且對磁感應接收陣列感應感生電磁場的變化，從而接收到的探測物反射的超聲波信號進行處理。后臺數(shù)據(jù)處理平臺和機電混合裝置的若干個共軛線圈對以及磁感應接收陣列之間的數(shù)據(jù)傳遞需要電纜的連接，通信可以用有線或者無線的方式。
[0009]作為上述基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)的優(yōu)化方案，所述機電混合裝置的若干個共軛線圈對呈圓對稱在開孔屏蔽罩底面一個半徑為R的圓環(huán)上傾斜放置，每個共軛線圈對放置位置和傾斜的角度可以設定，設定的原則是共軛線圈對置于開孔屏蔽罩內(nèi)后在開孔屏蔽罩底面開孔處泄露出去的交變電磁場，以及機械運動使得靜態(tài)磁場轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兇艌?，形成發(fā)送端磁場(包括交變電磁場和交變磁場)能量的匯聚。也可以通過改變共軛線圈對放置的位置和傾斜的角度來改變磁場能量的匯聚點。
[0010]上述共軛線圈對由一對線圈組成，每個線圈中間都放置永磁體，但是極性相反放置。其中一個線圈中間放永磁鐵，N極在下，S極在上，線圈通順時針的交流電，另外一個與之共軛的線圈中間放永磁鐵，N極在上，S極在下，線圈通逆時針的交流電。共軛線圈對每個線圈繞制后的形狀取決于中間放置的永磁體的形狀，可以為方形體、圓柱體、三棱柱等。這樣的一對線圈，由于每個線圈中間放置的永磁體極性相反放置，線圈通的交流電也反向，所以稱為共軛線圈對。工作時，線圈通交變電流產(chǎn)生交變電磁場，永磁體產(chǎn)生靜態(tài)磁場，根據(jù)電磁場理論，共軛線圈對中心的交變電磁場和靜態(tài)磁場都被抵消，磁場強度為0，中心附近的區(qū)域磁場強度也很微弱。
[0011]若干個共軛線圈對呈圓對稱在開孔屏蔽罩底面一個半徑為R的圓環(huán)上放置后，在圓環(huán)中心的交變電磁場和靜態(tài)磁場磁場強度都為O，其它相鄰區(qū)域的磁場強度也很微弱。
[0012]作為上述基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)的優(yōu)化方案，所述磁感應接收陣列由線圈或者磁敏元件組成，可以封裝成任意形狀，如圓形、方形等。磁感應接收陣列由支撐架支撐放置在開孔屏蔽罩底面的中心，中心的磁場強度為0，其它相鄰的不為0，但是因為陣元位置確定，共軛線圈對位置確定，所以容易計算出磁感應接收陣列中每個陣元的磁場強度，相當于共軛線圈對在磁感應接收陣列處產(chǎn)生的干擾是已知的。因此磁感應接收陣列感應感生電磁場的變化，從而接收探測物反射的超聲波信號時可以去除這部分干擾。支撐架的材質(zhì)，選用不影響磁場的非金屬材質(zhì)，如木材等。
[0013]作為上述基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)的優(yōu)化方案，所述開孔屏蔽罩罩住共軛線圈對和磁感應接收陣列，由磁屏蔽材料制作，如鋁合金、鎳鐵高磁導率合金等，它屏蔽磁場，只能向開孔處泄露磁場。開孔屏蔽罩罩形狀可以是圓柱體、圓錐體、立方體、半圓球體等。開孔屏蔽罩底面在一個半徑為R的圓環(huán)上開孔，開孔位置位于共軛線圈對每個線圈底部的正下方，開孔形狀、大小和共軛線圈對的線圈一致。如，開孔屏蔽罩底面圓環(huán)上等分放置M個線圈，線圈中間放置圓形永磁體，則開孔屏蔽罩底面也等分開M個圓形孔。另外開孔屏蔽罩底面中心開孔，稱為中心孔，其形狀和大小與上面放置的磁感應接收陣列封裝后的形狀和大小一致，如，磁感應接收陣列封裝為一個圓形，則開孔屏蔽罩底面的中心孔為同等大小的圓孔。這個中心孔開孔目的是為了使探測物反射的超聲波在探測物表面震蕩產(chǎn)生的感生電磁場能穿過此孔，被磁感應接收陣列感應出電壓并被接收。
[0014]上述開孔屏蔽罩上方可以有支架，使得開孔屏蔽罩連同共軛線圈對和磁感應接收陣列可以左右上下一起移動，以便磁場能量匯聚點的左右上下移動。
[0015]作為上述基于機電混合調(diào)頻聚能照射的電磁超聲探測系統(tǒng)的優(yōu)化方案，所述可旋轉(zhuǎn)快門盤由磁屏蔽材料制作，另外聯(lián)合若干個馬達一起工作，對開孔屏蔽罩底面圓環(huán)上的開孔進行間斷性的遮擋，馬達用微型電池供電?？尚D(zhuǎn)快門盤有若干個開孔，這里稱為快門孔?？尚D(zhuǎn)快門盤在馬達的控制下旋轉(zhuǎn)運動，當旋轉(zhuǎn)到某個快門孔正對開孔屏蔽罩底面的某個開孔時，則此開孔被打開。逐漸旋轉(zhuǎn)，此開孔又逐漸被遮擋，到完全遮擋，如此往復，使得開孔屏蔽罩底面圓環(huán)上的開孔有規(guī)律的打開和關閉，使得靜態(tài)磁場變成交變磁場。交變電磁場也通過這些