仅线圈式磁致伸缩超声传感器、检测方法及装置

本发明涉及超声检测，特别是涉及仅线圈式磁致伸缩超声传感器、检测方法及装置。

背景技术：

1、由于加工工艺的限制，金属材料在生产与加工的过程中可能会出现各种缺陷，如裂纹、夹杂、缩孔、缩松折叠等。无损检测作为质量控制环节中的关键一环，可检测金属材料是否存在缺陷，及时剔除存在缺陷的残次品，阻止其进入下一加工环节而造成材料和人力的浪费，有利于提高产品的成品率和生产制造的经济效益。

2、目前通常的无损检测为采用电磁超声传感器进行检测，电磁超声传感器基于洛伦兹力和磁致伸缩效应，可直接在金属试件上激励出超声波，具有非接触、无需耦合剂等特点，适合于高温环境下的无损检测。但电磁超声传感器中的永磁体在工作环境中会吸附铁磁性颗粒，降低超声波的换能效率，在检测铁磁性试件时探头移动不方便。另外，永磁体的存在会导致传感器体积庞大。

3、磁致伸缩超声传感器与压电超声传感器类似，通过压电元器件的振动传导到材料中激励超声波，但超磁致伸缩材料饱和伸缩应变ppm值远超压电材料，其换能效率可达到压电超声传感器的数倍。磁致伸缩超声传感器中偏置磁场的作用为：①增强磁致伸缩效应。由于在没有偏置磁场的情况下，铁磁性材料内部磁畴通常是随机排列的。在磁致伸缩材料内部提供一个偏置磁场使材料内部的磁畴定向或调整磁畴方向通过施加适当方向的偏置磁场，可以将磁畴定向，使它们在特定方向上排列，从而增强其磁致伸缩效应，但偏置磁场增大强度到了一定范围之后，会将磁畴固定在其点位之上，从而削弱磁致伸缩效应，因此需要选择适合的类直流电流大小，才能产生最佳强度的偏置磁场。②消除倍频效应。磁致伸缩振动激励出来的超声波频率为交变磁场频率的两倍，这种现象称为倍频效应。倍频效应的存在会使磁致伸缩超声波的激励工作在非线性区域，大大影响能量转换的效率。因此在进行磁致伸缩超声波检测时，一般在交变磁场的基础上叠加一个足够大的偏置磁场，从而使得激励出来的超声波频率与激励信号的频率一致，达到消除倍频效应的目的。

4、目前传统磁致伸缩超声传感器存在换能效率低、需永磁体配合使用、狭窄检测空间检监测难以进行永磁体定期磁化等问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明在于提供仅线圈式磁致伸缩超声传感器、检测方法及装置，主要解决上述背景技术中存在的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：本发明第一方面公开了仅线圈式磁致伸缩超声传感器，超声传感器包括缠绕有导线的线圈体、伸缩贴片以及双工电路，所述双工电路与所述线圈体相连，所述双工电路，被配置为向所述线圈体通入强短脉冲电流叠加持续时间长的类直流电流，及接收反射的超声波信号，所述线圈体基于所述强短脉冲电流以及类直流电流产生瞬态动态磁场和静态偏置磁场，所述伸缩贴片基于瞬态动态磁场和静态偏置磁场产生磁致伸缩振动，激励出超声波信号，所述超声波信号包括纵波、lamb波或横波、sh波。

3、可选的，所述伸缩贴片由超磁致伸缩材料制成。

4、可选的，所述线圈体的外径在10mm到20mm之间，所述线圈体的内径在1mm到5mm之间，所述导线导线直径在0.1mm到0.5mm之间。

5、可选的，所述线圈体包括多层圆柱形线圈与组合缠绕式线圈。

6、可选的，所述双工电路包括mos管开关模块、高压激励强脉冲模块、类直流励磁模块、阻抗匹配模块、回波检测模块，所述高压激励强脉冲模块、类直流励磁模块、阻抗匹配模块构成激励部分，所述类直流励磁模块、阻抗匹配模块、回波检测模块构成接收部分，所述mos管开关模块控制高压激励强脉冲模块和类直流励磁模块的电流流向和时间，所述高压激励强脉冲模块，被配置为向线圈体通入强激励电流，进而在线圈体中产生瞬态动态磁场，所述类直流励磁模块，被配置为向线圈体通入类直流电流，进而在线圈体中产生静态偏置磁场，所述阻抗匹配模块，被配置为确保线圈体与激励部分或接收部分之间的阻抗匹配。

7、本发明第二方面公开了基于仅线圈式磁致伸缩超声传感器的检测装置，所述检测装置基于如前述任一项所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器实现超声检测，所述检测装置包括主控模块、取样电流模块、采集模块、控制分析平台，所述主控模块与所述mos管开关模块信号相连，所述取样电流模块用于接入双工电路，所述采集模块的输入端与所述接收部分信号相连，其输出端与所述控制分析平台信号相连，所述控制分析平台与所述主控模块信号相连。

8、本发明第三方面公开了基于仅线圈式磁致伸缩超声传感器的检测方法，所述检测方法应用于前述所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器的检测装置中，所述检测方法包括：

9、将所述伸缩贴片粘接在被测金属试件表面，并将所述线圈体放置于所述伸缩贴片上方

10、主控模块导通mos管开关模块，mos管开关模块先向激励部分的类直流励磁模块供电，激励部分的类直流激励模块会在线圈中产生一个持续的、相对平滑的类直流电流，进而产生一个强静态偏置磁场；

11、当线圈体中的类直流电流上升至最高值时，mos管开关模块向激励部分的高压激励强脉冲模块供电，在线圈体中产生交变的强激励电流进而产生瞬态动态磁场；

12、瞬态动态磁场以及强静态偏置磁场一起作用在伸缩贴片上，产生磁致伸缩振动，在伸缩贴片与被测金属试件的接触面产生超声振动，激励出超声波信号；

13、在被测金属试件中，超声波信号的回波引起所述伸缩贴片的逆磁致伸缩效应，在所述线圈体中产生感应电压信号，将所述感应电压信号传输至控制分析平台进行处理分析获得检测结果。

14、仅线圈式磁致伸缩超声传感器、检测方法及装置，

15、本发明的有益效果在于：本申请所公开的仅线圈式磁致伸缩超声传感器、检测方法及装置，所涉及的磁致伸缩超声传感器由线圈和磁致伸缩贴片组成，通过在线圈中通以强短脉冲电流叠加持续时间长的类直流，实现超声波的激励与接收。与传统的磁致伸缩超声传感器相比，其不需要外加永磁体或永磁体定期磁化，其体积小，可在狭小空间内进行检测，其偏置磁场由通类直流的线圈提供，磁场强度不会随着时间逐渐减弱，也不会出现磁致伸缩贴片经永磁体磁化后的剩磁强度受温度和时间的影响而退磁甚至消磁；

16、针对压电超声探头换能效率低，提出由超磁致伸缩材料铽镝铁制作磁致伸缩贴片，相比于传统压电超声传感器，其换能效率可以提高十倍以上。

技术特征：

1.仅线圈式磁致伸缩超声传感器，其特征在于，超声传感器包括缠绕有导线的线圈体、伸缩贴片以及双工电路，所述双工电路与所述线圈体相连，所述双工电路，被配置为向所述线圈体通入强短脉冲电流叠加持续时间长的类直流电流，及接收反射的超声波信号；

2.根据权利要求1所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器，其特征在于，所述伸缩贴片由超磁致伸缩材料制成。

3.根据权利要求1所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器，其特征在于，所述线圈体的外径在10mm到20mm之间，所述线圈体的内径在1mm到5mm之间，所述导线导线直径在0.1mm到0.5mm之间。

4.根据权利要求1所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器，其特征在于，所述线圈体包括多层圆柱形线圈与组合缠绕式线圈。

5.根据权利要求1所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器，其特征在于，所述双工电路包括mos管开关模块、高压激励强脉冲模块、类直流励磁模块、阻抗匹配模块、回波检测模块，所述高压激励强脉冲模块、类直流励磁模块、阻抗匹配模块构成激励部分，所述类直流励磁模块、阻抗匹配模块、回波检测模块构成接收部分，所述mos管开关模块控制高压激励强脉冲模块和类直流励磁模块的电流流向和时间，所述高压激励强脉冲模块，被配置为向线圈体通入强激励电流，进而在线圈体中产生瞬态动态磁场，所述类直流励磁模块，被配置为向线圈体通入类直流电流，进而在线圈体中产生静态偏置磁场，所述阻抗匹配模块，被配置为确保线圈体与激励部分或接收部分之间的阻抗匹配。

6.基于仅线圈式磁致伸缩超声传感器的检测装置，其特征在于，所述检测装置基于如权利要求1-5任一项所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器实现超声检测，所述检测装置包括主控模块、取样电流模块、采集模块、控制分析平台，所述主控模块与所述mos管开关模块信号相连，所述取样电流模块用于接入双工电路，所述采集模块的输入端与所述接收部分信号相连，其输出端与所述控制分析平台信号相连，所述控制分析平台与所述主控模块信号相连。

7.基于仅线圈式磁致伸缩超声传感器的检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于权利要求6所述的仅线圈式磁致伸缩超声传感器的检测装置中，所述检测方法包括：

技术总结本发明公开了仅线圈式磁致伸缩超声传感器、检测方法及装置，其超声传感器包括缠绕有导线的线圈体、伸缩贴片以及双工电路，所述双工电路与所述线圈体相连，所述双工电路，被配置为向所述线圈体通入强短脉冲电流叠加持续时间长的类直流电流，及接收反射的超声波信号，所述线圈体基于所述强短脉冲电流以及类直流电流产生瞬态动态磁场和静态偏置磁场，所述伸缩贴片基于瞬态动态磁场和静态偏置磁场产生磁致伸缩振动，激励出超声波信号，所述超声波信号包括纵波、Lamb波或横波、SH波。技术研发人员：卢超,王紫都,石文泽,胡博,陈巍巍,雷震霆,邱发生,陈泽鸿,刘枳莹受保护的技术使用者：南昌航空大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25