电磁超声传感器的制作方法

1.本发明涉及工业检测技术领域，尤其涉及一种电磁超声传感器。


背景技术：

2.螺栓是连接各种机械件常用的连接件，其使用扭矩法紧固时的轴力(或预紧力)控制精度通常在
±
20％～30％，难以对紧固工艺进行精准控制。此外，由于多个紧固件紧固先后不同、多个螺栓法兰面紧固先后不同等，导致螺栓轴力在螺栓紧固后会发生较大变化。对于在役运行的设备，螺栓紧固轴力也难以进行有效测量。上述因素会导致螺栓紧固存在较大的不确定性、不可测性，危害设备安全运行。
3.超声螺栓轴力测量方法是采用超声传感器在螺栓中激发超声波，通过测量超声波在螺栓中传播的时间，间接测量螺栓轴力。
4.电磁超声是一种无须超声耦合剂，能够方便进行超声激励、接收的技术，在螺栓轴力测量中具备显著优势。电磁超声螺栓轴力测量的超声方法分为单波法和双波法。
5.单波法的基本原理是：利用声波(横波或纵波均可)在螺栓的传播时间(time of flight，tof)与螺栓轴力之间的线性关系。通过事先标定tof与轴力的直线，和tof的测量去间接表征轴力。由于tof对轴力不敏感，螺栓的长度公差导致的tof差异远大于轴力对tof的影响，为此每根螺栓在轴力测量前，都需要测定其初始状态。
6.双波法是同时在螺栓中激发横波和纵波的方法。它综合了横波和纵波的信息，能够解决单波法所面临的问题。双波法利用纵波和横波波速对于轴力的敏感性不同，通过比较和作差，在计算公式中消除了螺栓长度这一变量。通过一次标定，能够对在役状态的螺栓轴力进行测量，而无需测量螺栓初始状态。
7.电磁超声技术在铁磁性导体中较容易激发强度较大的横波信号，但是难以激发出纵波。目前采用的圆柱形磁体+螺旋线圈的电磁超声探头结构产生纵波信号较小，难以实现精确测量轴力的效果。现有技术在磁体远离线圈一端设置磁路闭合件，为增强磁场，但磁路闭合件效果不佳且会增加传感器的高度，影响使用时的高度限制。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种电磁超声传感器，能同时激发横波和较强的纵波，解决了现有技术中难以激发较强纵波的问题。
9.为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种电磁超声传感器，磁体组件，包括第一磁体和第二磁体，所述第二磁体与所述第一磁体同轴线设置且套设于所述第一磁体外，所述第一磁体和所述第二磁体的磁场方向相反；
10.空心线圈，设置于所述磁体组件下方，且与所述磁体组件同轴线设置，所述空心线圈的内径小于所述第一磁体的外径，外径大于所述第二磁体的内径；
11.外壳，套设于所述磁体组件和所述空心线圈外，所述外壳设置有插接口，所述插接口与所述空心线圈电性连接。
12.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述空心线圈的内径与外径之比为0.1～0.99。
13.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述空心线圈的外径不大于所述第二磁体的外径。
14.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一磁体的形状为实心的圆柱体或者沿所述第一磁体长度方向空心的圆筒体。
15.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一磁体的形状为沿所述第一磁体长度方向空心的圆筒体时，所述空心线圈的内径大于或等于所述第一磁体的内径。
16.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述磁体组件由永磁体组成或者电磁铁组成。
17.作为本发明一实施方式的进一步改进，还包括隔磁件，所述隔磁件设置于所述磁体组件和所述空心线圈之间。
18.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述隔磁件为1～6层铜箔或导磁片。
19.作为本发明一实施方式的进一步改进，还包括耐磨片，所述耐磨片设置于所述空心线圈下方。
20.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述插接口设置于所述外壳沿所述磁体组件长度方向的侧壁。
21.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
22.本发明提供的电磁超声传感器将线圈设置为空心线圈，且空心线圈的外径大于第二磁体的内径，内径小于第一磁体的外径，即，空心线圈横跨第一磁体和第二磁体的磁极，由此空心线圈不仅能够与第一磁体相配合产生纵波，还能与第二磁体相配合产生纵波，此结构下传感器产生的纵波较强，能很好的解决现有技术中纵波激发较弱的问题。
附图说明
23.图1是本发明实施例中的电磁超声传感器的结构示意图。
24.图2是图1中电磁超声传感器的俯视图。
25.图3是图2中沿a-a线的剖视示意图。
26.图4是图3中增加第二线圈的示意图。
27.图5是无闭环磁路的试件表面磁场强度分布。
28.图6是有闭环磁路的试件表面磁场强度分布。
29.图7是本实施例的电磁超声传感器激发的纵波和横波强度图。
30.1、外壳；11、壳体；12、盖体；13、插接口；14、插接件；2、磁体组件；21、第一永磁体；22、第二永磁体；3、空心线圈；4、第二线圈；5、隔磁件；6、耐磨片。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本文使用的例如术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。
33.例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
34.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一可以被称为第二磁体，并且类似地第二磁体也可以被称为第一磁体，这并不背离本技术的保护范围。
36.本发明实施例提供了一种电磁超声传感器，如图1～4所示，包括：外壳1、磁体组件2和空心线圈3。磁体组件2包括第一磁体和第二磁体，第二磁体与第一磁体同轴线设置且套设于第一磁体外，第一磁体和第二磁体的磁场方向相反；空心线圈3设置于磁体组件2下方，且与磁体组件2同轴线设置，空心线圈3的内径小于第一磁体的外径，外径大于第二磁体的内径；外壳1套设于磁体组件2和空心线圈3外，外壳1设置有插接口13，插接口13与空心线圈3电性连接。
37.优选的，磁体组件2由永磁体组成或者电磁铁组成，本实施例中以永磁体为例，即第一磁体和第二磁体均为永磁体，因而称为第一永磁体21和第二永磁体22。
38.本发明实施例提供的电磁超声传感器的线圈采用空心线圈3，且空心线圈3的内径小于第一永磁体21的外径，外径大于第二永磁体22的内径，即，空心线圈3横跨两个磁极，空心线圈3不仅能够与第一永磁体21相配合产生纵波，还能与第二永磁体22相配合产生纵波，此结构下传感器产生的纵波较强，能很好的解决现有技术中纵波激发较弱的问题。
39.此外，采用空心线圈3能够极大减小线圈中心区域产生反相的磁化力，使得正向合力得到提高，从而增强纵波信号。第二永磁体22的内径和第一永磁体21的外径相配合，能够在电磁超声传感器体积得到缩小的同时，保证激励较强的纵波。
40.进一步的，空心线圈3的外径不大于第二永磁体22的外径，能够避免空心线圈3在第二永磁体22范围内的部分和第二永磁体22范围外的部分形成方向相反的力源，导致形成相位差，声波在试件中传播或者反射时，容易导致波形分叉、畸变。
41.进一步的，空心线圈3的内径与外径之比为0.1～0.99。空心线圈3的内径和外径之比为0.1～0.99时，空心线圈3与磁体组件2相配合能够使激励纵波的能力明显得到提升。
42.进一步的，电磁超声传感器还包括一个线圈，如图4所示，为第二线圈4，第二线圈4也为空心结构，第二线圈4设置于磁体组件2下方，图4中，第二线圈4设置于空心线圈3下方，
但第二线圈4和空心线圈3的上下位置关系不受限制，也可将第二线圈4设置于空心线圈3上方。
43.优选的，第二线圈4的外径不大于第一永磁体21的外径，能够避免第二线圈4形成方向相反的力源，导致形成相位差，声波在试件中传播或者反射时导致波形分叉、畸变。空心线圈3和第二线圈4通过插接口13分别连接不同的激励源，以能够同时激发较强且不分叉、不畸变的横波和纵波，更好的实现对螺栓轴力的精确测量。
44.进一步的，第一永磁体21的形状为实心的圆柱体或者沿第一永磁体21长度方向空心的圆筒体。当第一永磁体21的形状为实心圆柱体时，空心线圈3的内径大小受所测量的螺栓的材质和直径的影响；第一永磁体21的形状为沿第一永磁体21长度方向空心的圆筒体时，空心线圈3的内径大于或等于第一永磁体21的内径，能够避免空心线圈3相城方向相反的力源，导致形成相位差，声波在试件中传播或者反射时导致波形分叉、畸变。
45.优选的，第一永磁体21的外径与第二永磁体22的内径之差不超过1mm，第一永磁体21的外径与第二永磁体22的内径之差可以不做特别限制，使第二永磁体22能够将第一永磁体21套设即可，但使第二永磁体22的内径与第一永磁体21的外径之差不超过1mm能够避免误差导致第一永磁体21和第二永磁体22二者无法结合。
46.进一步的，外壳1形成有壳体11和盖体12，壳体11向上形成一开口，底部开设有探测口，即，上方开口和底部探测口相对设置；盖体12将壳体11上端设置的开口覆盖，前述的插接口13设置于外壳1沿磁体组件2长度方向的侧壁，插接口13处固定有一插接头，空心线圈3通过插接口13与插接头电性连接。
47.进一步的，电磁超声传感器还包括隔磁件5和耐磨片6，隔磁件5设置于磁体组件2和线圈之间，能够隔绝大部分线圈在交变电流下产生的磁场，从而减少线圈在交变电流下产生的磁场对磁体组件2产生的静磁场的影响。优选的，在磁体组件2的高度方向上，线圈的投影在隔磁件5上，即可在最大程度上减少线圈产生的磁场对磁体组件2产生静磁场的影响。优选的，隔磁件5可为1～6层的铜箔或导磁片。
48.耐磨片6设置于线圈下方，防止在反复检测过程中螺栓对线圈进行磨损，起到保护线圈的作用，耐磨片6为低导电和低导磁的陶瓷片或塑料片。耐磨片6可设置两层，待靠近探测口一侧的耐磨片6磨损需要更换时，可将耐磨片6直接从探测口取出，延长电磁超声传感器更换耐磨片6的时间，减少更换次数。
49.在安装时，通过壳体11上方的开口将耐磨片6、空心线圈3和/或第二线圈4、隔磁件5和磁体组件2依次放入壳体11内，再将盖体12覆盖于壳体11上方的开口。在测量时，设置于壳体11侧壁的插接口13相对于常规设置于外壳1顶部的插接口13，对测量时的使用场合高度限制较小。插接口13向内与空心线圈3电性连接，向外与为空心线圈3提供激励源的主机上的导线电性连接。
50.进一步的，空心线圈3可以采用漆包线绕制，也可以使用pcb工艺加工而成，其中pcb可以是柔性pcb也可以是常规pcb。
51.为了进一步优化本发明的实施效果，本实施例采用无闭合磁路(本发明方案)和有闭合磁路的方案进行实验，得到如图5、6所示的试件表面磁场强度分布图，图中可以看出有无闭合磁路对磁场强度几乎无影响。
52.除此之外，本实施例还对本实施例提供的传感器进行模拟实验，得到如图7所示的
纵波和横波强度图，具体参考数值及测量数值如表1所示。
53.表1
[0054][0055]
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0056]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电磁超声传感器，其特征在于，包括：磁体组件，包括第一磁体和第二磁体，所述第二磁体与所述第一磁体同轴线设置且套设于所述第一磁体外，所述第一磁体和所述第二磁体的磁场方向相反；空心线圈，设置于所述磁体组件下方，且与所述磁体组件同轴线设置，所述空心线圈的内径小于所述第一磁体的外径，外径大于所述第二磁体的内径；外壳，套设于所述磁体组件和所述空心线圈外，所述外壳设置有插接口，所述插接口与所述空心线圈电性连接。2.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述空心线圈的内径与外径之比为0.1～0.99。3.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述空心线圈的外径不大于所述第二磁体的外径。4.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述第一磁体的形状为实心的圆柱体或者沿所述第一磁体长度方向空心的圆筒体。5.根据权利要求4所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述第一磁体的形状为沿所述第一磁体长度方向空心的圆筒体时，所述空心线圈的内径大于或等于所述第一磁体的内径。6.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述磁体组件由永磁体组成或者电磁铁组成。7.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，还包括隔磁件，所述隔磁件设置于所述磁体组件和所述空心线圈之间。8.根据权利要求7所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述隔磁件为1～6层铜箔或导磁片。9.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，还包括耐磨片，所述耐磨片设置于所述空心线圈下方。10.根据权利要求1所述的电磁超声传感器，其特征在于，所述插接口设置于所述外壳沿所述磁体组件长度方向的侧壁。

技术总结
本发明提供一种电磁超声传感器，包括磁体组件、空心线圈和外壳，磁体组件包括第一磁体和第二磁体，所述第二磁体与所述第一磁体同轴线设置且套设于所述第一磁体外，所述第一磁体和所述第二磁体的磁场方向相反；空心线圈设置于所述磁体组件下方，且与所述磁体组件同轴线设置，所述空心线圈的内径小于所述第一磁体的外径，外径大于所述第二磁体的内径；外壳套设于所述磁体组件和所述空心线圈外，所述外壳设置有插接口，所述插接口与所述空心线圈电性连接。本发明提供的传感器的线圈横跨两个磁极，大大增强了纵波的强度。大大增强了纵波的强度。大大增强了纵波的强度。


技术研发人员：李永虔 李展鹏 许霁 吴勇锋 汪开灿
受保护的技术使用者：零声科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/9/23