本发明属于无损检测，涉及一种电磁超声换能器，尤其是涉及一种高温金属表面波电磁超声换能器设计方法。
背景技术：
1、电磁超声换能器(emat)在一些无损检测应用中尤其具有吸引力。emat不需要与样品耦合或接触，可以产生和检测多波模式。目前，许多emat在高温铸锻件的检测中存在强热辐射、大提离、超声波衰减系数大等问题，导致高温下emat换能效率低、回波信噪比低、分辨率差，限制了emat在高温铸锻件检测中的应用。
2、现阶段有研究者通过设计不同的冷却系统，来提升emat的耐高温性，现阶段的冷却方式有两种：水冷和风冷。水冷系统由于需要水泵、冷却器、管道阀门等组件，会使emat设备体积过大、过于沉重，增加系统的故障点。然而，目前存在的气冷系统由于腔体设计不合理，无法独立保障emat在高温工况下的性能。
3、现阶段高温emat的线圈可由手工缠绕或印刷电路板(pcb)加工而成，其中手工绕制的方法难以实现线路间距的精准控制，而导线间距会对超声信号的叠加效果造成很大影响，因此目前基本采用pcb工艺加工emat线圈。但是普通pcb基材制作的线圈难以在高温状态下生存。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于高温环境、可靠性高的高温金属表面波电磁超声换能器及其设计方法。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，所述超声换能器包括偏置磁场模组、气体冷却模组和pcb线圈模组，所述偏置磁场模组包括挂仓和设置于挂仓内的永磁铁，所述气体冷却模组包括金属腔体、前板和充气接口，所述金属腔体和前板组合为封闭结构，所述挂仓悬挂安装于金属腔体内，所述充气接口连接于金属腔体上，所述pcb线圈模组包括层叠设置的陶瓷盖板和陶瓷pcb回折线圈板，所述pcb线圈模组通过固定螺栓安装于金属腔体的底部，所述固定螺栓一端与金属腔体的顶部连接，另一端接触连接所述陶瓷盖板，以夹紧所述陶瓷盖板和陶瓷pcb回折线圈板；
4、所述设计方法包括以下步骤：
5、确定挂仓悬挂于上pcb线圈模组的间距；
6、陶瓷盖板与陶瓷pcb回折线圈板所需的夹紧程度，确定所述固定螺栓的旋入长度；
7、根据陶瓷pcb回折线圈板上回折线圈的折间距，计算确定所述超声换能器的最佳激发频率，实现波形畸变修正。
8、进一步地，所述最佳激发频率的计算具体包括：
9、根据磁场分布确定回折线圈中各导线激发的磁场相位偏移量：
10、
11、其中，为n号导线的相位偏移量，λ为波长，l为折间距，为相位偏移分量与导线所处的位置x之间的关系函数，f为频率；
12、从所有导线中选择两根导线作为代表整个线圈相位差的典型特征对，计算使这两根导线间的相位偏差为零的频率，作为所述最佳激发频率。
13、进一步地，选择边缘导线和中央导线作为所述代表整个线圈相位差的典型特征对。
14、进一步地，所述挂仓端部包括仓体部和设置于仓体部四角处的脚部，所述仓体部用于放置所述永磁铁，所述脚部的顶端通过销钉与金属腔体固定。
15、进一步地，所述前板上设置有用于穿过所述陶瓷pcb回折线圈板的引出信号线的bnc接头。
16、进一步地，所述金属腔体、前板和挂仓均由316l不锈钢材料3d打印制成。
17、进一步地，所述永磁铁采用钐钴材料制成。
18、进一步地，所述金属腔体底部设置有多个排气孔，所述排气孔为斜向上45°的通孔。
19、进一步地，所述陶瓷pcb回折线圈板包括带有玻璃釉阻焊层的氧化铝基材以及银导线。
20、本发明还提供一种高温金属表面波电磁超声换能器，采用如上所述的设计方法设计获得。
21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22、(1)本发明设计高温emat气冷腔体，永磁铁放置在悬置的挂仓当中，高温试样中的热量难以从挂仓中传递至永磁铁，有效隔绝了壳体对永磁铁温度的影响，从而降低了永磁铁的高温磁性能损失，在测量所需的温度范围内不会发生不可逆的磁性能损失。
23、(2)本发明在高温emat固定的回折线圈折间距的情况下，通过对激发频率进行调整，可以实现对波形畸变的修正，以在不同的温度下都能很好地实现表面波的收发。此外，根据本发明也可确定不同的提离情况下对应的中心频率，实现无波形畸变的高效的表面波激发。
24、(3)本发明设置充气接口和金属空腔，使用气冷的方式对高温磁铁进行降温，相较于水冷的方式，气冷系统拥有更轻便的体积，可以更方便地对emat进行降温，此外，还减小了因管道破裂漏液导致设备漏电的风险，该发明结构气冷方式可以降低emat顶部的温度，保证安装在该位置附近的bnc正常工作。排气孔均设计为斜向上45°的通孔，以减小外喷气流对emat四周铝板温度的影响。
25、(4)本发明通过使用陶瓷pcb工艺制作回折线圈板以及采用陶瓷盖板夹紧导线的方式，实现了高温emat线圈的制作与信号导通。相较于绕制线圈，pcb回折线圈的设计可以在更低成本的情况下，更准确、更方便地激发表面波。相较于普通pcb基材，本发明使用导热率最低的氧化铝作为基材，并使用玻璃釉作为阻焊层，银作为导线材料，从而使本发明在高温工况下，仍能够正常工作，依旧发挥pcb回折线圈的优势。相较于导线焊锡的连接方法，本发明使用采用陶瓷盖板夹紧导线的方式实现bnc导线与陶瓷pcb的硬连接，有效避免了在高温状态下，内部导线脱焊的情况。
1.一种高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述超声换能器包括偏置磁场模组、气体冷却模组和pcb线圈模组，所述偏置磁场模组包括挂仓和设置于挂仓内的永磁铁，所述气体冷却模组包括金属腔体、前板和充气接口，所述金属腔体和前板组合为封闭结构，所述挂仓悬挂安装于金属腔体内，所述充气接口连接于金属腔体上，所述pcb线圈模组包括层叠设置的陶瓷盖板和陶瓷pcb回折线圈板，所述pcb线圈模组通过固定螺栓安装于金属腔体的底部，所述固定螺栓一端与金属腔体的顶部连接，另一端接触连接所述陶瓷盖板，以夹紧所述陶瓷盖板和陶瓷pcb回折线圈板；
2.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述最佳激发频率的计算具体包括：
3.根据权利要求2所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，选择边缘导线和中央导线作为所述代表整个线圈相位差的典型特征对。
4.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述挂仓端部包括仓体部和设置于仓体部四角处的脚部，所述仓体部用于放置所述永磁铁，所述脚部的顶端通过销钉与金属腔体固定。
5.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述前板上设置有用于穿过所述陶瓷pcb回折线圈板的引出信号线的bnc接头。
6.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述金属腔体、前板和挂仓均由316l不锈钢材料3d打印制成。
7.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述永磁铁采用钐钴材料制成。
8.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述金属腔体底部设置有多个排气孔，所述排气孔为斜向上45°的通孔。
9.根据权利要求1所述的高温金属表面波电磁超声换能器设计方法，其特征在于，所述陶瓷pcb回折线圈板包括带有玻璃釉阻焊层的氧化铝基材以及银导线。
10.一种高温金属表面波电磁超声换能器，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的设计方法设计获得。
