具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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。

由于传统的压电超声相控阵探头难以满足高温在线、表面状况粗糙、打磨等工况的检测需求，而常规的电磁超声探头，只能进行单点检测，且无法进行声束的偏转控制，因而难以实现电磁超声探伤检测。基于此，本发明实施例提供一种电磁超声相控阵探头，以解决上述问题。

图1是根据本发明实施例的电磁超声相控阵探头的结构框图，如图1所示，该电磁超声相控阵探头包括：封装外壳1、相控阵换能单元2和磁性单元3，其中，相控阵换能单元2和磁性单元3设置在封装外壳1中，相控阵换能单元2包括多个线性排列的相控阵换能阵元21，相控阵换能阵元21(也可以被称为换能线圈或者阵元线圈)为沿中心线两侧对称的跑道型导电线圈，磁性单元3用于提供偏置磁场，覆盖于相控阵换能单元2上方，磁性单元的磁极方向与相控阵换能单元垂直。

通过采用多个跑道型导电线圈为相控阵换能阵元，可以较大地提高阵元换能效率，通过磁性单元提供偏置磁场，可以激发出偏转、聚焦等相控阵声束，相比于现有技术中的电磁超声探头，本发明实施例可以实现斜入射探伤检测。

为了更好地理解本发明实施例，以下结合附图来详细描述相控阵换能单元2和磁性单元3。

图2是根据本发明实施例的相控阵换能阵元21的示意图，如图2所示，相控阵换能阵元21为跑道型导电线圈，该线圈包括：位于中心线两侧的平行直线段导线211，以及连接平行直线段的连接段导线212。

具体而言，该阵元线圈的主体结构关于中心线对称，两侧具有平行的长直线段导线211，位于中心线两侧的平行直线段由两端的连接段导线212实现连接，连接段的形式任意，可以是半圆形、弧形、直线、波折线、尖角线等。从引线端输入电流，以中心线对称的单侧导线电流流向相同，而相对异侧导线的电流流向相反。单个阵元线圈的绕线匝数可以是1到N，N大于等于1。在实际操作中，线圈可以在空间上进行多层缠绕或叠加，层数可以是1到N，N大于等于1，具体N取值可以根据实际需求来定。

图3(a)、图3(b)是根据本发明实施例的相控阵换能单元2的示意图，如图所示，多个跑道型阵元线圈沿直线排列，以此形成电磁超声相控阵探头。该电磁超声相控阵探头的主要结构参数包括：单个阵元宽度为e、阵元中心间距为p、阵元间隙为g、阵元长度为h、阵元数量为N，其中，阵元数量N可以按实际情况设置(例如，大于6)。在激励各跑道型阵元线圈实现电磁超声相控阵检测时，各阵元通入的激励电流方式有两种，一种是相邻阵元线圈的激励电流方向相同，即所有阵元的激励电流方向相同，如图3(a)所示；另一种则是相邻阵元激励电流方向相反，如图3(b)所示。

在实际操作中，阵元线圈可通过印刷电路或绕制(手工、机器自动)等方式制作，其中，印刷电路可以是PCB(PrintedCircuitBoard，印制电路板)或者FPC(Flexible PrintedCircuit，柔性电路板)。

在本发明实施例中，磁性单元3为探头提供必需的偏置磁场。为了满足实际检测需求，阵元线圈的激励方式有两种，根据不同的激励方式，可以设置不同形式的磁性单元3来提供偏置磁场，以便在被检对象中激励产生所需的超声波。

为了实现超声横波激励，需要提供垂直于阵元线圈或被检工件表面的偏置磁场，同时为了便于实现电磁超声相控声场声束控制，可以采用的磁体形式包括：一种是单(个)磁体，另一种是多极磁体或周期性磁体。

具体而言，当各阵元线圈的激励电流方向被设置为相同时，磁性单元3可以是单(个)磁体。或者，磁性单元也可以包括多个组合磁体单元(例如，周期性磁体)，所述组合磁体单元包括磁极方向相反的两个磁体，这两个磁体分别覆盖相控阵换能阵元的中心线两侧，并且，组合磁体单元数量与相控阵换能阵元数量相同。

图4是根据本发明实施例的各阵元激励电流方向相同时磁性单元3为单(个)磁体的工作原理示意图，如图4所示，通过单磁体提供偏置磁场，单磁体位于相控阵换能线圈的正上方，覆盖整个相控阵换能线圈。对于跑道型阵元线圈而言，由于其左右两侧的电流流向不同，因而其在被测对象中感生出的涡流场流向也不同，在这种整体同方向的偏置磁场作用下，阵元线圈下方的区域经电磁耦合产生的力的方向是相反的。

图5是根据本发明实施例的由单磁体提供偏置磁场的电磁超声相控阵探头的结构示意图，如图5所示，该相控阵探头主要包括：以跑道型线圈为阵元的相控阵换能阵元51、单磁体52、连接器53、封装外壳54、保护耐磨层55、基座56。其中，磁体安装于基座上方，相控阵换能阵元51设置在基座下方。

在相控阵换能阵元下方设置有耐磨保护层，其结构可以为单层材料或多层材料复合结构，用于探头前端密封和保护阵元线圈以免损坏，其具有耐磨、阻热的功能，保护层厚度要求尽量薄，以满足相控阵探头与被检对象间的提离要求。保护层可以通过其他的方式设置以实现探头前端保护，如空间提离等。耐磨保护层可设置为耐高温保护层，以实现高温在线检测。

连接器53设置在封装外壳54上，相控阵换能阵元51通过信号线57与连接器的一端相连，连接器的另一端与外部信号线连接至仪器主机。

在实际操作中，连接器53为可选的，在探头实际设计中可以省去连接器。具体地，信号线的一端可以直接与阵元线圈引线相连，另一端则直接与仪器相连接。相控阵探头的各功能组件最终都集成封装于封装外壳内，实现整体密封和保护。

参见图5，基座56设置于线圈和磁体之间，可以是预定厚度，用于保持阵元线圈和磁体之间具有一定的间距，间距根据具体情况确定，其作用在于避免自激振荡，使线圈处于特定均匀的磁场里。基座的材质可以为非金属非磁性材料，可以是硬质材料也可以是软质材料。在实际操作中，基座为可选项，可以通过其他的方式获得线圈和磁体之间的间距。

优选地，在磁体靠近阵列线圈的一端设置有屏蔽膜，用于阻止线圈在磁体中感生涡流。该屏蔽膜可以设置在基座上。

图6是根据本发明实施例的由周期性磁体提供偏置磁场的电磁超声相控阵探头的工作原理示意图，如图6所示，各阵元线圈的激励电流方向被设置为相同，周期性磁体以磁极方向相反的两块磁体组成一个周期性磁体单元，为跑道型阵元线圈提供偏置磁场，两块磁体分别覆盖阵元线圈的中心线两侧。对于整个相控阵换能线圈而言，由与阵元数量相同的周期性磁体单元构成整个周期性磁体为所有阵元提供偏置磁场。在该周期性磁体的作用下，跑道型阵元线圈左右两部分在被检对象中通过电磁耦合产生的作用力方向相同。

图7为基于图6所示的电磁超声相控阵探头的结构示意图，如图7所示，其整体结构与单磁体结构相同，最大的区别之处在于提供偏置磁场的磁体为周期性磁体。

在一个实施例中，当相邻阵元线圈的激励电流方向被设置为相反时，磁性单元3可以包括多个单个磁体，所述单个磁体覆盖相邻相控阵换能阵元的激励电流方向相同的部分。

图8是根据本发明实施例的由周期性磁体提供偏置磁场的电磁超声相控阵探头的另一工作原理示意图，如图8所示，相邻阵元线圈的激励电流方向相反，相邻阵元线圈彼此靠近的两边的电流方向相同，如图中第一个阵元的右边和第二阵元的左边的电流方向相同。此时，设置的周期性磁体则是两个阵元相互靠近电流方向相同的部分共用一个磁体，而对整个相控阵探头两端的线圈分别单独用一个磁体提供阵元线圈一边的偏置磁场。

由图8可以看出，以单磁体作为周期性磁体单元时，相邻周期性磁体单元的磁极相反构成整个周期性磁体。其中，周期性磁体单元覆盖相邻阵元电流方向相同的部分，磁极垂直于阵元线圈平面。对于具有N个阵元的电磁超声相控探头，需要N+1个周期性磁体单元组成整个周期性磁体。

在具体实施过程中，磁体可以是硬质或软质磁体。采用硬质磁体，可以通过特殊定制来适应被检对象不同的表面形状(如平面、曲面)，而采用软质永磁体则可以使电磁超声相控阵适应不同表面形状的被检对象。如图9所示，为采用软质磁体91实现电磁超声相控阵探头的示意图，多个线形排列的阵元线圈92被设置为与被检测对象93表面匹配，软质磁体与整体阵元线圈形状匹配。在实际操作中，软质磁体可以适应具有复杂曲面的被检对象。

以下给出一个实例，在该实例中，分别给出由单磁体、周期性磁体提供偏置磁场的电磁超声相控阵探头的结构，基于这两个结构，进行仿真检测试验。在本实例中，磁体可以为周期性永磁体(Periodic Permanent Magnet，PPM)。

图10为根据本发明实施例的电磁超声相控阵探头的外观示意图，图11是根据本发明实施例的由单磁体提供偏置磁场的电磁超声相控阵探头的结构示意图，图12是根据本发明实施例的由周期性磁体117提供偏置磁场的电磁超声相控阵探头的结构示意图。

如图10-图12所示，以跑道型线圈为阵元的电磁超声相控阵探头主要包括：封装外壳111、相控阵换能线圈112、基座113、磁体114、连接器115、信号线116等。

在该实例中，电磁超声相控阵探头主要参数如下：

相控阵换能线圈参数为：阵元绕线匝数为4匝、阵元宽度2.86mm、阵元中心间距3.76mm、阵元数量为10、整体尺寸33.2mm。

单磁体参数为：宽24mm、高30mm、长44mm，基座厚1.5mm。

周期性磁铁参数为：磁体单元数量为20个，单元磁体尺寸为宽1.43mm、高30m、长24mm。

以下分别采用图11、图12所示的探头进行电磁超声相控阵声束控制仿真，其中，激励信号为3个周期汉宁窗调制正弦波，频率为1MHz，具体仿真结果如下：

(1)由如图11所示的单永磁体提供偏置磁场时，相控阵探头在工件中激励的超声波如下：

(a)相控阵偏转示意：通过设置延时法则，各通道延时，控制声束偏置45°，仿真结果如图13所示；

(b)相控阵聚焦示意：聚焦深度为30mm，通过设置延时法则，合成聚焦声束如图14所示。

(2)由如图12所示的周期性磁体提供偏置磁场时，相控阵探头在工件中激励的超声波如下：

(a)相控阵平面波示意：所有阵元同时激励，获得相控阵平面波，如图15所示；

(b)相控阵偏转示意：设置延时法则，实现相控声束偏转45°控制，仿真结果如图16所示。

(c)相控阵聚焦示意：聚焦深度为30mm，通过设置延时法则，合成聚焦声束如图17所示。

由以上描述可知，本发明实施例的电磁超声相控阵探头，由于采用了跑道型线圈作为相控阵探头阵元，较大地提高了阵元换能效率；本发明实施例的电磁超声相控阵探头，可以根据不同工况选择不同形式的磁体，从而可以满足现场检测不同工况的需求，通过设置延时法则，可以激发出平面、偏转、聚焦等相控阵声束，从而可以进行电磁超声线性相控阵缺陷成像检测。

可以理解的是，本发明中涉及到的磁体可以是永磁体或电磁铁，按照磁体磁极分布可以是单磁体、多极磁体或组合式周期性磁体，按照磁体的材质软硬可以是硬质或软质的磁体，本发明不限于此。

采用多极磁体实现电磁超声相控阵探头时，磁体的整体结构与单磁体相同，不同之处在于多极磁体具有多个磁极，形成周期性磁极，磁极的设置方式与周期性磁体相同。

本发明实施例还提供一种电磁超声检测方法，优选地，该方法应用上述的电磁超声相控阵探头对被检对象进行检测，通过电磁超声相控阵探头的多个跑道型阵元线圈，可以较大地提高阵元换能效率，通过磁性单元提供的偏置磁场，可以激发出偏转、聚焦等相控阵声束，可以实现电磁超声相控阵检测。

综上所述，本发明实施例提供了一种以跑道型线圈为阵元的电磁超声线性相控阵探头，相对于现有技术中的电磁超声探头，本发明实施例由于采用了多个跑道型阵元线圈，可以提高阵元换能效率；通过采用不同形式的磁体，可以满足现场检测不同工况的需求；并且，在实际操作中，通过设置延时法则，可以激发出平面、偏转、聚焦等相控阵声束，进行电磁超声线性相控阵缺陷成像检测，克服了现有的电磁超声探头无法应用探伤检测的技术问题。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、车载人机交互设备、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

本说明书实施例中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本说明书实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。