一种声波无损检测用磁致伸缩换能器

摘要

一种声波无损检测用磁致伸缩换能器，属于磁-声机械转换和声波无损检测技术领域。换能器包括：壳体、环氧树脂、电磁驱动线圈、磁致伸缩材料、输出连接杆、预紧力弹簧、预紧力锁紧螺母、O形密封胶圈、一体的振动输出块基座和振动输出块前端、换能器防水触发开关、防水电源卡座。具有单向性输出特性，可以提高换能器的输出振幅和输出能量。本发明中采用树脂灌封对关键材料进行保护，提高磁致伸缩材料的抗冲击和抗折性能。本发明的换能器具有防水、防潮能力，易制造、易维修，成本低，可用于基桩、锚杆、桥梁、建筑、混泥土结构件等的声波无损检测领域，能够适应野外作业环境。

权利要求

1.一种声波无损检测用磁致伸缩换能器，包括：壳体、环氧树脂、电磁驱动线圈、磁致伸缩材料、输出连接杆、预紧力弹簧、预紧力锁紧螺母、O形密封胶圈、连接为一体的振动输出块基座和振动输出块前端、换能器防水触发开关、防水电源卡座；其特征在于，具有一个上端开口、底端封闭的壳体(1)，其中，电磁驱动线圈(3)、磁致伸缩材料(4)装入壳体中，并用环氧树脂灌封(2)固定在壳体的底端；一端有台阶另一端有外螺纹的输出连接杆(5)中间套有预紧力弹簧(6)和中心有贯穿孔、外侧有螺纹的预紧力锁紧螺母(7)，输出连接杆(5)有台阶的一端与磁致伸缩材料(4)连接，螺纹端与振动输出块基座(9)连接；O形密封胶圈(8)安装在振动输出块基座(9)的密封槽中，并与壳体(1)内侧形成密封结构；振动输出块前端(10)与振动输出块基座(9)连接在一起；在壳体底端有一个换能器防水触发开关(11)和一个防水电源卡座(12)，电磁驱动线圈(3)和换能器防水触发开关(11)的电源线通过防水电源卡座与外接电源连接；壳体(1)内侧有一段螺纹结构，用于固定预紧力锁紧螺母(7)；换能器以脉冲方式发射，产生脉冲冲击波；或者以连续方式发射，产生连续振动波；用于基桩、锚杆、桥梁、建筑、混泥土结构件的声波无损检测。

2.按照权利要求1所述的换能器，其特征在于，电磁驱动线圈(3)、磁致伸缩材料(4)用环氧树脂灌封(2)固定在换能器壳体(1)中成为一体，形成对磁致伸缩材料固定和保护。

3.按照权利要求1或2所述的换能器，其特征在于：磁致伸缩材料(4)与壳体底端固定在一起的一端为固定端，与输出连接杆连接的一端为自由端；磁致伸缩材料(4)在电磁驱动线圈(3)磁场驱动下，沿棒轴向发生变形，通过自由端向与之连接的输出连接杆(5)输出一个位移，并带动振动输出块基座(9)和振动输出块前端(10)运动。

4.按照权利要求1所述的换能器，其特征在于，振动输出块前端(10)与被检测的物体接触，磁致伸缩材料(4)产生位移输出时，振动输出块前端产生一个运动输出，对被检测物体产生一个冲击，形成冲击声波，并导入被测物体中。

5.按照权利要求1所述的换能器，其特征在于，输出连接杆(5)一端为凸台，另一端为螺纹；振动输出块基座(9)一端中心有螺纹孔，另一端中心是螺杆；输出连接杆(5)通过螺纹与振动输出块基座(9)连接在一起；振动输出块基座(9)通过中心螺杆与振动输出块前端(10)连接在一起。

6.按照权利要求1所述的换能器，其特征在于，壳体为一端开口、一端封闭结构，具有防水能力的防水电源卡座(12)和换能器防水触发开关(11)位于壳体的封闭端；在壳体的开口端，通过振动输出块基座(9)上的密封槽、密封槽中O形密封胶圈(8)与壳体内侧形成动密封。

7.按照权利要求1所述的换能器，其特征在于：磁致伸缩材料(4)为Tb-Dy-Fe系磁致伸缩材料或Fe-Ga系磁致伸缩材料、Fe-Ga-Al系磁致伸缩材料中的一种。

8.按照权利要求1所述的换能器，其特征在于：电磁驱动线圈(3)是由带绝缘层或保护层的铜线绕制成的；壳体(1)、输出连接杆(5)、预紧力锁紧螺母(7)、振动输出块基座(9)材料为不锈钢；振动输出块前端(10)材料为不锈钢、钛合金、硬铝、尼龙、工程塑料中的一种。

说明书

一种声波无损检测用磁致伸缩换能器

技术领域

[0001] 本发明属于磁-声机械转换和声波无损检测技术领域，特别是提供了一种声波无损检测用磁致伸缩换能器。适用于基桩、锚杆、桥梁、建筑、混泥土结构件等的声波无损检测。

背景技术

[0002] 上世纪六十～七十年代开发出的Tb-Dy-Fe系超磁致伸缩材料以及近年发现的Fe-Ga系、Fe-Ga-Al系磁致伸缩材料在外磁场作用下能够产生磁致应变和力输出现象，是用于驱动器件和声换能器件的重要机电转换材料。另一类应变材料是压电陶瓷材料，它能够在外电场作用下产生电致伸缩和力输出现象，也是用于驱动器和声换能器的重要机电转换材料。与压电陶瓷材料相比，磁致伸缩材料，特别是Tb-Dy-Fe系超磁致伸缩材料具有比压电陶瓷材料更高的应变系数和更大的输出力，其应变系数是压电陶瓷的4～5倍，而且输出力也远大于压电陶瓷。并且磁致伸缩材料不需要预极化，不会发生因过热而产生材料失效，导致应用器件和设备的失效问题，因此具有很好的温度可靠性。而压电陶瓷是需要预极化的，当温度升高后，预极化场会逐渐消退，材料的电致伸缩性能会减弱和消失，最终导致应用仪器和设备失效。此外，与压电陶瓷材料相比，磁致伸缩材料具有更好的机械力学特性，特别是Fe-Ga系、Fe-Ga-Al系磁致伸缩材料具有很好的可加工性，可以通过机械和轧制加工成各种形状或薄带，而压电陶瓷材料不具有这样的可加工性。

[0003] 在公路、桥梁、大坝、房屋建筑等的无损检测领域，声波技术检测基桩、锚杆、混泥土结构件等的形状、长度尺寸、钢筋分布以及内部离析、裂纹、钢筋锈蚀等缺陷已经得到广泛的应用。在工程勘探领域，声波检测技术也得到广泛的应用，如井间测量、地质结构探测等。在声波检测技术中都涉及到产生声波的声源。这些声源分为由磁致伸缩或电致伸缩驱动器或换能器产生的可控声源，和由人工锤击、电火花、爆炸等产生的不可控声源。不可控声源虽然功率大，传播距离远，但它的破坏性、不可重复性、不稳定性以及无法测量声时等使其应用受到限制，并有逐渐被取代的趋势。以磁致伸缩材料或电致伸缩材料为驱动部件的驱动器或换能器不仅能够发射音频、超声，还能发射脉冲波，而且发射性能稳定，重复性好、无破坏性的特点。由于可以采用计算机控制触发，因此除了能够获得声传播数据外，还能够获得声时测量数据，使得检测信息更加丰富和稳定，提高了声波无损检测的可靠性。驱动器或换能器的发声原理是通过其中的磁致或电致应变材料在交流或脉冲磁场或电场作用下产生形变震荡，使驱动器或换能器发出声波或输出振动来完成电声转换过程的。当驱动器或换能器中输入的是交流电源时，它发出连续声波，而当输入是瞬时脉冲电源时，驱动器或换能器输出一个脉冲振动。

[0004] 磁致伸缩材料与电致伸缩材料的驱动器或换能器相比，由于磁致伸缩材料具有应变系数大、输出力大、能量密度高、声速低等特点，磁致伸缩驱动器或换能器可以做到更大的输出功率，更小的换能器尺寸。此外，磁致伸缩材料的形变采用的是线圈磁场驱动，驱动电压低，而压电陶瓷材料的形变采用的是电场驱动，驱动电压达到千伏以上，绝缘和抗爆防护要求更高，对野外检测作业电源的要求也高。因此磁致伸缩驱动器或换能器在声波无损检测，特别是大尺寸的检测具有更好的表现。

[0005] 中国发明专利申请号00128871.7公开了一种超声换能器，该换能器用于超声流量计/或超声流量测量。发明的特征是换能器采用压电陶瓷电致应变材料作为驱动元件，具有相对位置(间距)固定的一个顶端质量和一个末端质量，中间是可自由运动的振动质量，振动质量两侧是极性相反布置的压电陶瓷驱动元件等构成。在外加电场作用下，一侧的压电陶瓷元件伸长，另一侧的压电陶瓷元件缩短，并且一侧陶瓷元件的伸长量与另一侧陶瓷元件的缩短量完全相等，以保持顶端质量和末端质量相对位置固定不变。由于振动质量为自由结构，换能器不会因末端质量上安装有负载质量而改变换能器的阻抗和谐振特性。能够解决换能器的稳定性和电源匹配的稳定性问题。但作为以压电陶瓷为驱动材料，存在输出功率小、输出振幅小，驱动电压高等问题，在防水、绝缘处理上也存在一定的问题，只能用于流量检测等小功率的声波检测领域。

[0006] 中国发明专利03118251.8，公开了一种稀土超磁致伸缩多功能测井声波发射震源。该振源是一种采用磁致伸缩材料驱动的换能器，属于弯张性换能器中的一种。它具有作为发声板的两个半圆形棒，中间夹持一个磁致伸缩元件，通过螺钉将两个半圆形的棒组合在一起，夹紧中间沿棒径向放置的磁致伸缩元件，形成圆柱状结构。当通过驱动线圈对磁致伸缩元件施加驱动磁场时，磁致伸缩材料产生形变，使夹持磁致伸缩元件的半圆形棒发声板产生弯张变形，发出声波。在该结构的换能器中，对磁致伸缩材料的预应力的施加是通过螺钉固定两个半圆形棒(发声板)调整对磁致伸缩材料的预紧力，采用这种结构是无法控制预紧力的大小。磁致伸缩材料的应变特性及换能器的输出特性与磁致伸缩材料的压力(预紧力)有关。在该发明的换能器中，一方面是磁致伸缩材料的预紧力的不同，使换能器的性能不同，另一方面，磁致伸缩材料在工作状态，材料的形变导致尺寸变化，使磁致伸缩元件的预紧力发生变化，换能器的性能也会变化。此外，这种结构需要采取特殊的包覆密封结构，才能具有防水的能力。这种结构的换能器由于输出的振幅小，只能用于连续发射的声换能器。

[0007] 中国实用新型专利ZL99217062.1公开了一种超磁致伸缩地面声波发射换能器，采用磁致伸缩材料作为驱动源，属于夹心式换能器中的一种。换能器由磁致伸缩棒、前盖板和固定在前盖板上的前辐射块、压块、穿过压块对磁致伸缩材料施加预紧力的拉杆以及外壳等组成。这种结构通过外壳能够实现换能器的防水密封保护，但密封点多、结构比较复杂。换能器中对磁致伸缩材料棒的预紧力施加是采用两根刚性的拉杆上的螺母旋紧，通过压块对磁致伸缩材料施加预紧力，由于两根拉杆的拉紧力无法控制，一方面是不能控制预紧力的大小，另一方面是不能保证两根拉杆的拉紧力一致，导致压块不平衡，因此在这种预紧力结构中，不仅不能控制磁致伸缩材料的预紧力，而且由于压块的不平衡使磁致伸缩材料受到剪切力，很容易导致磁致伸缩材料破损。同样，这种刚性结构的预紧力施加方式，在工作中会使磁致伸缩磁材料预紧力发生变化，使换能器的性能不稳定。用于声波无损检测的驱动器或换能器，一般要求其输出为单向输出，也就是与被检测对象接触的一端为换能器的输出端，换能器的振动或声发射只从该端发射出来，而另一端无输出或输出小，这样能够提高换能器的效率。而在上述换能器结构中，在拉杆的限制下，磁致伸缩材料的形变，一方面向压块输出，另一方面向前盖板和前辐射块输出，因此前辐射块获得的形变输出只占磁致伸缩材料形变的一部分，换能器的能量损耗大，效率低。

[0008] 中国实用新型专利ZL200620079516.0，公开了一种超磁致伸缩稀土纵振换能器，采用磁致伸缩材料作为驱动源，属于磁致伸缩夹心式换能器中的一种。该换能器的结构特征是磁致伸缩材料和驱动线圈安装在一个壳体中，壳体的外部是一个施加预紧力的圆柱螺旋压缩弹簧，换能器外壳中有一个镶嵌在外壳上的固定块，固定块上有若干个预紧螺钉，通过预紧螺钉顶压压块对磁致伸缩材料施加预紧力。同样在该换能器的结构中无法控制预紧力的大小，换能器的一致性不好，而且在多个螺钉顶压中不能保证压块的平衡，容易使磁致伸缩材料受力不均衡，并使材料受到剪切力，易导致材料受损，使换能器失效。该换能器结构复杂，体积较大，也没有防水结构。

[0009] 美国专利USP5510660公开了一种磁致伸缩振动发生系统，采用的形变材料为稀土超磁致伸缩材料(美国商品名Terfenol-D)。该换能器也称驱动器，具有两类形式，一类是双向输出，一类是单向输出。单向输出方式是在双向输出基础上，将一端固定，使换能器的输出向另一端输出，其结构原理没有改变。该换能器也属于夹心式换能器中的一种，它的特征结构中包括磁致伸缩材料(产生形变)、永磁体(产生静态偏置磁场)、线圈(产生驱动磁场)、预紧力弹簧(对磁致伸缩材料施加预紧力)、弹簧座(与磁致伸缩材料连接，向磁致伸缩材料传递预紧力，并将磁致伸缩材料的形变传递出来)、振动质量块、壳体、基座等。磁致伸缩材料的预紧力的施加过程是通过带有螺纹结构的弹簧调整块(双向输出方式)或螺杆(单向输出方式)和带有螺纹结构的壳体调整相对位置来实现。在预紧力调节中都不能实现对预紧力大小的准确控制或测量，因此施加在磁致伸缩材料的预紧力是不能完全确定的，导致材料的输出性能的不确定性，由此换能器或振动系统的一致性不能保证。此外，该换能器作为工业振源，对防水没有特殊要求，因此在结构中也没有防水密封结构。作为驱动源的稀土超磁致伸缩材料是一种脆性的金属间化合物，材料的抗折强度小于25MPa，在长时间的振动或冲击条件下容易破碎，导致换能器损坏。在该发明的结构中也没有对材料的保护机构。

[0010] 因此，存在一种对现有技术和发明改进的技术要求，为无损检测提供高性能、高一致性、高可靠性，具有防水功能，满足野外作业环境要求的换能器。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种声波无损检测用磁致伸缩换能器。

[0012] 一是，提供一种单向输出结构的磁致伸缩换能器，磁致伸缩材料的一端为固定端，另一端是自由端，磁致伸缩材料产生形变伸缩时，只向一端输出伸缩位移，提高换能器的输出振幅和能量，降低能量损耗。

[0013] 二是，提供一种预紧力可控制和调整，对磁致伸缩材料施加预紧力均衡，不产生剪切力的预紧力施加机构，并能保持磁致伸缩材料工作时预紧力稳定的方法，采用该方法可以稳定换能器性能、提高换能器性能一致性。

[0014] 三是，提供一种对换能器中磁致伸缩材料的保护方法，特别是对稀土超磁致伸缩材料的保护，使磁致伸缩材料在长期的冲击振动工作或换能器受到意外撞击时，能保护磁致伸缩材料不损坏，提高换能器的可靠性。

[0015] 四是，提供一种具有防水、防潮能力，并且结构简单的换能器，以适应野外各种作业环境。

[0016] 五是，提供一种脉冲式、连续式振动和声波发生磁致伸缩换能器，用于基桩、锚杆、桥梁、建筑、混泥土结构件等的声波无损检测。

[0017] 本发明的磁致伸缩换能器包括：壳体、环氧树脂、电磁驱动线圈、磁致伸缩材料、输出连接杆、预紧力弹簧、预紧力锁紧螺母、O形密封胶圈、一体的振动输出块基座和振动输出块前端、换能器防水触发开关、防水电源卡座。具有一个一端开口(上端)、一端封闭(底端)的壳体，其中电磁驱动线圈、磁致伸缩材料棒装入壳体中，并用树脂灌封固定在壳体的底端；带有台阶的输出连接杆中间套有预紧力弹簧和中心有贯穿孔的预紧力锁紧螺母，输出连接杆有台阶的一端与磁致伸缩棒连接，另一端与振动输出块基座连接；O形密封胶圈安装在振动输出块基座的密封槽中，并与壳体内侧形成密封结构；振动输出块前端与振动输出块基座连接在一起；在壳体底端有一个防水触发开关和一个防水电源卡座，电磁驱动线圈和防水触发开关的电源线通过卡座与外接电源连接；换能器壳体内侧有一段螺纹结构，用于固定预紧力锁紧螺母。

[0018] 换能器可以脉冲方式发射，产生脉冲冲击波；也可以连续方式发射，产生连续振动波。

[0019] 电磁驱动线圈、磁致伸缩材料棒用环氧树脂灌封固定在换能器壳体中成为一体，形成对磁致伸缩材料棒固定和保护。

[0020] 按照本发明的磁致伸缩换能器结构，作为脉冲发射换能器时，换能器后端安装的防水触发开关，能够方便使用中的操作。

[0021] 按本发明的磁致伸缩换能器其振动输出具有单向性，也就是磁致伸缩材料的伸缩只朝一端输出。换能器中磁致伸缩材料安装时通过树脂灌封固定在换能器壳体的底端，使磁致伸缩材料的一端与壳体连接为一体成为磁致伸缩固定端，而磁致伸缩材料棒的另一端为自由端。当磁致伸缩材料在驱动磁场作用下沿棒轴向发生伸缩变形时，磁致伸缩材料只沿自由端方向输出伸长或缩短。通过与磁致伸缩材料自由端连接的输出连接杆将应变传出，并带动振动输出块基座和振动输出块前端振动。采用本发明的这种结构可以避免磁致伸缩材料的应变沿棒的两端输出，减小换能器的输出振幅和输出能量现象。

[0022] 振动输出块前端与被检测的物体接触，磁致伸缩材料棒产生位移输出时，振动输出块前端产生一个运动输出，对被检测物体产生一个冲击，形成冲击声波，并导入被测物体中。

[0023] 输出连接杆一端为凸台，另一端为螺纹；振动输出块基座一端中心有螺纹孔，另一端中心是螺杆；输出连接杆通过螺纹与振动输出块基座连接在一起；振动输出块基座通过中心螺杆与振动输出块前端连接在一起。

[0024] 振动输出块前端与振动输出块基座可以是一体。

[0025] 按本发明的磁致伸缩换能器可以根据设计参数控制和调整磁致伸缩材料预紧力，使磁致伸缩材料在最佳的预紧力下工作。此外，在本发明的换能器结构中采用弹簧和输出连接杆预紧力结构模式，在磁致伸缩材料最大应变范围内，由于材料的伸长或缩短导致弹簧压缩量的变化十分微小，因此弹簧的预应力变化也非常小，不会对磁致伸缩材料的性能影响，因而能够稳定换能器的性能。具体实现预紧力施加和调整方法是，分别将预紧力弹簧和预紧力锁紧螺母通过输出连接杆的螺纹端套入输出连接杆(5)，再用辅助调整螺母拧紧，形成预紧力组件，测量压缩后的弹簧高度，计算出弹簧的压缩力，此压缩力值除于磁致伸缩材料的横截面积，即为安装后磁致伸缩材料预紧力；将上述预紧力组件通过预紧力锁紧螺母和换能器壳体内螺纹拧入壳体中，直到输出连接杆与磁致伸缩材料棒自由端面接触止，松开输出连接杆上的辅助调整螺母，释放弹簧力，对磁致伸缩材料施加预紧力。

[0026] 按本发明的磁致伸缩换能器中，具有对磁致伸缩材料的保护能力，避免磁致伸缩材料在振动冲击和意外撞击下破损。磁致伸缩材料，特别是具有最大磁致伸缩特性的稀土超磁致伸缩材料属于脆性金属间化合物，材料的抗折强度非常低，不能够承受撞击，极易破碎。在本发明中，采用环氧树脂对材料进行保护，通过树脂灌封增强材料抗冲击和抗折能力。具体实现过程是将电磁驱动线圈、磁致伸缩材料棒安装到换能器壳体中，将换能器壳体开口端朝上，使线圈和磁致伸缩棒与壳体底端接触，向壳体中灌入环氧树脂，树脂的灌入量为略低于磁致伸缩棒的自由端面，待树脂固化后磁致伸缩材料、驱动线圈和壳体即被固化成为一体。固化的树脂将磁致伸缩材料包覆住并形成对磁致伸缩材料棒的保护。

[0027] 按本发明的磁致伸缩换能器具有防水、防潮结构。换能器壳体为一端开口、一端封闭结构，在封闭端上的接线卡座和触发卡座都选用具有防水能力的卡座。在换能器壳体的开口端，通过振动输出块基座上的密封槽、密封槽中O形密封胶圈圈与壳体内侧形成动密封，能够实现防水、防潮。

[0028] 本发明的磁致伸缩换能器中的驱动材料为磁致伸缩材料，磁致伸缩材料在外磁场作用下能够产生形状变化和输出力。特别是对于具有晶体取向结构的磁致伸缩材料，不仅磁致伸缩性能高、磁化场低，而且在预应力条件下磁化能够产生磁致伸缩“Jump”效应。本发明中所选磁致伸缩材料为Tb-Dy-Fe系稀土超磁致伸缩材料、Fe-Ga系巨磁致伸缩材料、Fe-Ga-Al系巨磁致伸缩材料中的一种，特别优选Tb-Dy-Fe系稀土超磁致伸缩材料。

[0029] 本发明的换能器中其它部件材料的优选方案是，绕制电磁驱动线圈选用带绝缘层或保护层的铜线，换能器壳体、输出连接杆、预紧力锁紧螺母、振动输出块基座材料优选不锈钢材料，振动输出块前端材料选用不锈钢、钛合金、硬铝、尼龙、工程塑料中的一种，O形密封圈优选耐久性较好的硅橡胶或氟橡胶。

[0030] 本发明的磁致伸缩换能器中，振动输出块前端与被检测的物体接触，在电磁驱动线圈)磁场驱动下，磁致伸缩材料棒产生位移输出，振动输出块前端产生一个振动输出，对被检测物体产生一个冲击，形成冲击声波，并导入被测物体中。当电磁驱动线圈中输入的是脉冲电流时，换能器以脉冲方式发射，产生脉冲冲击波。当电磁驱动线圈中输入的是连续交流电流时，换能器以连续方式发射，产生连续振动波。

[0031] 本发明的换能器具有许多重要的优点。首先是换能器的输出单向性，由于磁致伸缩材料的一端与换能器壳体的底端采用树脂粘接固定在一起，成为一体，磁致伸缩材料的形变输出只沿另一端输出，可以提高换能器的输出振幅和输出能量，比目前螺杆预紧双向输出的换能器输出振幅能够提高一倍，输出能量能够提高40％以上。其次是换能器中磁致伸缩材料预紧力能够控制和调节，通过辅助预紧力施加装置，可以准确测量和控制预紧力，因此能够按照设计对磁致伸缩材料施加最佳预紧力，并且在本发明的预紧力结构中还解决了换能器使用中预紧力变化以及预紧力施加不正对材料产生剪切力的问题，能够稳定换能器的性能，提高换能器的一致性。第三，本发明中采用树脂灌封形成对关键材料的保护，特别是对于磁致伸缩性能高、但机械性能差的稀土超磁致伸缩材料形成保护，提高磁致伸缩材料的抗冲击和抗折性能，关键材料不易损坏，提高了换能器的可靠性。第四，本发明的换能器结构简单，并具有动密封，具有防水、防潮能力，易制造、易维修，成本低，能够适用于野外作业环境。

[0032] 本发明的换能器可用于基桩、锚杆、桥梁、建筑、混泥土结构件等的声波无损检测，并不仅限制于这些领域的应用。

附图说明

[0033] 图1是优选的换能器之一的结构图。其中，一端开口的壳体1、环氧树脂2、电磁驱动线圈3、磁致伸缩材料4、输出连接杆5、预紧力弹簧6、预紧力锁紧螺母7、O形密封胶圈8、振动输出块基座9、振动输出块前端10、防水电源卡座12。

[0034] 图2是优选的换能器之二的结构图。其中，一端开口的壳体1、环氧树脂2、电磁驱动线圈3、磁致伸缩材料4、输出连接杆5、预紧力弹簧6、预紧力锁紧螺母7、O形密封胶圈8、振动输出块基座9、振动输出块前端10、换能器防水触发开关11、防水电源卡座12。

[0035] 图3是优先的换能器之二的分解图。

[0036] 图4是优先的换能器之三的结构图。其中，一端开口的壳体1、环氧树脂2、电磁驱动线圈3、磁致伸缩材料4、输出连接杆5、预紧力弹簧6、预紧力锁紧螺母7、O形密封胶圈8、一体的振动输出块基座和振动输出块前端9、换能器防水触发开关11、防水电源卡座12。

[0037] 图5预紧力测量与控制结构图。其中，输出连接杆5、预紧力弹簧6、预紧力锁紧螺母7、预紧力调整辅助螺母13。

[0038] 图6预紧力弹簧压缩量与与弹簧张力关系曲线图。

[0039] 图7优先方案实施例换能器频率响应输出特性图。

[0040] 图8低应变反射波法桩基检测结果图

具体实施方式

[0041] 附图显示仅用于说明目的的本发明的各种优先实施例。专业技术人员从以下的讨论中描述的结构和方法可以替换实施例，但不背离本发明的原理。

[0042] 实施例1

[0043] 图1显示了本发明换能器的一种实施例结构示意图。该换能器由一个一端开口(上端)、一端封闭(底端)的壳体1，其中电磁驱动线圈3、磁致伸缩材料棒4装入壳体中，并用树脂灌封2固定在壳体的底端；一端有台阶另一端有外螺纹的输出连接杆5中间套有预紧力弹簧6和中心有贯穿孔的预紧力锁紧螺母7，输出连接杆的台阶端与磁致伸缩棒4连接，螺纹端与振动输出块基座9连接；O形密封胶圈8安装在振动输出块基座9的密封槽中，并与壳体1内侧形成密封结构；振动输出块前端10与振动输出块基座9连接在一起；在壳体底端有一个防水电源卡座12，电磁驱动线圈3的电源线通过卡座与外接控制电源连接。换能器中核心振源材料选用Fe-Ga系磁致伸缩棒材，材料的成分是Fe81Ga19，为轴向[100]方向生长的取向多晶材料，材料的尺寸为直径：10毫米，长度120毫米。其它材料选用的分别是：电磁驱动线圈3选用带绝缘层铜质高温漆包线，换能器壳体1、输出连接杆5、预紧力锁紧螺母7、振动输出块基座9材料为不锈钢材料，振动输出块前端10为可更换式，分别选用了尼龙和不锈钢材料，O形密封圈8为硅橡胶。装配时首先将驱动线圈和磁致伸缩材料置于壳体内底端，并保持驱动线圈、磁致伸缩材料、壳体同心，灌入预先调制好的环氧树脂，为提高树脂的粘接强度，可以在树脂中加入3％的氧化铝粉，灌入树脂量不能超过磁致伸缩棒的顶端(自由端)，在80～120℃下固化。预紧力弹簧为4片B16蝶簧，按照图
5所示的方式，将4片蝶簧两两对称套入输出连接杆上，再分别套入预紧力锁紧螺母和预紧力调整辅助螺母，拧紧辅助调整螺母压缩弹簧，用卡尺测量弹簧的压缩后高度，根据弹簧压缩量～弹簧张力曲线计算弹簧张力，直到调整到设计的张力为止。在本实施例中弹簧的张力(预紧力)设计为125±6.25公斤。通过预紧力锁紧螺母的外螺纹和壳体的内螺纹将预紧力机构装入换能器壳体中，直到输出连接杆的台阶与磁致伸缩材料的自由端面接触为止，然后松开并撤出预紧力调整辅助螺母，此时弹簧张力全部施加到磁致伸缩材料上了。将O形密封圈装入振动输出块基座的密封槽中，装入前可以在密封圈表面涂抹一层密封油脂，如真空脂等，然后通过输出连接杆上的螺纹和振动输出块基座中心孔的螺纹连接将带有密封圈的振动输出块基座装入壳体中。再将振动输出块前端通过中心螺纹孔与振动输出块基座的螺纹杆将两者连接在一起。最后装入接线卡座。完成的换能器为远程控制脉冲发射换能器，主要性能指标如下：发射脉宽5毫秒，脉冲功率18KW。

[0044] 实施例2

[0045] 图2和图3显示了本发明换能器的另一种实施例结构和分解示意图。该换能器由一个一端开口(上端)、一端封闭(底端)的壳体1，其中电磁驱动线圈3、磁致伸缩材料棒4装入壳体中，并用树脂灌封2固定在壳体的底端；一端有台阶另一端有外螺纹的输出连接杆5中间套有预紧力弹簧6和中心有贯穿孔的预紧力锁紧螺母7，输出连接杆的台阶端与磁致伸缩棒4连接，螺纹端与振动输出块基座9连接；O形密封胶圈8安装在振动输出块基座9的密封槽中，并与壳体1内侧形成密封结构；振动输出块前端10与振动输出块基座9连接在一起；在壳体底端有一个防水电源卡座12和一个防水触发开关11，电磁驱动线圈3和防水触发开关11的电源线通过卡座12与外接控制电源连接。换能器中核心振源材料选用Fe-Ga-Al系磁致伸缩棒材，材料的成分是Fe80Ga17Al3，为轴向[100]方向生长的取向多晶材料，材料的尺寸为直径：12毫米，长度140毫米。其它材料选用的分别是：电磁驱动线圈3选用带绝缘层铜质高温漆包线，换能器壳体1、输出连接杆5、预紧力锁紧螺母7、振动输出块基座9材料为不锈钢材料，振动输出块前端10为可更换式，分别选用了尼龙和钛合金材料，O形密封圈8为氟橡胶。预紧力设计为180±9公斤，选用4片A16蝶簧作预紧力弹簧。换能器的装配过程是首先将驱动线圈、磁致伸缩棒材装入换能器壳体中，灌入环氧树脂固结，固化后再通过壳体的开口端装入预紧力机构、O形密封圈、振动输出块基座、振动输出块前端，在壳体的底端装入防水密封电源卡座和触发开关。该实施例换能器为自触发脉冲发射换能器，换能器的主要性能指标为：发射脉冲宽度6毫秒，脉冲功率25KW。

[0046] 实施例3

[0047] 图4显示了本发明换能器的第三种实施例结构示意图。该换能器由一个一端开口[0048] (上端)、一端封闭(底端)的壳体1，其中电磁驱动线圈3、磁致伸缩材料棒4装入壳体中，并用树脂灌封2固定在壳体的底端；一端有台阶另一端有外螺纹的输出连接杆5中间套有预紧力弹簧6和中心有贯穿孔的预紧力锁紧螺母7，输出连接杆的台阶端与磁致伸缩棒4连接，螺纹端与振动输出块9连接；O形密封胶圈8安装在振动输出块9的密封槽中，并与壳体1内侧形成密封结构；在壳体底端有一个防水电源卡座12和一个防水触发开关11，电磁驱动线圈3和防水触发开关11的电源线通过卡座12与外接控制电源连接。换能器中核心振源材料选用Tb-Dy-Fe系稀土超磁致伸缩棒材，材料的成分是Tb0.27Dy0.73Fe1.95，为轴向[112]方向生长的取向多晶材料，材料的尺寸为直径：15毫米，长度120毫米。其它材料选用的分别是：电磁驱动线圈3选用铜质丝包线，换能器壳体1、输出连接杆5、预应力锁紧螺母7、振动输出块9材料为不锈钢材料，O形密封圈8为氟橡胶。预紧力设计为140±7公斤，选用4片B20蝶簧作预紧力弹簧。换能器的装配过程是首先将驱动线圈、磁致伸缩棒材装入换能器壳体中，灌入环氧树脂固结，固化后再通过壳体的开口端装入预紧力机构、O形密封圈、振动输出块，在壳体的底端装入防水密封电源卡座和触发开关。该实施例换能器为脉冲发射和连续发射双功能换能器，触发方式分为自触发和外触发，当脉冲发射时采用外触发，连续发射时可以自触发或外触发。图7是该实施例换能器频率响应特性。连续发射时可选择频率5.4kHz或10.4kHz。换能器的主要性能指标为：脉冲发射时：发射脉冲宽度5毫秒，脉冲功率35kW；连续发射时：发射频率5.4kHz或10.4kHz，最大发射功率8kW。

[0049] 实施例4

[0050] 图8是采用实施例3换能器进行混泥土桩基检测实例。测试的桩基为直径1.2米，长度20米。换能器采用脉冲方式发射，自触发，发射脉冲功率35kW。

[0051] 本发明内容和实施例的描述，提供了一种磁致伸缩换能器。以上讨论仅仅揭示和描述本发明的示例性方法和实施例，并不局限于所描述的实施例与改进。本领域的技术人员将会看到，本发明可以以其它具体形式实现而不背离本发明的权利内容。