CN102662003A - 一种全向sh导波电磁超声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种全向SH导波电磁超声换能器，包括带开口的圆环状铁镍合金带，合金带使用永磁体或电磁铁预磁化，合金带的一面粘贴有回折线圈，回折线圈的端部位于合金带的开口处，回折线圈中每条导线为单匝导线或者2～4分裂的分裂式导线，回折线圈中相邻导线中心之间的径向距离d＝λ/2，其中λ为所使用SH导波模式在当前频率f下的波长，本发明适用于包括导电和非导电材料在内的各种均匀、各向同性弹性板结构的缺陷检测和健康监测。
Description
技术领域
本发明属于板材缺陷检测和健康监测技术领域，特别涉及一种全向SH导波电磁超声换能器。
背景技术
在各行各业中普遍应用板材构建建筑结构和设施，这些板材在出厂前可能包含生产过程中引发的缺陷，在出厂并经过长时间的使用之后也可能产生由环境和应力疲劳等因素引起的各种缺损，有必要对这些板结构中可能含有的缺陷进行及时的主动检测，从而避免缺损进一步扩大甚至是发生断裂，确保由其建立的建筑和设施的完整性，保障人们生产和生活的安全顺利进行。此外，也可考虑采用长期监测机制持续关注板结构的健康状况，更全面地掌握结构件在服役全过程的演变情况，进而预测其使用寿命。结构件缺陷检测和结构健康监测通常采用无损检测方法，而基于超声导波的检测方法又以其在一点检测结构一条线的快速、高效的优点而受到人们的关注。
与传统的激励超声体波的情况相似，目前用于激励超声导波的换能器多为压电换能器，这种换能器自成体系生成超声波，之后超声波依赖液体耦合介质的辅助传播到被测构件中去。这种对于耦合介质的需求，以及使用压电换能器难以激励横波的特点，使得压电换能器的应用受到限制。鉴于此种情况，人们根据电磁场的力学效应发明了电磁超声换能器(EMAT)。在EMAT中，偏置磁场、高频电流线圈和被测导电结构构成了三个组成部分，依靠电磁效应直接在被测构件中激励出超声波，因而通常具有非接触、无需耦合的重要优点。在具体的电磁-力转化机理方面，EMAT通常基于洛伦兹力和磁致伸缩效应。在导电非铁磁材料中只有洛伦兹力，在铁磁材料中通常两种效应都存在，且磁致伸缩效应占主导地位。
发明专利“一种管道轴向超声导波换能探头”(专利号：ZL 201010122670.2)涉及一种用于管道缺陷检测的磁致伸缩式超声导波换能器结构，换能器线圈采用多组线圈带构成，并且线圈带与管道轴向成45°角，周向的偏置磁场由预磁化的铁磁性带提供。该发明中的换能器在管道中激励轴向传播的T类型的超声导波，即导波传播具有方向性。
《仪器仪表学报(2010.6，v31n6)所发表文章“周向一致兰姆波电磁超声换能器设计与实现”涉及一种用于在非铁磁性铝板中激励周向一致Lamb波的换能器结构，其线圈为利用PCB板制作的密绕的圆盘状螺旋线圈，偏置磁场由磁铁提供且垂直于待测铝板表面。该发明只能激发Lamb波，且不能在铁磁性材料及非导电材料上激发超声波。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全向SH导波电磁超声换能器，所使用交流线圈为圆形回折线圈，基于磁致伸缩效应原理生成SH导波。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种全向SH导波电磁超声换能器，包括带开口的圆环状铁镍合金带4，合金带4的一面粘贴有回折线圈1，回折线圈1的端部位于合金带4的开口处。
在径向上以相邻两条导线为0.5个空间周期，以0.5个空间周期为步长，所述回折线圈1的空间周期为1.5～4.5个。
所述回折线圈1带有绝缘涂层，建立在PCB基板2上。
所述回折线圈1中每条导线为单匝导线或者为2～4分裂的分裂式导线。
所述回折线圈1中相邻两条导线中心之间的径向距离d＝λ/2，其中λ为所使用SH导波模式在当前频率f下的波长。
所述合金带4厚度为0.1～0.6mm，开口宽度为0.5～3mm。
使用时，所述回折线圈1中通入的电流激励为6～10个周期正弦波形的短时猝发脉冲串，正弦波形频率取100～500kHz。
本发明的换能器工作于自发自收(单换能器)或者一发一收(双换能器)两种方式下。
与现有技术相比，本发明通过电磁耦合方式激发超声波，不需要耦合介质，因此既可用于接触式检测，也可用于非接触式检测。
本发明所述换能器具有全方向激发和接收超声波的优势，可以检测到平板材料内各个方向的缺陷。因此适用于包括导电和非导电材料在内的各种均匀、各向同性弹性板结构的缺陷检测和健康监测。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是图1的剖视图。
图3是径向磁场和周向偏置磁场共同作用下，合金带内体积元形变示意图。
图4是合金带内体积元初始形状和形变后形状示意图。
图5是径向磁场和周向偏置磁场共同作用下，合金带内体积元形变示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种全向SH导波电磁超声换能器，包括带开口的圆环状铁镍合金带4。本实施例中，合金带4厚度为0.2mm，开口宽度为0.5mm。
在PCB基板2上建立表面涂有绝缘涂层的回折线圈1，回折线圈1中通入电流后，相邻导线的电流反向，相间隔导线中电流同向。本实施例中，回折线圈1的每条导线为3分裂的分裂式导线，相邻两条导线中心之间的径向距离d＝λ/2，其中λ为所使用SH导波模式在当前频率f下的波长。
将回折线圈1采用环氧树脂胶粘贴在合金带4的一面，合金带4包含整个回折线圈1，回折线圈1的端部位于合金带4的开口处，使得换能器整体上影响全向导波产生的端部效应最小。
本发明的使用过程如下：
步骤一，使用永磁体将铁磁性的合金带4预磁化，磁化时将永磁体的两个磁极分别接触环形合金带4开口的两端，使之产生沿着圆周向的剩余磁场。将粘贴了回折线圈的铁镍合金带4采用胶带固定在待检测平板结构之上，使得合金带4与待测结构表面建立良好的机械耦合。
步骤二，回折线圈1通过两个接线端3输入超声频率范围的交变电流作为激励。回折线圈1中通入的电流激励可以为6～10个周期正弦波形的短时猝发脉冲串，正弦波形频率可以取100～500kHz。本实施例中，所输入交流电流激励波形为经过汉宁窗调制的包含8个周期正弦波形的短时猝发脉冲串(即burst信号)，脉冲串中正弦波形的自身频率取为f＝250kHz，此频率即为所激发超声导波的频率。
在钢板中以激励SH0模式的导波为例，该模式的相速度为Cp＝3230m/s，f＝250kHz时有λ＝Cp/f＝0.01292m≈12.9mm，以此设计回折线圈相邻导线中心距离。如果在径向上以相邻两条导线为0.5个空间周期，附图1中回折线圈的导线空间周期数为1.5，增加周期数将有助于生成更纯净的导波模式，但换能器尺寸也会随之增加，一般增加到4.5个时，尺寸仍然便于制备和安装。
不考虑端部效应，回折线圈1导线中电流沿圆周流动，合金带4提供的偏置磁场H0也在圆周方向上，因此合金带4中的感应涡流与偏置磁场平行，此时洛伦兹力为0，因而合金带4中只存在磁致伸缩效应，换能器激励产生的在板中全向传播的SH导波5如图1中箭头所示。
附图4中，实线框6表示的是未施加偏置磁场和交流激励电流时合金带中体积元的初始形状。所施加交流电流在合金带中产生交变的径向磁场HW，与周向偏置磁场H0叠加为方向变化的总磁场HT，引起H0方向即周向的剪切振动。当交变的径向磁场HW为0时，总磁场HT与H0方向一致，体积元形变如图4中虚线框7所示；当交变的径向磁场HW指向正方向时，总磁场HT的方向和体积元变形后的形状如图3所示，当交变的径向磁场HW指向反方向时，总磁场HT的方向和体积元变形后的形状如图5所示。切向振动传入紧贴合金带的平板结构，在忽略圆形回折线圈端部和合金带开口处的影响的前提下，换能器各个方向的振动和波传播情况完全一致，从而形成全向传播的SH导波。
换能器工作于自发自收(单换能器)或者一发一收(双换能器)两种方式下。SH导波的接收基于逆磁致伸缩效应。有缺陷存在于导波传播路径时将引起导波散射，此时由接收换能器信号可以判别缺陷的存在。也可将此种换能器以阵列的方式永久布置在待测板结构上，此时可以配合相应的硬件系统实现板结构的长期健康监测。
Claims (10)
1.一种全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，包括带开口的圆环状铁镍合金带(4)，合金带(4)的一面粘贴有回折线圈(1)，回折线圈(1)的端部位于合金带(4)的开口处。
2.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，在径向上以相邻两条导线为0.5个空间周期，并以0.5个空间周期为步长，所述回折线圈(1)的空间周期为1.5～4.5个。
3.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述回折线圈(1)带有绝缘涂层，建立在PCB基板(2)上。
4.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述回折线圈(1)中每条导线为单匝导线。
5.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述回折线圈(1)中每条导线为2～4分裂的分裂式导线。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述回折线圈(1)中相邻两条导线中心之间的径向距离d＝λ/2，其中λ为所使用SH导波模式在当前频率f下的波长。
7.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，所述合金带(4)厚度为0.1～0.6mm，开口宽度为0.5～3mm。
8.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，使用时，所述回折线圈(1)中通入的电流激励为6～10个周期正弦波形的短时猝发脉冲串，正弦波形频率取100～500kHz。
9.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，利用单换能器工作于自发自收方式下。
10.根据权利要求1所述的全向SH导波电磁超声换能器，其特征在于，利用双换能器工作于一发一收方式下。
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