CN103439418B - 一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器 - Google Patents
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Abstract
一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：包括多个PPM电磁声传感器，其中每个PPM电磁声传感器包括铷铁硼磁铁阵列(A)和柔性印刷电路板中至少一层跑道型线圈(B)，多个PPM电磁声传感器均布环管结构一周；铷铁硼磁铁阵列(A)中相邻磁铁产生方向相反的静磁场，每一块磁铁的宽度等于激励频率下T(0,1)模态波长的一半，形状相同，均为条形弧状，多块磁铁紧密放置在一起形成一个瓦块形；铷铁硼磁铁阵列(A)的中心与跑道型线圈(B)的中心重合；多个跑道型线圈(B)集中在一个柔性印刷电路板(D)上，各个跑道型线圈(B)连接方式为并联。本发明可有效的激励和接收T(0,1)模态超声导波，在传感器安装时，不需要对管道表面进行处理，结果准确度高，可重复性好，检测过程方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于超声导波无损检测领域，可在管道中激励T(0,1)模态，并对管道进行无损检测。
背景技术
超声导波技术具有高效、快速和大范围缺陷检测的能力，可以对板、管和杆结构材料进行无损检测，因此超声导波技术广泛应用于多类工程结构的无损评价和健康监测。其中，使用轴对称的纵波模态和扭转波模态的导波方法可以实现管道的快速、高效的检测，尤其是在管道中激励的T(0,1)模态。T(0,1)模态的波包结构简单，而且具有非频散特性，这便使其入射信号能够在传播过程中保持信号波形，传播更长的距离而有小的衰减。相比较纵波模态，纵波模态在管道中传播时，其质点振动方向沿着波的传播方向，这便使得纵波几乎不会与管道中的轴向缺陷发生反射、折射现象。扭转模态在管道中传播时，质点振动方向与传播方向垂直，使得其检测沿着波传播方向的缺陷成为可能，也因为此，T(0,1)模态是当前研究的热点。然而在管道中难以快捷、有效的激励T(0,1)模态，限制了其在工程领域的应用，因此需要设计一种安装方便，而又能够有效激励T(0,1)模态的传感器，对工程结构进行无损评价及健康监测，使其更具有工程应用价值。
在管道中激励T(0,1)模态，主要有两类传感器，一类是压电传感器(Piezoelectric transducers,PZT)，另一类是磁致伸缩传感器(Magnetostrictivesensor,MsS)。针对压电传感器，国外学者研究的较早，使用其激励T(0,1)模态，研究比较成熟的是D.N.Alleyne2001年，在《AIP Conference Proceedings》上发表《Rapid,long range inspection of chemical plant pipework using guided waves》中设计制造的新型传感器阵列，阵列由两组通过干耦合方式安装的压电探头组成，压电探头为长度伸缩型，在管道上可以激励出方向单一的扭转模态。这种压电传感器激励T(0,1)模态没有使用耦合剂将压电片粘贴在管道上，而是使用夹具使得压电材料可以和管道紧密配合。但此方法使用夹具预紧压电片很容易导致预紧力不均匀，对有效产生信噪比高，激励效果良好的T(0,1)模态存在一定影响。国内学者对使用压电传感器激励T(0,1)模态同样进行了研究，发表的文献主要包括刘增华2006年，在《仪器仪表学报》的《扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究》，在激励扭转模态时，利用敏感元件的物理特性，在充水管道中激励了T(0,1)模态，并实现了缺陷检测。但是在使用敏感元件的物理特性激励扭转模态的同时，就意味着敏感元件和冲水管道需要接触并耦合良好，这就造成了在使用时安装较复杂，不利于现场的快速检测。
针对MsSs，是国外学者提出新的在管道上激励T(0,1)模态的方法，发表的专利和文献主要包括：利用MsSs激励扭转模态是H.Kwun等，2002年申请的美国专利《Method and apparatus generating and detecting torsional wave》。MsSs结构产生的交变的磁场作用于镍带，镍带和管材是通过机械耦合方式进行粘贴的，镍带是应力传递的介质。专利中的传感器事实上也需要和管材进行耦合，没有实现非接触检测。之后，一些学者为更好的实现模态控制及增强信号幅值对传感器做了进一步研究，其中Yoon Young Kim等2005年，在《Acoustical Societyof America》发表的文献《Torsional wave experiments with a new magnetostrictivetransducer configuration》和在《Applied Physics Letters》发表的文献《Effects of theorientation of magnetostrictive nickel strip on torsional wave transduction efficiencyof cylindrical waveguides》中对H.Kwun设计的传感器结构进行了优化，改变了镍带的形状，增加了一个激励线圈，也证明用铁钴带代替镍带可以提高信号的幅值，但是不管是使用镍带还是铁钴带都需要耦合。Hoe Woong Kim等2010年，在《Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control》中发表的《Megahertz-RangeGuided Pure Torsional Wave Transduction and Experiments Using a MagnetostrictiveTransducer》。作者利用在板中激励水平剪切波(Shear horizontal wave,SH)的传感器结构用于管道上，在管道上阵列后激励出了T(0,1)模态，并实现了周向缺陷检测。但是所设计的传感器，因为是利用磁致伸缩效应，使得该技术的特点就是使用镍带或是铁钴带，这种有较强磁致伸缩特性的材料。无论是专利还是文献中利用磁致伸缩效应设计的传感器的一个共性，就是将镍带或铁钴带粘贴在管道上，需要对管道表面进行处理。
压电传感器还是磁致伸缩传感器都有着各自的优势，同时存在应用的局限性。压电传感器能量高，但是压电元件和管道需要进行粘贴或是通过干耦的方式使用夹具对压电元件进行预紧，粘贴增加了工程检测的复杂性，同时需要对管道表面进行处理，干耦的方式同样需要对管道表面进行处理，否则难以使得压电材料均匀的贴合在管道表面上，由于夹具的存在，周向加载不均匀，会使激励的T(0,1)模态导波的信噪比受到很大的影响。磁致伸缩传感器，由于利用磁致伸缩效应，需要使用磁致伸缩带材，如镍带或者铁钴合金，都需要和管道进行紧密的贴合，也就意味着需要对管道表面进行处理，且能量相对于压电传感器低，但其在实际应用中更加容易安装，适合工程应用。
近年来，国内外研究超声导波的热情不减，使得超声导波技术在无损检测领域长足发展。对于在管道激励T(0,1)模态传感器主要形式还是压电传感器和磁致伸缩传感器。很多学者利用在板中激励SH波的电磁声传感器的结构用在管道上，而且基于磁致伸缩效应来激励SH波的传感器结构在管道上激励出了T(0,1)模态。但是除了利用磁致伸缩效应在管道中激励T(0,1)模态外，还可以基于洛伦兹力对T(0,1)模态进行激励。从Remo Ribichini2012年，在《NDT&E International》中发表的文献《Experimental and numerical evaluation of electromagnetic acoustictransducer performance on steel materials》中指出，在使用PPM电磁声传感器激励水平剪切波时，洛伦兹力是主要的换能方式，不同于磁致伸缩效应，洛伦兹力对不同的铁磁性材料不敏感，所以基于洛伦兹力原理激励水平剪切波拥有更大的潜力。2011年，该作者在《Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control》中发表的《Study and Comparison of Different EMAT Configurations for SH WaveInspection》中指出在不牺牲非接触特性的情况下，洛伦兹力方式激励SH波的换能效率更高。正因为此，可以对基于洛伦兹力的电磁声传感器在管道中激励扭转模态进一步研究。如果可以设计此类型的传感器，可以不需要对管道表面进行处理，即可实现非接触检测，也可完成在管道上T(0,1)模态的激励，为实际中快速、高效检测，提供有力的技术手段。迄今为止，对于基于洛伦兹力在管道中设计的激励T(0,1)模态的传感器鲜见报道。
发明内容
本发明的目的在于设计一种不需要对管道表面进行处理，方便在其上安装的电磁声阵列传感器，并使其能够在管道中激励和接收T(0,1)模态。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：包括多个PPM电磁声传感器，其中每个PPM电磁声传感器包括铷铁硼磁铁阵列(A)和柔性印刷电路板中至少一层跑道型线圈(B)，多个PPM电磁声传感器均布环管结构一周；铷铁硼磁铁阵列(A)中相邻磁铁产生方向相反的静磁场，每一块磁铁的宽度等于激励频率下T(0,1)模态波长的一半，形状相同，均为条形弧状，多块磁铁紧密放置在一起形成一个瓦块形；铷铁硼磁铁阵列(A)的中心与跑道型线圈(B)的中心重合；多个PPM电磁声传感器中，各个铷铁硼磁铁阵列(A)一样；多个跑道型线圈(B)集中在一个柔性印刷电路板(D)上，各个跑道型线圈(B)连接方式为并联。
本发明可以获得如下有益效果：
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1、利用水平剪切波在板中的振动形式和T(0,1)在管中的振动形式类似的现象，基于洛伦兹力在板中激励水平剪切波的传感器结构用于管道上，实现了在管道中激励T(0,1)模态。
2、使用了瓦块形铷铁硼磁铁，代替了在板中产生水平剪切波的PPM电磁声传感器中的矩形磁铁，磁铁提供的静磁场方向同样垂直于跑道型线圈，使得跑道型线圈所处的静磁场强度均匀。
3、柔性印刷板中的跑道型线圈连接方式为并联，提高了信号能量和信噪比。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1、利用设计的电磁声阵列传感器激励的T(0,1)模态能量较高，信噪比好。
2、电磁声阵列传感器在管道上安装时不需要对其表面进行处理，为实际检测中快速、高效提供有力的技术手段
附图说明
图1 本发明阵列传感器安装简图；
图2 铷铁硼磁铁阵列示意图；
图3 跑道型线圈示意图；
图4 PPM电磁声传感器外壳示意图；
图5 42×5×1000(单位：mm)合金钢管相速度频散曲线；
图6 电磁声阵列传感器检测合金钢管缺陷试验系统示意图；
图7 电磁声阵列传感器检测1m长带缺陷合金钢管信号波形图；
图中：A、铷铁硼磁铁阵列，B、多层跑道型线圈，C、PPM电磁声传感器外壳，D、柔性印刷电路板，E、电磁声阵列传感器，F、阻抗匹配网络，G、RPR-4000高能脉冲发射/接收仪，H、数字滤波器，I、计算机，J、合金钢管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基本思想是利用水平剪切波在板中的振动形式和扭转波模态在管中的振动形式类似的现象，将用于在板中基于洛伦兹力原理激励水平剪切波的传感器结构，用于管道上。利用设计的电磁声阵列传感器在管道上激励T(0,1)模态，实现对管道的无损检测。
实施例
采用附图所示的装置实现合金钢管缺陷检测。
针对合金钢管缺陷检测，激励T(0,1)模态的电磁声阵列传感器，A、铷铁硼磁铁阵列，B、跑道型线圈，C、PPM电磁声传感器外壳，D、柔性印刷电路板，E、电磁声阵列传感器，F、阻抗匹配网络，G、RPR-4000高能脉冲发射/接收仪，H、数字滤波器，I、计算机，J、合金钢管。
所述合金钢管J，规格为42×5×1000(单位：mm)，材质为12Cr1MoV的合金钢管，密度为7.85g/cm3，泊松比为2.7。图6中给出了上述参数下，合金钢管中扭转模态的频散曲线。检测其它规格、材料管道，可根据此实例对电磁声阵列传感器参数做相应的调整。
所述的铷铁硼磁铁阵列A，如图2所示，每一块磁铁的形状为瓦块形，提供的磁场垂直于跑道型线圈。磁铁的宽度为激励T(0,1)模态波长的一半，在如图5中，T(0,2)模态截止频率为345kHz，在此截止频率下选择激励频率270kHz，对应的波速为3276m/s，计算可得磁铁的宽度为6mm。磁铁的内圆弧半径为21.5，外圆弧直径为31mm，，所对中心角为34度。
所述的跑道型线圈B，如图3所示，线圈形状为跑道型，采用双层布线，线圈的有效尺寸为61×33.3mm。线宽0.2mm，线间距0.3mm，线圈长度61mm，宽度为33.3mm，其中直线部分长度为36mm等于六对磁铁的宽度和，上下两层布线，各个跑道型线圈的连接方式为并联。
所述的PPM电磁声传感器外壳C，如图4所示，使用硬塑料制作的中空壳体，壳体外圆弧所对直径为63mm，内圆弧半径为43mm，其中空部分可卡放铷铁硼磁铁阵列(A)。
所述柔性印刷电路板D，有效尺寸为133×65mm，板厚度为0.245mm。
利用参数确定后的电磁声阵列传感器，提供了一种使用T(0,1)模态导波无损检测合金钢管缺陷的方法：
(1)如图7所示，在合金钢管J长度方向上放置PPM电磁声传感器E。PPM电磁声传感器E和阻抗匹配F相连接，阻抗匹配F和RPR-4000高能脉冲发射/接收仪G相连接，RPR-4000高能脉冲发射/接收仪G和数字示波器H相连接，数字示波器H和计算机I连接。将电磁声阵列传感器置于合金钢管J左端端头。各距合金钢管J两端200mm处各有一个周向缺陷，左端周向缺陷深度为0.5mm，右端周向缺陷深度为1mm。
(2)所述阻抗匹配网络F为RITEC公司进行阻抗匹配的元器件——阻抗匹配网络，由于激励电路中同时存在电阻和电抗部分，需要外加电感或电容来调节电磁声传感器的输入阻抗，使得电路中的电抗成分尽量小，以减少激励信号传输中的无功分量，该电磁声阵列传感器在工作时，匹配的电容大小为7.7nF。
(3)所述RPR-4000高能脉冲发射/接收仪G产生一个周期在1～20范围内可调，中心频率在0～1MHz范围内可调的方波信号，在0～1MHz范围内改变频率，激励使电磁声阵列传感器E产生信号能量在此范围内的处于最大值，对应的频率为270kHz，则选取为RPR-4000高能脉冲发射/接收仪G的工作频率。方波信号的强度和增益等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由RPR-4000高能脉冲发射/接收仪G产生能量等级1，增益70db，频率为270kHz的6个震荡周期的方波信号；
(4)激励信号通过阻抗匹配F,激励电磁声阵列传感器E，在带缺陷合金钢管12中产生T(0,1)模态；
(5)T(0,1)模态在合金钢管J中传播，经合金钢管J缺陷和端部反射后，电磁声阵列传感器E接收，在数字示波器H显示；
(6)通过分析接收信号中反射回波到达接收点的时间，确定合金钢管J中缺陷的位置。图7中可以分辨三次端面回波和6个缺陷回波，其中第一次和第二次端面回波的峰峰值时间差为0.6065ms，波传播的路程为2000mm，计算可得波的传播速度为3297.6m/s，与图6在该频率点T(0,1)模态的群速度3276m/s相近，相对误差为0.1%，可以确定该传感器可激励T(0,1)模态。T(0,1)模态在碰到合金钢管的周向缺陷时会发生反射，所以在两个端面回波间存在两个缺陷回波，第一个和第二个端面回波间两个波包的峰峰值时间分别为0.7418ms和1.11ms，计算两个波包在经过第一次端面回波后传播的路程分别为396.63mm和1610.88mm，实际传播路程别为400mm和1600mm，相对误差分别为0.8%和0.7%，可以确定两个波包是两个缺陷回波。
通过实验验证该电磁声阵列传感器可以快速、高效的对合金钢管缺陷进行检测，并且该传感器安装方便，不需要对合金钢管表面进行表面处理，稳定性好且可以重复使用，测量结果准确度高，检测过程方便快捷，适应实际工程现场检测的要求。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：包括多个PPM电磁声传感器，其中每个PPM电磁声传感器包括铷铁硼磁铁阵列(A)和柔性印刷电路板中至少一层跑道型线圈(B)，多个PPM电磁声传感器均布环管结构一周；铷铁硼磁铁阵列(A)中相邻磁铁产生方向相反的静磁场，每一块磁铁的宽度等于激励频率下T(0,1)模态波长的一半，形状相同，均为条形弧状，多块磁铁紧密放置在一起形成一个瓦块形；铷铁硼磁铁阵列(A)的中心与跑道型线圈(B)的中心重合；多个PPM电磁声传感器中，各个铷铁硼磁铁阵列(A)一样；多个跑道型线圈(B)集中在一个柔性印刷电路板(D)上，各个跑道型线圈(B)连接方式为并联。
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