CN104028445A - 基于一发一收法的全向性Lamb 波单体磁致伸缩传感器 - Google Patents

Abstract

基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，属于超声导波无损检测领域。该传感器包括圆柱状铷铁硼磁铁、圆形镍片、印刷四层线圈的FPC，将设计的传感器中圆形镍片粘贴在待测板结构表面，印刷四层的FPC线圈和圆柱状铷铁硼磁铁依次置于圆形镍片正上方。印刷四层的FPC线圈的其中两层线圈用于激励信号，另外两层用于接收信号，具体实施中，通过设计的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器在非铁磁性材料铝板中有效激励和接收低阶的对称Lamb波S0模态，减少了板结构检测时使用传感器的数量以及安装工序，使检测信号简单明了、便于分析，降低了检测成本。

Description

基于一发一收法的全向性Lamb 波单体磁致伸缩传感器

技术领域

基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中激励和接收全向性Lamb波。

背景技术

随着电磁超声技术诸多优势的日益彰显，该技术已成为国内的一个研究热点，电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)作为该技术核心装置，利用电磁耦合机理产生超声波，因为无需与被测物接触，EMAT将传统的超声无损检测技术扩展到了高温、高速和在线检测中。EMAT的结构主要由包括线圈和磁铁组成，具有非接触、无需耦合剂等优点，而且结构可设计性很高，改变线圈和磁铁的组合形式，可以激发多种类型且模态单一的超声导波，如Lamb波、表面波和SH波等。

EMAT的工作机制有两种，一种是基于洛伦兹力，当载有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，将在金属内感应出涡流，若此时存在一个偏置静磁场，由于洛伦兹机制将在金属中产生交变的作用力，这种变化的力将激发出超声波，如基于洛伦兹力机制的全向性Lamb波传感器；另一种是基于磁致伸缩效应，仅适用铁磁质或磁性材料的检测，利用载有交变激励电流的线圈产生动磁场与偏置静磁场共同作用产生磁致伸缩力，使铁磁性材料体积发生变化，引起材料内部的振动，并最终以超声波形式将振动向外传播，而且，同一个EMAT为一个可逆传感器，可用来接收超声波。若检测对象为非、弱铁磁性材料结构时，可将磁致伸缩常数较高铁磁性材料薄片作为载体，粘接或者固定在检测结构表面，铁磁性材料薄片由于磁致伸缩效应产生的变形和振动传递给待测结构，不仅可以有效的激励出超声导波，还可以极大提高接收信号的能量及信噪比。

本发明旨在设计一种基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，基于磁致伸缩机制，采用铁磁性材料薄片作为载体，产生全向性的超声Lamb波，其性能要优于窄带和无指向性的传感器，将激励线圈和接收线圈印刷在柔性电路板(Flexible Printed Circuit,FPC)上，柔性线圈的安装可以根据检测对象表面形状做出调整。采用基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，能有效提高检测信号的能量，减少了传感器数量，使得检测信号简单，易于分析，为利用这种基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器及其阵列来实现对板结构无参考的大范围、高效率的结构健康监测和无损评价奠定了基础。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁1，圆形镍片2和FPC线圈3。特征在于：所述的圆柱状铷铁硼磁铁1，圆形镍片2和FPC线圈3，三者形心在垂直方向上重合，FPC线圈3置于圆形镍片2上表面，圆柱状铷铁硼磁铁1置于距离FPC线圈3正上方一定高度。

所述的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，其特征在于：采用柔性的电路板来印刷FPC线圈3，所印刷的FPC线圈3共有4层，每一层呈环形的螺旋型布线，FPC线圈3使用两根独立的导线绕制而成，FPC线圈3中上面两层线圈缠绕方式为：将导线从外圈绕到内圈，经过中心的小孔再由内圈沿着同一个旋转方向绕到外圈，形成一个螺旋缠绕的双层线圈。FPC线圈3中下面两层线圈缠绕方式与上面两层线圈的缠绕方式相同。FPC线圈3中上面两层线圈与下面两层线圈之间相互绝缘，而且一个作为激励线圈来激励信号，另外一个作为接收线圈来接收信号。

所述的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁1提离距离即圆柱状铷铁硼磁铁1的底面到FPC线圈3表面的距离范围为5mm-15mm。

本发明通过环氧树脂胶将圆形镍片2粘接在板结构表面，FPC线圈3、圆柱状铷铁硼磁铁1依次置于其上，保证圆柱状铷铁硼磁铁1，圆形镍片2和FPC线圈3三者形心在垂直方向上重合。将圆柱状铷铁硼磁铁1提离FPC线圈3一定距离，在圆形镍片2周围产生方向主要沿径向辐射的偏置静磁场分量；当FPC线圈3中激励线圈上通有交变电流，则圆形镍片2周围产生方向主要沿径向分布的动磁场分量，则圆柱状铷铁硼磁铁2产生的偏置静磁场和通电线圈产生动磁场都产生沿径向分布的磁场分量，基于磁致伸缩效应，铁磁性材料圆形镍片2产生拉伸变形，带动板结构产生变形和振动，从而在板结构中激励出全向性的Lamb波。基于逆磁致伸缩效应，传播的Lamb波会在结构内部产生变形引起磁通密度变化，由于法拉第电磁感应定理，这种变化的磁通密度使FPC线圈3中接收线圈感应到一个电场，从而该线圈接收到经过端面或者缺陷发射的Lamb波信号。

本发明取得如下有益效果：

1、利用圆柱状铷铁硼磁铁1提离一定距离，产生一个辐射状的偏置静磁场；

2、采用柔性的FPC来印刷线圈，使得线圈排布整齐一致，使产生的动磁场更加均匀，印刷四层的FPC线圈3厚度却不超过0.5mm，能减小线圈提离距离，一定程度上能提高信号能量。而且FPC线圈3具有柔性的特征，便于在待测结构上布置。

3、以FPC线圈3的上面两层线圈与下面两层线圈中其中一个作为激励线圈，另外一个作为接收线圈，形成单体传感器，减少了传感器数量，安装工序，使得检测信号简单明了，易于分析。

4、改变圆形镍片的直径，可以调整基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器的中心频率；

5、利用粘接在板结构表面镍片的磁致伸缩效应，基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器可以在不同材料属性的板结构中激励出全向性Lamb波。

附图说明

图1基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器结构示意图；

图2试验系统；

图3基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器在铝板上布置示意图；

图4激励频率从250kHz增加到450kHz时(步长为50kHz)接收信号；

图51mm厚铝板超声导波的群速度频散曲线，圆点为试验测得的波速值；

图6激励频率为350kHz时的接收信号。

图中：1、圆柱状铷铁硼磁铁，2、圆形镍片，3、FPC线圈，4、高能超声激励接收装置RAM5000，5、计算机，6、示波器，7、能量衰减模块，8、前置放大模块，9、激励端阻抗匹配模块，10、接收端阻抗匹配模块，11、基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，12、铝板。

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。

基于磁致伸缩效应，设计了基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，利用该传感器在板结构上激励和接收到全向性Lamb波。

基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器结构示意图如图1所示：包括圆柱状铷铁硼磁铁1，圆形镍片2和FPC线圈3。特征在于：所述的圆柱状铷铁硼磁铁1，圆形镍片2和FPC线圈3，三者形心在垂直方向上重合，FPC线圈3置于圆形镍片2上表面，圆柱状铷铁硼磁铁1置于距离FPC线圈3正上方一定高度。

所述的FPC线圈3见如图1，采用柔性的电路板来印刷FPC线圈3，所印刷的FPC线圈3共有4层，每一层呈环形的螺旋型布线，FPC线圈3使用两根独立的导线绕制而成，FPC线圈3中上面两层线圈缠绕方式为：将导线从外圈绕到内圈，经过中心的小孔再由内圈沿着同一个旋转方向绕到外圈，形成一个螺旋缠绕的双层线圈。FPC线圈3中下面两层线圈缠绕方式与上面两层线圈的缠绕方式相同。FPC线圈3中上面两层线圈与下面两层线圈之间相互绝缘，本实例选用上面两层线圈作为激励线圈来激励信号，下面两层线圈作为接收线圈来接收信号。印刷线圈外径D为24mm，线圈内径为12mm，印刷线宽为0.2mm，线间距为0.2mm。

所述的铷铁硼圆柱磁铁1见图1，磁铁尺寸为直径×厚度＝14×5(单位：mm)，通过控制提离距离，提供辐射状偏置静磁场，本实例选用铷铁硼圆柱磁铁1的提离距离为11mm。

所述的圆形镍片2,见图1，需粘贴在板结构表面，本实例选用镍片厚度为0.1mm。本实例选用镍片外径尺寸D＝24mm。

试验系统如图2所示，包括高能超声激励接收装置RAM50004，计算机5，示波器6，能量衰减模块7，前置放大模块8，阻抗匹配模块9和10，基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11，检测对象铝板12。计算机5用来控制RAM50004的运行，来产生高能激励信号，示波器6用于信号的观测和存储，同时配置能量衰减模块7控制高能输出信号的能量，前置放大模块8用来放大检测到的微弱信号，在设计的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11的激励端和接收端前分别添加了阻抗匹配模块9和10，可以减少激励信号传输中的无功分量，提高接收信号信噪比，基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11用于激励和接收超声导波的，检测对象铝板12的规格为长×宽×厚＝1000×1000×1(单位：mm)，材质为纯铝，密度为2700kg/m³，泊松比为0.3。基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11在铝板12上布置示意图如图3所示，以铝板12左下角为坐标原点，基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11在铝板12上坐标值为(305,395)。

根据选用的参数，确定基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11，采用如图2所示的试验系统，首先通过环氧树脂胶将圆形镍片2粘接在铝板表面，将印刷四层的FPC线圈3和铷铁硼圆柱磁铁1依次置于其上，选择激励信号为经汉宁窗调制的5个周期正弦波，激励频率从250kHz增加到450kHz时(步长为50kHz)接收信号如图4所示，不同激励频率下波形中的第一个波包为射频信号，与激励信号触发时间几乎一致，第二个波包为首次端面回波，即距离传感器305mm的最近的左端面的反射回波。多次测试结果表明，使用射频信号包络中间位置时间点作为信号起始时间，使得计算的结果跟加准确。本次试验条件下，传感器从激励出超声导波到首次接收到铝板左端面反射回波的传播路程为305×2＝710mm，结合不同频率点接收信号中从射频信号包络中间位置时间点到铝板左端面反射回波时间点的时间长，基于时间飞行法(Time of Flight，ToF)，得到不同频率下所产生模态的波速，则从250kHz到450Hz步长为50kHz，对应波速依次为5333m/s，5330m/s，5310m/s，5275m/s，5267m/s。图5为检测对象即1mm厚铝板12超声导波的群速度频散曲线，圆点为试验测得的波速值；可以看出所研制的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11能有效激励和接收Lamb波S₀模态。

图6为所研制的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11在激励频率为350kHz时的接收信号。射频信号包络波峰时间50μs作为起始点位置，根据上述利用第2个波包(铝板左端面反射回波)计算得到激励频率在350kHz时S₀模态实际波速5310m/s，来反推后续依次位于197μs、275μs、306μs的第3、4、5个波包的传播路程分别为781mm、1195mm和1359mm。与实际产生的波到下端面、上端面、右端面传播路程790mm、1210mm和1390mm相比，相对误差分别为1.1％、1.2％和2.2％，可以确定第3、4、5个波包依次为铝板下端面的反射回波，上端面的反射回波和右端面的反射回波，进一步验证了所研制的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器11能产生S₀模态，而且只有单一的S₀模态产生。由于传感器结构关于中心对称，而且从图6可以看出所研制的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器能有效的接收到铝板4个不同的端面反射回波，验证了研制的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器能激励出全向性的Lamb波S₀模态。

Claims (3)

1.基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁(1)，圆形镍片(2)和FPC线圈(3)；特征在于：所述的圆柱状铷铁硼磁铁(1)，圆形镍片(2)和FPC线圈(3)，三者形心在垂直方向上重合，FPC线圈(3)置于圆形镍片(2)上表面，圆柱状铷铁硼磁铁(1)置于距离FPC线圈(3)正上方一定高度。

2.如权利要求1所述的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，其特征在于：采用柔性的电路板来印刷FPC线圈(3)，所印刷的FPC线圈(3)共有4层，每一层呈环形的螺旋型布线，FPC线圈(3)使用两根独立的导线绕制而成，FPC线圈(3)中上面两层线圈缠绕方式为：将导线从外圈绕到内圈，经过中心的小孔再由内圈沿着同一个旋转方向绕到外圈，形成一个螺旋缠绕的双层线圈。FPC线圈(3)中下面两层线圈缠绕方式与上面两层线圈的缠绕方式相同；FPC线圈(3)中上面两层线圈与下面两层线圈之间相互绝缘，而且一个作为激励线圈来激励信号，另外一个作为接收线圈来接收信号。

3.如权利要求1所述的基于一发一收法的全向性Lamb波单体磁致伸缩传感器，其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁(1)提离距离即圆柱状铷铁硼磁铁(1)的底面到FPC线圈(3)表面的距离范围为5mm-15mm。