CN104198594A - 一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器 - Google Patents

Abstract

一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，属于超声无损检测领域。其由镍带、铷铁硼磁铁、变间距回折线圈组成。根据板中SH波振动模式与管道中扭转模态相类似的现象，将变间距回折线圈以及铷铁硼磁铁环向阵列于管道表面，实现在管道中扭转模态的激励和接收。通过试验验证了研制的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器在管道能有效激励出T(0,1)模态，利用与多主频组合回折型线圈分布相一致的宽频Chirp信激励多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器。在时域内将各频率的T(0,1)波在同一时刻叠加，提高电磁声传感器的换能效率和时域分辨率，通过Chirp信号激励产生的响应信号来提取其频带宽度下任意单频的响应信号，提高了结构的检测效率。

Description

一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器

技术领域

一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，属于超声无损检测领域，可在管道结构中激励出扭转模态导波。

背景技术

管道作为五大运输工具之一，在运输液体气体浆液等方面具有特殊的优势。然而管道在长期使用中受冲刷和腐蚀导致管壁减薄，常常发生泄漏事故，给人民的生活、财产造成巨大的损失。常规无损检测技术的检测过程为逐点扫描式，超声导波由于其传播距离远、检测范围，能够快速、高效的实现对结构无损检测，已经广泛的应用于管道结构检测与健康状况评价。目前，常见的在管道中激励出超声导波方式主要有三种，压电传感器、电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)和磁致伸缩传感器(MagnetostrictiveSensors，MsS)。压电传感器是基于压电材料正、逆压电效应来激励和接收超声导波，通过耦合剂与被测件接触，而且往往需要对试件表面进行预处理，因此检测效率较低。EMAT基于洛伦兹力原理，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，将在金属中产生交变的洛伦兹力，这种变化的力将激发出超声波；MsS基于磁致伸缩效应，仅适用铁磁质或磁性材料的检测，通过载有交变激励电流线圈产生交变的动磁场和偏置静磁场的共同作用，使磁性材料体积发生变化，形成材料内部的振动，并最终以声波形式将振动向外传播。

EMAT和MsS均基于电磁耦合机理，具有非接触、无需耦合介质、对被测件表面要求不高、重复性好、适于高温、高速检测等优点，而且结构可设计性很高，改变线圈和磁铁的组合形式，可以激发多种类型的超声导波。较为容易激励出多种模态类型且模态单一的超声导波，提高缺陷辨识能力和定位精度。一般情况下，MsS比EMAT的换能效率低，然而对于磁致伸缩常数较高的铁磁性材料结构的检测，MsS的换能效率更高。在设计MsS时，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媒介，粘接或者固定在检测结构表面，不仅有效地激励出超声导波，还可以极大提高接收信号的能量及信噪比。而且使得MsS不仅限于铁磁性材料结构的检测，扩展了MsS的应用范围。

1979年Thompson R B在《Applied Physics Letters》中发表的《Generation of horizontallypolarized shear waves in ferromagnetic materials using magnetostrictively coupled meander-coilelectromagnetic transducers》，利用通有交流电的回折线圈在在铁磁性试件的表面产生交变的动磁场，与固定的永磁铁所产生的静磁场交互作用，在铁磁性材料中来产生剪切变形和振动，形成了水平剪切模态SH。

HIRAO M和OGI H.2003年在Kluwer Academic Publishers出版了《EMATs for scienceand industry:Non-contacting ultrasonic measurements》一书中提到了利用Chirp信号激励变间距回折线圈的传感器结构，可同时关注并提取多个频率点的信息，不仅能有效激励出SH波，而且相较于等间距回折线圈传感器，增强接收信号的时域分辨率，提高了传感器换能效率以及检测效率。

基于管道中扭转模态与板中SH波质点振动类似的现象，提出了一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，采用变间距回折线圈线圈，将其环向阵列在管道结构表面，通过永磁铁提供一个环向分布的静磁场，利用铁磁性材料镍片具有较高的磁致伸缩特性，设计并研制一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，实现管道上扭转模态的激励和接收。

发明内容

目前没有研究利用这种变间距回折线圈的阵列应用于管道中扭转模态的激励，本发明利用变间距回折线圈的阵列，提出了一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，弥补了现有电磁声传感器接收信号幅值小、时域分辨力低和传感器灵活性差等缺点。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其包括镍带1，铷铁硼磁铁2，变间距回折线圈3；其检测对象为合金钢管，使用环氧树脂胶将镍带1粘接或固定于检测管道外表面一周，铷铁硼磁铁2和变间距回折线圈3依次相隔的置于镍带1上且环向均匀分布管道外表面一周，保证每两个铷铁硼磁铁2之间有一个变间距回折线圈3，将所有的变间距回折线圈3并联，保证不同变间距回折线圈3阵列单元中的电流，在同一时刻方向一致，基于磁致伸缩效应，紧贴管道外表面布置的镍带1产生方向一致的剪切变形，并将这种剪切运动传递给管道，在管道中激励出扭转模态。

所述的铷铁硼磁铁2和变间距回折线圈3的个数为4。

所述的一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：镍带1长度为管道外表面周长，宽度为研制的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器线圈覆盖的宽度，镍带1的边缘打磨变薄。所述的镍带1可更替为其他磁致伸缩系数较高的材料的薄带，材料包括铁钴合金。

所述的一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：铷铁硼磁铁2形貌为扇形，沿扇形对称轴两侧极化，环向均匀布置管道一周，在镍带1附近产生环向分布静磁场，相邻的两个铷铁硼磁铁2距离最近的侧表面磁极相反，使磁场线沿环形方向一致(顺时针或逆时针)传递。

所述的一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：变间距回折线圈3共有两层，上下两层线圈之间相互绝缘，一个作为激励线圈来激励信号，一个作为接收线圈来接收信号，而且上下两层线圈的线间距变化趋势相反，一个为线性递增变化，另一个为线性递减变化，由于回折型线圈中两相邻导线的电流方向相反，其产生的动磁场方向相反，因而产生的声波的半波长与相邻导线间隔相一致，即线圈间隔与激励和接收波长具有一定的选择性，激励信号选择与变间距回折线圈的间距变化相一致的宽频Chirp信号，采用柔性FPC印刷的变间距回折线圈3。

本发明取得如下有益效果：

1、采用扇形的铷铁硼磁铁2，能更好地与管壁贴合；铷铁硼磁铁2沿着扇形对称轴两侧极化，利用该磁铁的环向阵列产生一个沿管壁分布均匀的环形静磁场；

2、采用柔性FPC印刷的变间距回折线圈3，不仅使得线圈排布整齐一致，而且使线圈的安装可以根据检测对象表面形状做出调整，能更加贴合管道表面布置，使得管道外壁分布的动磁场强度更加均匀；

3、采用宽频的Chirp信号激励变间距回折线圈，有效增强传感器换能效率及可激励频率带宽，提高接收信号幅值以及时域分辨力；

4、利用宽频信号中与单频信号提取方法，在Chirp信号激励产生响应的基础上，可获得其频带范围内任意单频激励信号对应的响应，可以替代传感器的扫频实验，在管道结构检测时，可快速确定较为纯净而且对缺陷敏感高的导波模态以及传感器的最佳激励频率，提高检测和分析的效率；

5、采用粘贴等其他方式将铁磁性材料镍带1固定在管道表面，基于磁致伸缩效应，可以在不同材料属性的管道中激励和接收扭转模态，尤其是T(0,1)模态；

6、镍带1的边缘打磨变薄，使镍带1与管道接触边界有一个过渡区域，可以减少导波在镍带内部来回反射的可能，降低磁致伸缩型传感器接收信号中常见的拖尾现象。

附图说明

图1一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器结构示意图I；

图2一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器结构示意图I；

图3铷铁硼磁铁；

图4柔性FPC回折线圈结构以工作原理示意图；

图5实验系统；

图6(单位：mm)合金钢管中扭转模态群速度频散曲线；

图7宽频Chirp信号；

图8起始频率300kHz，频带宽度450kHz，持续时间5.75μs的宽频Chirp信号激励的响应信号；

图9宽频Chirp信号激励的响应信号中提取频率从300kHz增加到500kHz时(步长为40kHz)5个周期的单频响应信号；

图10频率380kHz，5个周期的Tone burst波形；

图11频率380kHz，5个周期的Tone burst信号激励的响应信号；

图12频率380kHz、5个周期时，单频Tone burst信号激励的响应信号与宽频Chirp信号激励的响应信号中提取相应单频响应信号的全局对比图；

图13频率380kHz、5个周期时，单频Tone burst信号激励的响应信号与宽频Chirp信号激励的响应信号中提取相应单频响应信号的局部对比图。

图中：1、镍带，2、铷铁硼磁铁，3、变间距回折线圈，4、计算机，5、数字示波器，6、函数发生器，7、功率放大器，8、前置放大器，9、激励端阻抗匹配模块，10、接收端阻抗匹配模块，11、多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，12、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，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其包括镍带1，铷铁硼磁铁2，变间距回折线圈3；其检测对象为合金钢管，使用环氧树脂胶将镍带1粘接或固定于检测管道外表面一周，铷铁硼磁铁2和变间距回折线圈3依次相隔的置于镍带1上且环向均匀分布管道外表面一周，保证每两个铷铁硼磁铁2之间有一个变间距回折线圈3，铷铁硼磁铁2和变间距回折线圈3的个数为4，将所有的变间距回折线圈3并联，保证不同变间距回折线圈3阵列单元中的电流，在同一时刻方向一致，基于磁致伸缩效应，紧贴管道外表面布置的镍带1产生方向一致的剪切变形，并将这种剪切运动传递给管道，在管道中激励出扭转模态。

所述的镍带1如图1所示，沿检测对象合金钢管12粘接一圈，长度为合金钢管12外表面周长l＝π×42≈132mm，宽度为研制的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器变间距回折线圈3覆盖的宽度26mm，厚度0.1mm，并将镍带的边缘进行打磨变薄。

所述的铷铁硼磁铁2如图2所示，形貌为扇形，沿扇形对称轴两侧极化；扇形的内弧半径r_i与检测合金钢管12外半径相同即为21mm，扇形张角θ为16°，沿扇形径向长度h为10mm，铷铁硼磁铁2的厚度l为26mm。铷铁硼磁铁2位置分布如图1和图2所示，环向均匀布置合金钢管12外表面一周，在其表面附近产生环向分布静磁场，相邻的两个铷铁硼磁铁2距离最近的侧表面磁极相反，使磁场线沿环形方向一致(顺时针或逆时针)传递。

所述的变间距回折线圈3如图1和3所示，一共有两层，上下两层线圈之间相互绝缘，上层线圈作为激励线圈，且线间距线为线性递增，以步长0.6mm从2.2mm增加到5.2mm，下层线圈作为接收线圈，且线间距线为线性递减，以步长0.6mm从5.2mm减小到2.2mm；由于回折线圈中两相邻导线的电流方向相反，其产生的动磁场方向相反，因而产生的声波的半波长与相邻导线间隔相一致，即线圈间隔与激励和接收波长具有一定的选择性。激励信号选择与变间距回折线圈的间距变化相一致的宽频Chirp信号，能有效提高传感器的换能效率和可激励频率带宽，增强接收信号幅值以及时域分辨力。采用柔性FPC印刷的变间距回折线圈3，不仅使得线圈排布整齐一致，而且使线圈的安装可以根据检测对象表面形状做出调整，能更加贴合管道表面布置，使得管道外壁分布的动磁场强度更加均匀。多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器变间距回折线圈会在试件内激励出不同波长的扭转模态，当激励频率小于T(0,2)的截止频率f_cut-off，只能在管道中激励出低阶扭转模态T(0,1)。由于T(0,1)模态不频散，各频率的T(0,1)波传播速度一致，各频率T(0,1)波的传播距离是相等的，从而传播时间也相等。时域上，各频率T(0,1)波会在相同的时间点叠加。当激励频率大于f_cut-off时，能够在管道中激励出T(0,2)，甚至更高阶的扭转模态。

图4为一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器检测合金钢管中缺陷试验系统示意图，包括计算机4、数字示波器5、函数发生器6、功率放大器7、前置放大器8、激励端阻抗匹配模块9、接收端阻抗匹配模块10、多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器11、检测对象合金钢管12。

采用一激一收方式进行实验，使用函数发生器6产生一个激励信号，并通过功率放大器7后，经过激励端阻抗匹配模块9，输入到多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器11的激励线圈中，产生的声波沿着管壁轴向传播，被多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器11的接收线圈检测到，经过接收端阻抗匹配模块10，通过前置放大器8增强接收到的微弱信号，并输出给数字示波器5进行显示，计算机4用来对接收信号进行相关数据处理。在多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器11前添加了阻抗匹配模块9和10使传感器线圈从激励电源获取最大能量，增强传感器换能效率。多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器11置于距离检测对象合金钢管12左端385mm。检测对象合金钢管12的规格为(单位：mm)，材质为12Cr1MoV的合金钢管，密度为7.85g/cm³，泊松比为0.27。图5中给出了上述参数下，合金钢管12中扭转模态的群速度频散曲线，可以看出，T(0,1)模态的群速度v_g＝3276m/s，T(0,2)的截止频率f_cut-off＝332kHz。

单频Tone burst信号是利用汉宁窗调制的正弦波生成，由下式表示：

$S_t\left(t\right)=\frac{1}{2}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}{f}_s}{T}\right)]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)---\left(1\right)$

其中，f_s为信号中心频率，T为信号周期，t为时间。

而Chirp信号是一种宽频信号，由下式表示：

$S_c\left(t\right)=w\left(t\right)\sin (2\mathrm{\πt}{f}_0+\frac{\mathrm{\πB}{t}^2}{t_c})---\left(2\right)$

其中，w(t)为矩形窗函数，f₀为信号的初始频率，B为对应信号的频带宽度，t_c为信号的持续时间，t为时间。

为了生成与多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器采用的变间距的激励线圈间隔相一致的信号时，选择了起始频率300kHz，频带宽度450kHz，持续时间5.75μs的Chirp信号，如图6所示。接收信号如图7所示。从图7中可以看到多个反射波包，信号比较复杂，下面介绍利用宽频Chirp信号激励的响应信号来提取单频响应信号的方法：

超声导波在结构中传播时，利用单频的Tone burst信号作为激励信号时，对应的系统响应函数在频域中可表示为：

R_t(ω)＝S_t(ω)H_t(ω)    (3)

其中，S_t(ω)单频激励源的频域函数，R_t(ω)单频激励响应频域函数，H_t(ω)为试件系统单位冲击响应频域函数。

当利用Chirp信号作为激励信号时，对映的系统响应函数在频域中可表示为：

R_c(ω)＝S_c(ω)H_c(ω)    (4)

其中，S_c(ω)Chirp信号宽频激励源的频域函数，R_c(ω)宽频激励响应频域函数，H_c(ω)为试件系统单位冲击响应频域函数。

在同一试验条件下，单频的Tone burst信号和宽频chirp信号作用时系统相同，即H_c(ω)＝H_t(ω)，进而推出：

$R_t\left(t\right)=\mathrm{IFFT}\left[R_c\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{S_t\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_c\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]---\left(5\right)$

即可以提取宽频Chirp信号其频带宽度下任意单频响应信号。图8为宽频Chirp信号激励的响应信号中提取频率从300kHz增加到500kHz时(步长为40kHz)5个周期的单频响应信号，时间零点位置处为射频信号，根据时间飞行法，参考图1中多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器的安装位置，以及T(0,1)的群速度v_g，可以确定250μs附近的波包为合金钢管12左端反射回波，450μs附近的波包为合金钢管12右端反射回波，700μs附近的波包为合金钢管先经左端反射再次被右端反射回波与先经过右端面反射再被左端反射回波叠加波，故该波包幅值较前两个端面反射回波幅值大。图8中，利用宽频Chirp信号激励的响应信号在420kHz、460kHz、500kHz(远大于T(0,2)的截止频率f_cut-off—332kHz)频率点提取的单频响应信号中，都可以明显看出在左端面和右端面反射回波之间有其他波包，通过计算，可以判断幅值最大的波包为T(0,2)模态。

为了验证利用宽频Chirp信号激励的响应信号中提取的单频Tone burst响应信号与相应的单频Tone burst信号激励的响应信号的一致性，对两种不同的激励方式得到相应信号进行对比，利用函数发生器产生的频率380kHz，5个周期的Tone burst波形作为激励信号，如图9所示，实验系统与上述实验相同，得到频率380kHz，5个周期的Tone burst激励时的响应信号如图10所示，将其与图8中宽频Chirp信号激励的响应信号中提取的频率380kHz、5个周期的单频响应信号进行对比，如图11，12所示。图11为频率380kHz、5个周期时，单频Tone burst信号激励的响应信号与宽频Chirp信号激励的响应信号中提取相应单频响应信号的全局对比图，为了能清楚看到对比效果，将图10中时间在200μs和300μs信号局部放大得到图12，灰色虚线为单频Tone burst信号激励的响应信号，黑色实线为利用宽频Chirp信号激励的响应信号中提取的相应的单频响应信号，可以看出两者在时域上能很好的吻合。

Claims (5)

1.一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：其包括镍带(1)，铷铁硼磁铁(2)，变间距回折线圈(3)；其检测对象为合金钢管，使用环氧树脂胶将镍带(1)粘接或固定于检测管道外表面一周，铷铁硼磁铁(2)和变间距回折线圈(3)依次相隔的置于镍带(1)上且环向均匀分布管道外表面一周，保证每两个铷铁硼磁铁(2)之间有一个变间距回折线圈(3)，将所有的变间距回折线圈(3)并联，保证不同变间距回折线圈(3)阵列单元中的电流，在同一时刻方向一致，基于磁致伸缩效应，紧贴管道外表面布置的镍带(1)产生方向一致的剪切变形，并将这种剪切运动传递给管道，在管道中激励出扭转模态。

2.如权利要求1所述的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：所述铷铁硼磁铁(2)和变间距回折线圈(3)的个数均为4。

3.如权利要求1所述的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：镍带(1)长度为管道外表面周长，宽度为研制的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器线圈覆盖的宽度，镍带(1)的边缘打磨变薄；所述的镍带(1)可更替为其他磁致伸缩系数较高的材料的薄带，材料包括铁钴合金。

4.如权利要求1所述的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：铷铁硼磁铁(2)形貌为扇形，沿沿扇形对称轴两侧极化，环向均匀布置管道一周，在镍带(1)表面附近产生环向分布静磁场，相邻的两个铷铁硼磁铁(2)距离最近的侧表面磁极相反，使磁场线沿环形方向一致即沿顺时针或逆时针传递。

5.如权利要求1所述的多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：变间距回折线圈(3)一共有两层，上下两层线圈之间相互绝缘，一个作为激励线圈来激励信号，一个作为接收线圈来接收信号，而且上下两层线圈的线间距变化趋势相反，一个为线性递增变化，另一个为线性递减变化，由于回折型线圈中两相邻导线的电流方向相反，其产生的动磁场方向相反，因而产生的声波的半波长与相邻导线间隔相一致，即线圈间隔与激励和接收波长具有一定的选择性，激励信号选择与变间距回折线圈的间距变化相一致的宽频Chirp信号，采用柔性FPC印刷的变间距回折线圈(3)。