CN104820024B - 一种全向型A0模态Lamb波电磁声传感器 - Google Patents

Abstract

一种全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，属于超声无损检测领域。本发明提出了一种集成在柔性电路板中双层螺旋形回折线圈结构，设计并研制一种全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，实现在铝板中单一A₀模态Lamb波的激励。通过试验验证了所研制的电磁声传感器可在铝板中激励出单一的A₀模态，并利用该传感器实现了铝板中缺陷的检测，且定位精度较高；通过扫频实验，验证了所研制的电磁声传感器具有较好的频率响应特性；通过全向性测试实验，验证了所研制的电磁声传感器具有较好的全向性。利用研制的全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器及其阵列结合成像算法可以实现对板结构的大范围、高效率的缺陷成像，在板结构健康监测和无损评价领域，具有极大的应用价值和潜力。

Description

一种全向型A0模态Lamb波电磁声传感器

技术领域

本发明为一种全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，属于超声无损检测领域，其可在板结构中激励全向型的单一A₀模态Lamb波。

背景技术

金属板材作为一种基本的工业原材料，被广泛的应用于航空航天、土木、机械等领域。但目前金属板材在生产过程中不可避免的存在裂纹、分层、夹杂等缺陷，所以利用无损检测技术对其进行质量检测是非常有必要的。超声导波技术是一种新兴的无损检测新技术，相比传统的检测方法，其具有检测范围大、效率高、衰减小等优点，对于结构表面缺陷和内部缺陷都相当敏感，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。 Lamb波是在板结构中传播的超声导波，常用的Lamb波检测模态主要包括零阶反对称模态 (A₀模态)和零阶对称模态(S₀模态)两种。与S₀模态相比，A₀模态的质点振动位移以离面位移为主，且波长更短，故其对板中的缺陷更为敏感，适用于板结构中缺陷的精确检测。

目前，常用的超声Lamb波传感器主要有压电传感器(PZT)和电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)两种。在使用压电传感器时，必须要在被测试件表面涂抹纯净均匀的耦合剂，由于耦合剂的介入使得压电超声技术的应用受到了一些限制，例如不适合用于高温、高速、表面粗糙试件的检测，再如检测的盲区比较大，检测效率底等。与压电传感器相比，EMAT具有非接触、无需耦合介质、对被测件表面要求不高、方便产生各种模态超声导波等诸多优点，可应用于高温、有隔离层等特殊场合。

电磁声传感器一般主要包括磁铁和线圈两部分。通过改变磁铁和线圈的结构形式，可设计出不同类型的电磁声传感器。1997年，Guo等利用回折线圈和方形永磁体，设计出一种指向性A₀模态电磁声传感器，并进行了铝板中凹槽缺陷的检测试验，得出了Lamb波的散射场模型。指向性传感器是指其波束具有一定的方向性，即主能量分布于某一特定方向。而全向型传感器在360°方向上具有相同的指向性，因此利用全向型传感器及其阵列能够实现板结构的大范围、高效率的检测。2010年，焦敬品等基于洛伦兹力原理，利用螺旋线圈和圆柱形永磁体，设计出一种全向型S₀模态电磁声传感器。2013年，刘增华等基于磁致伸缩效应，设计并制作一种全向型S₀模态磁致伸缩传感器，并进一步利用研制的传感器组成稀疏传感器阵列，实现了铝板中缺陷的定位与成像。2014年，黄松岭等利用螺旋形回折线圈和圆柱形永磁铁，设计出一种全向型A₀模态电磁声传感器，但该传感器激励导波的能量和信噪比较低，且模态单一性问题有待提高。

发明内容

本发明旨在设计一种全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，在360°方向上具有相同的指向性，其性能要优于窄带和无指向性的传感器，利用这种全向型传感器及其阵列结合成像算法能够实现对板结构的大范围、高效率的结构健康监测和无损评价(StructuralHealth Monitoring,SHM&Nondestructive Evaluation,NDE)。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁1，环形铷铁硼磁铁2，支撑套3，柔性电路板中螺旋形回折线圈4；具体而言，圆柱状铷铁硼磁铁1安装在支撑套 3中，支撑套3嵌套在环形铷铁硼磁铁2内，且三者形心完全重合；柔性电路板中螺旋形回折线圈4置于环形铷铁硼磁铁2的下端，并与之紧密接触。

所述的全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁1、环形铷铁硼磁铁2均沿厚度方向极化，二者组成同心磁铁对，且同一端处极性相反。

所述的全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：支撑套3的材料为有机玻璃，其形貌为一个同心圆环，用于磁铁的安装与定位。

所述的全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中螺旋形回折线圈4，采用双层螺旋形回折式布线方式，使得相邻两根导线中电流方向相反，每相邻两根导线间距为l，螺旋形回折线圈的内径d为导线间距l的3倍。

本发明可以获得如下有益效果：

1、圆柱状铷铁硼磁铁1嵌套在环形铷铁硼磁铁2内部，组成同心磁铁对，且两磁铁在同一端处极性相反，可提供沿磁铁径向分布的静磁场；

2、使用支撑套3对磁铁1、2进行安装定位，保证了两个磁铁的同心度，使得磁场分布更加均匀，保证了传感器激励能量的周向一致性；

3、柔性电路板中螺旋形回折线圈4，相邻两根导线间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的A₀模态的半波长λ/2，通过改变相邻两根导线间距l，可以设计出不同中心频率的全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器；

4、柔性电路板中螺旋形回折线圈4，采用双层布线方式，提高了传感器的性能；

5、所设计的电磁声传感器可在导电性材料板中激励出周向一致的单一A₀模态Lamb 波，实现板结构的非接触检测。

附图说明

图1为全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器结构示意图；

图2a为1mm厚铝板的群速度频散曲线；

图2b为1mm厚铝板的相速度频散曲线；

图3为全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器检测铝板缺陷试验系统示意图；

图4为激励频率为390kHz时接收信号波形图；

图5为全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器的频率响应特性曲线；

图6为全向型测试试验的传感器布置示意图；

图7为全向型A₀模态电磁声传感器在不同角度检测到A₀模态Lamb波归一化幅值。

图中：1、圆柱状铷铁硼磁铁，2、环形铷铁硼磁铁，3、支撑套，4、螺旋形回折线圈，5、高能超声激励接收装置RAM5000，6、计算机，7、数字示波器，8、激励端阻抗匹配模块，9、接收端阻抗匹配模块，10、前置放大模块，11、激励传感器，12、接收传感器，13、铝板，14、圆形通透缺陷，15、波包a，16、波包b，17、波包c，18、波包d，19、波包e。

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。

如图1，为本发明全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器结构示意图；包括圆柱状铷铁硼磁铁1，环形铷铁硼磁铁2，支撑套3，双层螺旋形回折线圈4。圆柱状铷铁硼磁铁1、环形铷铁硼磁铁2组成同心磁铁对，且同一端处极性相反，可产生沿磁铁径向均匀分布的静磁场。双层螺旋形回折线圈4置于同心磁铁对底端，并与之紧密接触。

所述的圆柱状铷铁硼磁铁1如图1所示，沿厚度方向极化，其直径D₁为6mm，厚度 h₁为10mm。

所述的环形铷铁硼磁铁2如图1所示，沿厚度方向极化，其外径D₂为40mm，内径d₂为24mm，厚度h₂为10mm。

所述的支撑套3如图1所示，材料为有机玻璃，用于圆柱状铷铁硼磁铁1、环形铷铁硼磁铁2的安装与定位，其外径D₃等于环形铷铁硼磁铁2的内径d₂为24mm，其内径d₃等于圆柱状铷铁硼磁铁1的外径D₁为6mm，厚度h₂为5mm。

所述的螺旋形回折线圈4如图1所示，采用螺旋形回折布线方式，底上双层布线，线圈的外径为28mm，内径为6.6mm。导线宽度为0.2mm，相邻两导线中心间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的A₀模态的半波长λ/2，该传感器导线间距l＝2.2mm，对应的全向型的A₀模态电磁声传感器的理论中心频率为387kHz。

利用参数确定后的电磁声传感器，提供了一种使用A₀模态Lamb波检测铝板缺陷的方法：

图2a-2b为检测对象1mm厚铝板的群速度和相速度频散曲线。图3为全向型的A₀模态 Lamb波电磁声传感器检测铝板缺陷试验系统示意图，该系统包括高能超声激励接收装置 RAM-50005、计算机6、数字示波器7、激励端阻抗匹配模块8、接收端阻抗匹配模块9、前置放大模块10、激励传感器11、接收传感器12、检测对象铝板13(尺寸：长×宽×厚＝1000×1000×1mm)；计算机6用来控制RAM-50005的运行，产生高能脉冲信号；数字示波器7用于信号的观测和存储，同时配置前置放大模块10，实现传感器接收信号的放大；

所述激励传感器11、接收传感器12均为全向型A₀模态电磁声传感器。

为了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，在激励传感器11 和接收传感器12前添加了激励端阻抗匹配模块8和接收端阻抗匹配模块9。激励传感器11 置于检测对象铝板13上(距铝板左端面240mm，距铝板后端面370mm)，接收传感器12位于激励传感器11正右方，两者相距470mm；圆形通透缺陷14直径为2mm，位于铝板13 的中心。

利用高能超声激励接收装置RAM50005产生高能量信号激励A₀模态电磁声传感器11，在带有缺陷的铝板13中激励出A₀模态Lamb波，根据波传播的路程，预测接收传感器12依次接收到激励传感器直达波，缺陷反射回波，后端面的反射回波，左端面的反射回波。

首先根据上述参数所确定的全向型A₀模态电磁声传感器结构，试验验证研制的电磁声传感器能有效的激励出A₀模态。激励信号为经汉宁窗调制的5周期正弦波，图4为激励频率在390kHz时接收信号波形，分辨五个回波波包，波包a15为传感器激励时产生的串扰信号，与激励信号的时间几乎一致；波包b16为接收传感器接收到的直达波信号；激励和接收传感器相距470mm，利用时间飞行法(Time-of-Flight,ToF)，计算波包b16的实际传播速度或群速度v_g＝2s/t＝2764m/s。由使用商用Disperse软件得到群速度的频散曲线图2可知，A₀模态在1mm后铝板中390kHz频率点处的理论群速度2776m/s，与通过试验计算得到实际传播速度v_g相比，相对误差为0.4％，确定设计的全向型A₀模态电磁声传感器可以激励出单一的A₀模态。

然后，根据上述参数所确定的全向型A₀模态电磁声传感器结构，试验验证研制的全向型A₀模态电磁声传感器的中心频率。激励信号依然为经汉宁窗调制的5周期正弦波，将激励频率以步长10kHz从310kHz增加到470kHz，提取各个频率直达波的峰值，得出全向型A₀模态电磁声传感器的频率响应特性曲线如图5所示，试验数据分别用圆圈表示，通过曲线拟合，可以看出A₀模态电磁声传感器的实际中心频率为390kHz，与上述参数所确定的 A₀模态Lamb波电磁声传感器理论中心频率f_c为387kHz基本吻合，相差1％。

接着，根据上述参数所确定的全向型A₀模态电磁声传感器结构，试验验证研制的全向型A₀模态电磁声传感器能有效地检测铝板中存在的缺陷。通过分析图4为激励频率在390kHz时接收信号中波包c17、波包d18和波包e19，利用波包b16计算出的铝板13中A₀模态的实际传播速度v_g(2764m/s)，来反推波包c17、波包d18和波包e19的传播的路程分别为561m、896mm和975mm。与实际缺陷回波的传播路程546mm、后端面回波880mm和左端面回波的传播路程950mm相比，相对误差分别为2.7％、2.3％和3.2％，可以确定波包 c17为缺陷回波，波包d18为上端面的反射回波，波包e19为左端面反射回波。

最后，对所设计的全向型A₀模态电磁声传感器的全向型进行试验验证，试验系统与上述试验相同如图3所示，全向型测试试验的传感器布置示意图如图6所示，将所研制的全向型A₀模态电磁声激励传感器11置于铝板13中心作为激励源，接收传感器12均匀布置于以激励源为圆心，半径为300mm半圆周上，间隔为15°。

图7为全向型的A₀模态电磁声传感器在不同角度检测到A₀模态Lamb波归一化幅值，介于(0.9-1.0)之间，验证了设计的全向型的A₀模态电磁声传感器的全向性。

Claims (1)

1.一种全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁(1)，环形铷铁硼磁铁(2)，支撑套(3)，柔性电路板中螺旋形回折线圈(4)；其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁(1)安装在支撑套(3)中，支撑套(3)嵌套在环形铷铁硼磁铁(2)内，且三者形心完全重合；柔性电路板中螺旋形回折线圈(4)置于环形铷铁硼磁铁(2)下端，并与之紧密接触；圆柱状铷铁硼磁铁(1)、环形铷铁硼磁铁(2)均沿厚度方向极化，二者组成同心磁铁对，且同一端处极性相反，可提供沿磁铁径向分布的静磁场；支撑套(3)的材料为有机玻璃，其形貌为一个同心圆环，使用其对磁铁(1)、(2)进行安装定位，保证了两个磁铁的同心度，使得磁场分布更加均匀，保证了传感器激励能量的周向一致性；柔性电路板中螺旋形回折线圈(4)，相邻两根导线间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的A₀模态的半波长λ/2，通过改变相邻两根导线间距l，可以设计出不同中心频率的全向型A₀模态Lamb波电磁声传感器；柔性电路板中螺旋形回折线圈(4)，采用双层布线方式。