CN104820025B - 一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器 - Google Patents
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Abstract
一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，属于超声无损检测领域。该传感器包括传感器外壳、扇形铷铁硼磁铁、手工绕制的螺旋线圈、圆形镍片。将边缘经过打磨后的圆形镍片粘接在待测铝板表面，传感器外壳、铷铁硼磁铁固定在其正上方，基于铁磁性材料镍的磁致伸缩效应，圆形镍片会产生剪切变形，并将这种变形传递给铝板，实现板结构中全向型水平剪切模态SH0的激励。通过全向性测试实验，验证了所研制的磁致伸缩传感器可激励出沿360°方向传播的水平剪切模态SH0。利用研制的全向型水平剪切模态磁致伸缩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
技术领域
本发明为一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中激励出沿360°方向传播的SH0模态导波。
背景技术
超声导波技术是一种新兴的无损检测新技术，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，可实现板、壳、管道、杆等结构的有效检测，近年来受到人们的广泛关注。由于超声导波的传播特性(如频散、多模态和衰减等)直接关系其检测效果。基于导波在结构中的传播特性，选择合适的检测模态和频率范围相当重要。由于超声导波最低阶水平剪切模态SH0在传播过程中的非频散特性，使得该模态对板结构无损检测具有一定优势。
目前，常用的激励超声导波的方式主要有两种，一种是基于材料压电效应的压电传感器(PZT)。压电传感器在激励接收超声波时，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，检测效率较低，且压电传感器很难激励出SH模态导波。另一种方式是基于电磁耦合效应的电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)。EMAT有两种工作机理，洛伦兹力和磁致伸缩效应，且其结构多变、可设计性强，通过改变线圈排布与偏置磁场方向，可以激励出不同模态导波。1979年，R.B.Thompson等基于磁致伸缩机理利用回折线圈在铁磁性材料中产生水平剪切模态SH0。1990年，R.B.Thompson等采用周期永磁铁(Periodic Permanent Magnet,PPM)构成的EMAT在铝板中激励出水平剪切模态SH0。2010年，焦敬品等基于磁致伸缩效应设计制作了一种SH0模态磁致伸缩传感器，该换能器通过磁致伸缩片(镍带)与非铁磁性板(铝板)的相互作用，在铝板中有效的激励水平剪切波(SH0)。2013年，Y.Y.Kim等利用在镍片上绕制的环形线圈和圆柱形永磁铁，设计出一种全向型SH0模态磁致伸缩传感器，但该传感器线圈绕制困难，且对镍片粘接要求较高，检测重复性较差。
发明内容
本发明旨在设计一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，可在360°方向上激励出水平剪切模态SH0，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检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括传感器外壳1，铷铁硼磁铁2，螺旋线圈3，圆形镍片4，其特征在于：传感器外壳1包括4个相同的呈中心对称布置的扇形阵列单元，每相邻两个单元间有一个扇形间隙；将导线缠绕在传感器外壳1扇形阵列单元上分布的环形台阶上，绕制成螺旋线圈3，将所有传感器外壳1扇形阵列单元上缠绕的螺旋线圈3并联，保证传感器外壳1单元上缠绕的螺旋线圈3中的电流，在同一时刻方向一致；圆形镍片4粘接在铝板上，传感器外壳1、铷铁硼磁铁2固定在圆形镍片4正上方，且铷铁硼磁铁2位于传感器外壳1扇形阵列单元的扇形间隙中，并沿圆形镍片4周向交替布置。
所述的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：传感器外壳1包括4个相同的呈中心对称布置的扇形阵列单元，每个扇形阵列单元包含5个同心的等间距环形台阶。所述传感器外壳1中扇形阵列单元个数及每个扇形阵列单元上分布的环形台阶的个数都可根据实际检测情况作以调整；
所述的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：铷铁硼磁铁2形貌为扇形，沿两侧极化，周向均匀布置在圆形镍片4上，在圆形镍片4表面附近产生沿其圆周方向分布静磁场，相邻的两个铷铁硼磁铁2距离最近的侧表面磁极相反，使磁场线沿周向方向一致(顺时针或逆时针)传递；
所述的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：螺旋线圈3选择铜漆包线，将线圈缠绕在传感器外壳1扇形阵列单元上分布的环形台阶，每个环形台阶上绕制线圈呈环形螺线管状，漆包线每绕完一个环形台阶改变一次缠绕方向，即让相邻两个环形螺线管状线圈一个为顺时针方向缠绕，另一个为逆时针方向缠绕；相邻两个环形螺旋线圈间距d等于设计的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器理论中心频率对应的半波长λ/2。
所述的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：圆形镍片4的直径等于传感器外壳1的直径，圆形镍片4的边缘需要打磨变薄。所述的圆形镍片4可更替为其他磁致伸缩系数较高的材料的薄片。
本发明可以获得如下有益效果：
1、利用传感器外壳1中分布的环形台阶来缠绕线圈，使绕制螺旋线圈3排布更加整齐，产生沿着圆形镍片4径向均匀分布且强度较高的动磁场，提高信号的能量和信噪比；
2、传感器外壳1单元中分布的环形台阶上缠绕的相邻两个螺旋线圈间距d等于设计的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器理论中心频率对应的半波长λ/2，改变传感器外壳1中分布的环形台阶间距来绕制不同尺寸的螺旋线圈3，可以设计出不同中心频率的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器；
3、所有传感器外壳1单元上缠绕的螺旋线圈3采用并联连接方式，提高了信号能量和信噪比；
4、采用扇形的铷铁硼磁铁2，沿着扇形对称轴两侧极化，在圆形镍片4表面附近产生沿其圆周方向均匀分布的静磁场；
5、采用粘接等其他方式将铁磁性材料圆形镍片4固定在板结构表面，基于磁致伸缩效应，可以在不同材料属性的板结构中激励出SH0模态；
6、圆形镍片4的边缘打磨变薄，使圆形镍片4与板结构接触边界有一个过渡区域，可以减少导波在镍片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为全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器结构示意图；
图2为全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器分解示意图；
图3为传感器外壳扇形阵列单元及其上缠绕的螺旋线圈示意图；
图4为铷铁硼磁铁示意图；
图5为圆形镍片示意图；
图6a为1mm厚铝板的群速度频散曲线；
图6b为1mm厚铝板的相速度频散曲线；
图7为试验系统；
图8为激励频率为310kHz时接收信号；
图9为全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的频率特性；
图10为全向型测试试验的传感器布置示意图；
图11为全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器在不同角度检测到SH0模态归一化幅值；
图中：1、传感器外壳，2、铷铁硼磁铁，3、螺旋线圈，4、圆形镍片，5、高能超声激励接收装置RAM5000，6、计算机，7、数字示波器，8、双工器，9、阻抗匹配模块，10、激励传感器，11、铝板，12、接收传感器，13、波包a，14、波包b，15、波包c。
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，设计了一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，利用该传感器在铝板上激励出模态单一的周向一致SH0模态。
全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器结构示意图和分解示意图如图1、2所示，包括传感器外壳1、铷铁硼磁铁2、螺旋线圈3、圆形镍片4。检测对象为铝板，规格为1000×1000×1(单位：mm)。图5为上述铝板群速度和相速度频散曲线。使用环氧树脂胶将圆形镍片4粘接在铝板表面，将4个扇形铷铁硼磁铁2周向均匀布置在圆形镍片4上，传感器外壳2包含4个相同的扇形阵列单元，将线圈缠绕在传感器外壳2扇形阵列单元上分布的环形台阶上，绕制成螺旋线圈3，传感器外壳1同样置于圆形镍片4上方，铷铁硼磁铁2与传感器外壳1的扇形阵列单元沿着镍片4圆周方向交替分布。
所述的传感器外壳1扇形阵列单元如图3所示，扇形中心角为70度，每个单元布置5个同心的等间距环形台阶，台阶间距为2.5mm，每个环形台阶径向宽度为2.5mm，厚为10mm。
所述的铷铁硼磁铁2如图4所示，形貌为扇形，沿扇形对称轴两侧极化，扇形的外半径ri与传感器外壳1外半径相同即为30mm，扇形张角θ为19°，沿扇形径向长度h为25mm，铷铁硼磁铁2的厚度l为10mm。铷铁硼磁铁2位置分布如图1、2所示，周向均匀布置在圆形镍片4上，与传感器外壳1的扇形阵列单元沿着镍片4圆周方向交替分布，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。
所述的螺旋线圈3缠绕方式如图3所示，线圈选用直径为0.3mm的铜漆包线，将漆包线缠绕在传感器外壳1单元上分布的环形台阶，漆包线每绕完一个环形台阶改变一次缠绕方向，即让相邻两个环形线圈一个为顺时针方向缠绕，另一个为逆时针方向缠绕；相邻两个螺旋线圈间距d等于设计的水平剪切模态磁致伸缩传感器理论中心频率对应的半波长λ/2，该传感器外壳1单元中分布的环形台阶上缠绕的相邻两个环形螺旋线圈间距d＝5mm，对应的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率fc为313kHz。
所述的圆形镍片4如图5所示，其直径等于传感器外壳1外径D为60mm，厚度为0.1mm，并将镍片的边缘进行打磨变薄。
试验系统如图7所示，包括高能超声激励接收装置RAM50005，计算机6，数字示波器7，双工器8，阻抗匹配模块9，全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器10，铝板11；计算机6用来控制高能超声激励接收装置RAM50005的运行，高能超声激励接收装置RAM50005能够产生高能激励信号，数字示波器7用于信号的观测和存储；双工器8的作用是实现传感器的自激自收试验过程中，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，在传感器前添加了阻抗匹配模块9。在全向性测试试验中，接收传感器12选择无需接触的周期永磁铁式EMAT，避免了以全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器作为接收传感器时，圆形镍片4的粘接条件不同对接收信号幅值的影响，更加精确反映和验证设计的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的SH0模态检测的全向性。
1)频率特性测试
根据选用的参数，确定全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器结构，设计出全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率fc为313kHz。通过环氧树脂胶将圆形镍片4粘接在铝板11表面，传感器外壳1、铷铁硼磁铁2分别至于圆形镍片正上方，采用自激自收方式进行试验，全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器10置于检测对象铝板11距左端面440mm、后端面220mm处，激励信号频率为经汉宁窗调制的5周期正弦波，图8为激励频率在310kHz时接收信号，可以分辨三个回波波包，波包a13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b14、波包c15预测为距离传感器较近的后端面、左端面反射回波，利用时间飞行法(Time-of-Flight,ToF)，计算波包b14、波包c15的实际传播速度或群速分别为3188m/s、3152m/s。与SH0波在铝板11中理论群速度3130m/s基本吻合，误差分别为1.8％、0.7％。说明了设计的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器可以产生模态单一的最低阶水平剪切模态SH0。
为了测试研制的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的频率特性，将激励频率以步长10kHz从200kHz增加到400kHz，提取各个频率点接收信号中第一个端面回波SH0模态包络峰值，得出全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的频率特性如图9所示，试验数据分别用圆圈表示，通过曲线拟合，看出全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的中心频率为300kHz，与理论中心频率313kHz较为吻合，误差为4.1％。
2)全向性测试
为了测试设计的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的全向性，试验系统与上述试验相同，全向性测试试验的传感器布置示意图如图10所示，激励传感器10为研制的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，将其置于铝板11中心作为激励源，接收传感器12为周期永磁铁式EMAT，置于以激励源为圆心，半径为300mm半圆周上，间隔为15°，其方向始终指向作为激励源的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器。
图11为全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器在不同角度检测得到SH0模态信号归一化幅值，介于(0.6～1.00)之间，其中幅值稍小的区域是磁铁磁铁所在区域；该试验验证了设计的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器可激励出沿360°方向传播的SH0模态导波。
Claims (1)
1.一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括传感器外壳(1)，铷铁硼磁铁(2)，螺旋线圈(3)，圆形镍片(4)；其特征在于：传感器外壳(1)包括4个相同的呈中心对称布置的扇形阵列单元，每相邻两个单元间有一个扇形间隙；将导线缠绕在传感器外壳(1)扇形阵列单元上分布的环形台阶上，绕制成螺旋线圈(3)，将所有传感器外壳(1)扇形阵列单元上缠绕的螺旋线圈(3)并联，保证传感器外壳(1)单元上缠绕的螺旋线圈(3)中的电流，在同一时刻方向一致；圆形镍片(4)粘接在铝板上，传感器外壳(1)、铷铁硼磁铁(2)固定在圆形镍片(4)正上方，且铷铁硼磁铁(2)置于传感器外壳(1)扇形阵列单元间的扇形间隙中，并沿圆形镍片(4)周向交替布置；
传感器外壳(1)包括4个相同的呈中心对称布置的扇形阵列单元，每个扇形阵列单元布置5个同心的等间距环形台阶；所述传感器外壳(1)中扇形阵列单元个数及每个扇形阵列单元上分布的环形台阶的个数都可根据实际检测情况作以调整；所述的铷铁硼磁铁(2)形貌为扇形，沿扇形对称轴两侧极化；周向均匀布置在圆形镍片(4)上，与传感器外壳(1)的扇形阵列单元沿着镍片(4)圆周方向交替分布，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传递；
螺旋线圈(3)采用如下的绕线方式，将漆包线缠绕在传感器外壳(1)单元上分布的环形台阶，漆包线每绕完一个环形台阶改变一次缠绕方向，即让相邻两个环形线圈一个为顺时针方向缠绕，另一个为逆时针方向缠绕；相邻两个螺旋线圈间距d等于设计的水平剪切模态磁致伸缩传感器理论中心频率对应的半波长λ/2；通过改变相邻两根导线间距d，设计出不同中心频率的全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器；圆形镍片(4)的直径等于传感器外壳(1)的直径，圆形镍片(4)的边缘需要打磨变薄；所述的圆形镍片(4)或为其它磁致伸缩系数较高的材料的薄片。
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