CN105021715B - 一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器 - Google Patents

Abstract

一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，本发明提出了一种集成在柔性电路板中双层扇形阵列式回折线圈结构，设计并研制一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器。基于铁磁性材料镍的磁致伸缩效应，实现板结构中全向型水平剪切模态SH波的激励。通过试验验证了所研制的阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器可在铝板中激励出单一的SH₀模态导波，并验证了所研制的阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器具有较好的频率响应特性。利用研制的阵列式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

一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器

技术领域

本发明为一种阵列式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

金属板材结构被广泛的应用于航空航天、土木、机械等多个领域。在生产和使用过程中，金属板结构不可避免会产生损伤，大大降低材料的使用寿命。为了保证金属板结构使用的安全性，有必要对其进行无损检测。作为一种快速、高效的无损检测方法，超声导波技术已广泛应用于多种工程结构(如板、管和杆)的无损评价和健康检测。超声导波检测试验需要基于导波的频散、多模态和衰减等传播特性选择合适的检测模态和频率范围。由于最低阶水平剪切模态SH₀在板结构中传播过程中的非频散特性，使得SH₀模态对板结构无损检测具有一定的优势。

目前，常用的激励超声导波的传感器主要有两种，一种是基于材料压电效应的压电传感器(Piezoeletric Transducer,PZT)，另一种是基于电磁耦合效应的电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)。压电传感器频率带宽较窄，容易激励出多个导波模态，且较难激励出SH模态导波；而20世纪60年代出现的EMAT不仅具有与被测试件非接触、无需耦合介质，可适用于高温高速检测的优点，而且其结构可设计性较强。EMAT主要包括线圈和磁铁两部分，通过改变线圈排布与偏置磁场方向，可以设计出激励不同模态导波的传感器。1999年，Hirotsugu Ogi等利用不等间距的蛇形线圈和永磁铁，设计了一种线聚焦SV波电磁超声换能器。2004年，S.H.Cho等设计制作了一种方向可调的磁致伸缩传感器，用于非铁磁性金属和非金属的监测。2005年，Paul D.Wilcox等利用永磁铁和盘状线圈设计了一种在非铁磁性波导中激励Lamb波电磁超声换能器，此换能器在轴向具有相同的指向性。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与非铁磁性板的相互作用，在铝板中有效地激励SH₀模态导波。目前，能在板中激励出全向型水平剪切模态导波的传感器鲜见报道。

发明内容

本发明旨在设计一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，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。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，该传感器包括支撑套1、铷铁硼磁铁2、柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3、圆形镍片4；支撑套1包括四个相同的呈中心对称布置的扇形单元，每相邻两个单元间有一个扇形间隙；铷铁硼磁铁2置于支撑套1扇形单元间的扇形间隙中，周向交替布置；柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3置于安装铷铁硼磁铁2的支撑套1下端，扇形阵列式回折线圈的扇形间隙与磁铁一一对应；圆形镍片4粘接在铝板上，支撑套1、铷铁硼磁铁2和柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3固定在圆形镍片4正上方。

支撑套1的材料为有机玻璃，其形貌包括四个相同的呈中心对称布置的扇形单元，用于磁铁的安装与定位。

铷铁硼磁铁2横截面为扇形，沿扇形对称轴两侧极化，周向均匀布置在圆形镍片4上，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(顺时针或逆时针)传递，在圆形镍片4表面附近产生沿其圆周方向分布的静磁场。

柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3，采用双层扇形回折布线方式，使得相邻两根导线中电流方向相反。柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3中相邻两根流过同向(顺时针或逆时针)电流的线圈间距为L₃，等于设计的阵列式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；内径d₃为同L₃的3倍。

圆形镍片4的直径等于柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3的最大扇形外径，圆形镍片4的边缘需要打磨变薄。所述的镍片4可更替为其他具有更高磁致伸缩系数的薄片。

本发明可以获得如下有益效果：

1、扇形铷铁硼磁铁2，沿着扇形对称轴两侧极化，周向交替布置，相邻磁铁相对侧面极性相反，在圆形镍片4表面附近产生沿其圆周方向分布的静磁场；

2、支撑套1对磁铁2进行安装定位，保证了扇形磁铁的同心度，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、柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3，采用双层布线方式，提高传感器的性能；

4、柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3，每层由四个扇形回折线圈组成。每个扇形回折线圈流过同向电流的相邻两根导线间距L₃等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的水平剪切模态的半波长λ/2；通过改变参数L₃，可以设计出不同中心频率的阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器；

5、所有柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3中的扇形单元采用并联连接方式，提高了信号能量和信噪比；

6、圆形镍片4，采用粘接等方式固定在板结构表面，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；

7、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阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器分解示意图；

图2支撑套示意图；

图3铷铁硼磁铁示意图；

图4柔性电路板中扇形阵列式回折线圈示意图；

图5圆形镍片示意图；

图6.1为1mm厚铝板的超声导波群速度频散曲线

图6.2为1mm厚铝板的超声导波相速度频散曲线；

图7实验系统；

图8激励频率为390kHz时接收信号；

图9阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的频率特性；

图10全向型测试实验的传感器布置示意图；

图11阵列式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、支撑套，2、铷铁硼磁铁，3、柔性电路板中扇形阵列式回折线圈，4、圆形镍片，5高能脉冲激励接收装置RPR4000，6、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、激励传感器，10、接收传感器，11、铝板，12、第一波包，13、第二波包，14、第三波包，15、接收传感器。

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，设计了一种阵列式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周向一致的SH₀模态导波。

阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器结构示意图如图1所示，包括支撑套1、铷铁硼磁铁2、柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3、圆形镍片4。检测对象为铝板，规格为1000×1000×1(单位：mm)。图6.1-6.2为上述铝板的超声导波群速度和相速度频散曲线。当波长λ确定时，可以唯一确定产生的水平剪切波的频率。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周向交替布置，用支撑套最终定位，产生周向分布的静磁场。柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3至于支撑套1之下，且扇形阵列式回折线圈的扇形间隙与磁铁一一对应，圆形镍片4之上。

所述的支撑套1扇形阵列单元如图2所示，扇形中心角θ₁为71°，厚h₁为10mm。

所述的铷铁硼磁铁2如图3所示，截面为扇形，沿扇形对称轴两侧极化，扇形的外半径r₂与回折线圈外半径相同即为20mm，扇形张角θ₂为19°，沿扇形径向长度l₂为16mm，厚度h₂为10mm。铷铁硼磁铁2位置分布如图1所示，周向均匀布置在柔性电路板无回折线圈的扇形区域，沿着圆形镍片4圆周方向交替分布。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(顺时针或逆时针)传递，在圆形镍片4表面附近产生环向分布静磁场。

所述的柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3如图4所示，采用扇形回折布线方式，双层布线，每层四个共八个扇形回折线圈。每个扇形回折线圈的中心角θ₃为70°，外径D₃为40mm，内径d₃为12mm。导线宽度为0.2mm，其流过同向电流的相邻两根导线间距L₃等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的水平剪切模态的半波长λ/2，该传感器同向导线间距L₃＝4mm，对应的阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率f_c为391kHz。

所述的圆形镍片4如图5所示，其直径D₄等于扇形回折线圈外径40mm，厚度为0.1mm，并将镍带的边缘进行打磨变薄。

实验系统如图7所示，包括高能脉冲激励接收装置RPR40005、数字示波器6、激励端阻抗匹配模块7、接收端阻抗匹配模块8、激励传感器9、接收传感器10、铝板11。高能脉冲激励接收装置RPR40005能够产生高能激励信号，数字示波器6用于信号的观测和存储；激励端阻抗匹配模块7、接收端阻抗匹配模块8的作用是使传感器线圈获取最大能量，提高传感器换能效率。在全向性测试实验中，接收传感器15选择无需接触的周期永磁铁式EMAT，避免了以设计的阵列式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阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的全向性。

1)频率特性测试

根据选用的参数波长λ，确定阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器结构，设计出阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率f_c为391kHz。通过环氧树脂胶将圆形镍片4粘接在铝板11表面，支撑套1、铷铁硼磁铁2、柔性电路板中扇形阵列式回折线圈3分别按要求至于圆形镍片正上方，采用一激一收方式进行实验，磁致伸缩传感器9置于检测对象铝板11距左端面300mm、下端面500mm处作为激励传感器，激励信号为经汉宁窗调制的5周期正弦波，磁致伸缩传感器10置于检测对象铝板11距右端面400mm、下端面500mm处作为接收传感器。图8为激励频率在390kHz时接收信号波形，可以分辨3个回波波包，第一波包12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；第二波包13、第三波包14预测为直达波信号、左端面反射回波，利用时间飞行法(Time of Flight,ToF)，计算第二波包13、第三波包14的实际传播群速分别为3157m/s、3061m/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0.9％、2.2％。说明了设计的阵列式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低阶水平剪切模态导波。

为了测试研制的阵列式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300kHz增加到480kHz，提取各个频率点接收信号中直达波包络峰值，得出阵列式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，实验数据分别用圆圈表示，通过曲线拟合，可以看出全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的中心频率为390kHz，与理论中心频率391kHz基本吻合，相对误差仅为0.2％。

2)全向性测试

为了测试设计的阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器的全向性，实验系统与上述实验相同，全向性测试实验的传感器布置示意图如图10所示，激励传感器9为研制的阵列式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15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阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器。

图11为阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器在不同角度检测到的SH₀模态直达波的归一化幅值，介于(0.73-1.00)之间，其中幅值稍小的区域是磁铁所在区域；该试验验证了设计的阵列式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 (2)

1.一种全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括支撑套(1)，铷铁硼磁铁(2)，柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)，圆形镍片(4)；其特征在于：支撑套(1)包括四个相同的呈中心对称布置的扇形单元，每相邻两个单元间有一个扇形间隙；铷铁硼磁铁(2)置于支撑套(1)扇形阵列单元间的扇形间隙中，周向交替布置；柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)置于安装铷铁硼磁铁(2)的支撑套(1)下端，扇形阵列式回折线圈的扇形间隙与磁铁一一对应；圆形镍片(4)粘接在铝板上，支撑套(1)、铷铁硼磁铁(2)和柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)固定在圆形镍片(4)正上方；

支撑套(1)包括四个相同的呈中心对称布置的扇形单元；扇形单元的中心角为θ₁，厚为h₁；

所述的铷铁硼磁铁(2)横截面为扇形，沿扇形对称轴两侧极化；扇形的外半径r₂与回折线圈扇形外半径相同，扇形张角为θ₂，沿扇形径向长度为l₂，厚度为h₂；沿着圆形镍片(4)圆周方向交替分布，即相邻的两个铷铁硼磁铁(2)距离最近的侧表面磁极相反，在圆形镍片(4)表面附近产生环向分布静磁场；

柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)，采用双层布线方式，提高了传感器的性能；

柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)每层四个共八个扇形回折线圈；每个扇形回折线圈的中心角为θ₃，扇形线圈的外径为D₃，内径为d₃，其相邻同向的两根导线间距为L₃，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，理论中心频率f_c＝V_p/2L₃；

柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)中的扇形单元采用并联连接方式，提高了信号能量和信噪比。

2.如权利要求1所述的一种全向型的水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：圆形镍片(4)的边缘打磨变薄，使其与板结构接触边界有一个过渡区域，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。