CN105044220B - 一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器 - Google Patents
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Abstract
一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器，该传感器为一种集成在柔性电路板中双层线圈结构，上层为螺旋线圈，下层为环形回折线圈。通过试验验证了电磁声传感器在铝板中独立激励出单一的S0和A0模态Lamb波，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可周向一致地激励出Lamb波。利用研制的全向型双模态Lamb波电磁声传感器及其阵列结合成像算法和数据融合算法将S0模态和A0模态检测缺陷结果进行数据融合，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双模态Lamb波电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中分别周向一致地激励和接收较为单一的S0和A0模态Lamb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。Lamb波是板中传播的超声导波。频散和多模态是超声导波的主要特性。已有研究结果表明，不同模态导波由于振型和板厚方向能量分布不同，对不同类型缺陷的敏感程度差异较大，如S0模态对厚度方向的缺陷比较敏感，而A0模态对分层和横向铺层裂纹等缺陷比较敏感。因此，采用不同模态的导波进行检测，可提高超声导波技术对待检物体结构健康监测的能力。
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。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。Vasile等基于洛伦兹力机理，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(Shear Horizontal,SH)模态。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。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。迄今为止，能在板结构中分别周向一致地激励出较为单一的S0和A0模态的双模态传感器鲜见报道。
发明内容
本发明旨在设计一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器，可在板结构中分别周向一致地激励和接收较为单一的S0和A0模态Lamb波，在保证激励源位置严格不变的情况下，实现利用两个模态Lamb波进行检测，且其在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，利用这种全向型双模态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(Structural Health Monitoring,SHM&Nondestructive Evaluation,NDE)。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
全向型双模态Lamb波电磁声传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁1、FPC双层线圈2(即柔性电路板双层线圈)，二者形心在垂直方向重合，FPC双层线圈2置于板结构表面，圆柱状铷铁硼磁铁1置于FPC双层线圈2正上方，并与之紧密接触。
全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：FPC双层线圈2为双层布线，分为上下两层，上层为螺旋形线圈3，螺旋形线圈3与圆柱状铷铁硼磁铁1组成全向型S0模态电磁声传感器；下层为环形回折线圈4，环形回折线圈4与圆柱状铷铁硼磁铁1组成全向型A0模态电磁声传感器。
全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：FPC双层线圈2的上层螺旋形线圈3的直径为D2等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的S0模态的半波长λ1，通过改变螺旋形线圈3的直径D2可控制S0模态电磁声传感器的中心频率。
全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：FPC双层线圈2下层的环形回折线圈4为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λ2/2，螺旋形回折线圈的内径d为导线间距l的3倍，通过改变环形回折线圈的间距l可控制A0模态电磁声传感器的中心频率。
本发明可以获得如下有益效果：
1、采用FPC印刷线圈，保证线圈排布整齐精致，保证了传感器激励能量的周向一致性。
2、螺旋形线圈和环形回折线圈集成在同一个FPC线路板的上下两层，与圆柱状铷铁硼磁铁组合可分别激励出全向型的S0模态和A0模态Lamb波，在保证了激励源位置严格不变的情况下，实现了两种模态导波对板结构的检测。
3、通过调整螺旋型线圈的直径D1和环形回折线圈相邻两根导线间距l，可使得A0模态电磁声传感器与S0模态电磁声传感器中心频率一致。
4、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Lamb波，实现板结构的检测。
附图说明
图1为全向型双模态Lamb波电磁声传感器结构示意图；
图2.1为1mm厚铝板的超声导波相速度频散曲线；
图2.2为1mm厚铝板的超声导波群速度频散曲线；
图3为全向型双模态Lamb波电磁声传感器检测铝板缺陷试验系统示意图；
图4为使用S0模态进行检测时接收信号波形图；
图5为使用A0模态进行检测时接收信号波形图；
图6为全向型双模态Lamb波电磁声传感器的频率响应特性曲线；
图7为全向型测试试验的传感器布置示意图；
图8为全向型双模态电磁声传感器在不同角度检测到Lamb波归一化幅值。
图中：1、圆柱状铷铁硼磁铁，2、FPC双层线圈，3、螺旋形线圈，4、环形回折线圈、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、全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器，12、全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为接收传感器，13、铝板，14、位于铝板上直径2mm圆形通透缺陷，15、第一波包，16、第二波包，17、第三波包，18、第四波包，19、第五波包，20、第六波包，21、第七波包，22、第八波包。
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，为本发明全向型双模态Lamb波电磁声传感器结构示意图；包括圆柱状铷铁硼磁铁1、FPC双层线圈2。圆柱状铷铁硼磁铁1置于FPC双层线圈2正上方，沿厚度方向极化，可产生垂直结构表面的静磁场。FPC双层线圈2采用双层布线，上层为螺旋形线圈3，下层为环形回折线圈4。
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D为25m，厚度h为15mm。
所述的螺旋形线圈3如图1所示，印制于FPC双层线圈2上层，其直径D2为23mm，导线宽度为0.2mm，导线间距为0.2mm。螺旋形线圈的直径D2等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的S0模态的半波长λ1/2，直径D2＝18.1mm，对应的全向型的S0模态电磁声传感器的理论中心频率为303kHz。
所述的环形回折线圈4如图1所示，印制于FPC双层线圈2下层，其外径为40mm，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λ2/2，导线间距l＝2.55mm，对应的全向型的A0模态电磁声传感器的理论中心频率为304kHz。
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2.1-图2.2为检测对象1mm厚铝板的超声导波群速度和相速度频散曲线。图3为全向型双模态Lamb波电磁声传感器检测铝板缺陷试验系统示意图，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、全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器11、全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为接收传感器12、铝板13，铝板13为检测对象(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；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，在激励传感器和接收传感器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。全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器11和全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为接收传感器12都为全向型双模态Lamb波电磁声传感器，全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器11置于检测对象铝板13左后方(距铝板左端面350mm，距铝板后端面305mm)，全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为接收传感器12位于全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器11正右方，两者相距310mm。圆形通透缺陷14直径为2mm，位于铝板13的中心。
首先将螺旋形线圈3接入电路，利用RAM-50005产生高能量信号激励S0模态Lamb波，试验验证研制的电磁声传感器能有效的激励出S0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300kHz时接收信号波形，可以分辨4个回波波包，第一波包15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16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310mm，利用时间飞行法(Time-of-Flight,ToF)，计算第二波包16的实际传播速度或群速度vg1＝2s/t＝5254m/s。由使用商用Disperse软件得到超声导波群速度的频散曲线图2.1-图2.2可知，A0模态在1mm后铝板中300kHz频率点处的理论群速度5335m/s，与通过试验计算得到实际传播速度vg1相比，相对误差为1.5％，可以确定设计的S0模态电磁声传感器可以激励出单一的S0模态。接着，根据上述参数所确定的S0模态电磁声传感器结构，试验验证S0模态电磁声传感器的缺陷检测能力。通过分析图4为激励频率在300kHz时接收信号中第三波包17和第四波包18，利用第二波包16计算出的铝板13中S0模态的实际传播速度vg1(5254m/s)，来反推第三波包17和第四波包18的传播的路程分别为509m和688mm。与实际缺陷回波的传播路程498mm、后端面回波684mm，相对误差分别为2.2％和0.6％，可以确定第三波包17为缺陷回波，第四波包18为后端面的反射回波。
然后将回折线圈4接通电路验证A0模态电磁声传感器的性能，重复上述实验。图5为激励频率在300kHz时接收信号波形，同样可以分辨4个回波波包，第五波包19为传感器激励时产生的串扰信号；第六波包20为接收传感器接收到的直达波信号；计算第二波包16的实际传播速度或群速度vg2＝2s/t＝2460m/s。由频散曲线图2.1-图2.2可知，A0模态在1mm后铝板中300kHz频率点处的理论群速度2584m/s，与通过试验计算得到实际传播速度vg相比，相对误差为4.7％，可以确定设计的A0模态电磁声传感器可以激励出单一的A0模态。同样对第七波包21、第八波包22进行传播距离验证，计算得到第七波包21和第八波包22的传播的路程分别为495mm和677mm。与实际缺陷回波的传播路程498mm、后端面回波684mm，相对误差分别为0.6％和1％，可以确定第七波包21为缺陷回波，第八波包22为后端面的反射回波。
然后，根据上述参数所确定的全向型双模态电磁声传感器结构，试验验证研制的全向型双模态电磁声传感器的中心频率。分别对S0模态和A0模态电磁声传感器进行扫频试验，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200kHz增加到400kHz，分别提取各个频率直达波的峰值，得出全向型双模态电磁声传感器的频率响应特性曲线如图6所示，S0模态实验数据用圆圈表示，拟合曲线为虚线；A0模态实验数据用差号表示，拟合曲线为实线。可以看出S0模态和A0模态电磁声传感器的实际中心频率均为300kHz，与上述参数所确定的理论中心频率基本吻合。
最后，对所设计的全向型双模态电磁声传感器的全向性进行试验验证，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7所示，将全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器11置于铝板13中心作为激励源，全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为接收传感器12均匀布置于以激励源为圆心，半径为300mm圆周上，间隔为15°。
图8为全向型的双模态电磁声传感器在不同角度检测到Lamb波归一化幅值，其中圆圈和虚线分别代表S0模态幅值的实验数据和拟合曲线，差号和实线分别代表A0模态幅值的实验数据和拟合曲线，均介于(0.8-1.0)之间，验证了设计的全向型双模态电磁声传感器的全向性。
Claims (2)
1.一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁(1)、FPC双层线圈(2)；其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁(1)，FPC双层线圈(2)的形心在垂直方向重合，FPC双层线圈(2)置于板结构表面，圆柱状铷铁硼磁铁(1)置于FPC双层线圈(2)正上方，并与之紧密接触；FPC双层线圈(2)为双层布线，分为上下两层，上层为螺旋形线圈(3)，螺旋形线圈(3)与圆柱状铷铁硼磁铁(1)组成全向型S0模态电磁声传感器；下层为环形回折线圈(4)，环形回折线圈(4)与圆柱状铷铁硼磁铁(1)组成全向型A0模态电磁声传感器；FPC双层线圈(2)中的上层螺旋形线圈(3)的直径为D1等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的S0模态的半波长λ1，通过改变螺旋线圈(3)的直径D1可控制S0模态电磁声传感器的中心频率。
2.如权利要求1所述的一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于：FPC双层线圈(2)中的下层环形回折线圈(4)为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λ2/2，环形回折线圈(4)的内径d为导线间距l的3倍，通过改变环形回折线圈(4)的间距l可控制A0模态电磁声传感器的中心频率。
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