CN106018569A - 一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器 - Google Patents

一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，属于电磁超声无损检测领域。该传感器包括柔性磁铁和柔性弧形回折线圈。柔性磁铁相对于刚性磁铁，具有柔韧性，可弯曲一定角度贴合钢轨，使用时不易磨损传感器。当弧形回折线圈通入交变电流时，在试件表面会产生涡流，在柔性磁铁提供偏置静磁场的作用下，基于洛伦兹力原理在钢轨中产生表面波信号。采用的柔性弧形回折线圈具有凸向和凹向，以所需信号传播方向为基准，通过选择弧形回折线圈的凹凸向，使产生的表面波信号能量偏向一个方向聚焦，并通过实验验证了信号传播的单向性。

Description

一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器
技术领域
本发明属于电磁超声导波检测领域，主要涉及一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，该传感器可在钢轨中激励出表面波。
背景技术
铁路运输作为我国交通运输的一种方式，应用广泛且经济便捷。钢轨作为铁路轨道的重要组成部件，承受列车运行时的冲击碾压，在使用过程中易出现裂纹、磨损甚至断裂等缺陷，造成安全隐患。
为了保障铁路安全，需要对钢轨进行探伤，国内外常采用压电超声技术。但压电超声技术需要在钢轨和传感器之间采用能使声阻匹配的耦合剂，造成检测精度和检测效率受限。电磁超声检测技术具有无需耦合剂、对被测试件表面要求不高、可应用于高温和高速的场合等优势，采用电磁超声技术可以弥补压电超声的不足。电磁声传感器(ElectromagneticAcoustic Transducer,EMAT)是电磁超声检测技术中激励和接收超声导波的核心部件。电磁声传感器一般由三部分组成：提供偏置静磁场的磁体、产生动磁场或感应涡流的通电线圈、被测试样。电磁声传感器的换能机理主要有基于洛伦兹力机理和基于磁致伸缩机理。基于洛伦兹力机理：当通有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，在金属内感应出涡流，在磁体提供偏置静磁场的作用下，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。基于磁致伸缩机理：通有交变激励电流的线圈产生交变的动磁场，与偏置静磁场的共同作用下，磁性材料长度和体积发生微小变化，形成材料内部的振动，并最终以声波形式将振动向外传播。电磁声传感器种类和形式多样，通过不同磁体和不同形状的线圈以不同的方式组合，可产生不同类型的超声波。
表面波是一种在半无限大固体介质表面或与其他介质的界面及其附近传播而不深入到介质内部的超声导波，非常适合检测钢轨轨头的裂纹缺陷。通过设计电磁声传感器的线圈和磁铁的形状，可以在钢轨中产生表面波。电磁声传感器通常采用刚性永磁铁，但刚性永磁铁在钢轨上吸附作用强烈，移动困难，易磨损传感器，容易吸附铁屑，检测费时费力。而且刚性永磁铁成型后不可弯曲，难以贴合弯曲或复杂表面。
本发明的基本思想为采用一种柔性磁铁，弥补刚性永磁铁的不足，结合弧形回折线圈，提出一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，可在钢轨中激励出表面波。柔性磁铁与刚性永磁铁相比，具有更好的力学性能，耐冲击性好，不易碎裂，能更好地贴合钢轨，不易磨损线圈。采用弧形回折线圈可控制信号传播的单向性，使表面波信号能量沿一个方向上聚焦。
发明内容
本发明目的是设计一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，研究利用柔性磁铁结合弧形回折线圈的电磁声传感器，在钢轨中产生表面波。该电磁声表面波传感器采用柔性磁铁，具有柔韧性，可弯曲一定角度贴合钢轨，使用时不易磨损传感器。传感器所采用弧形回折线圈可控制信号传播方向
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，包括柔性钕铁硼磁铁1、弧形回折线圈2；柔性钕铁硼磁铁1吸附在检测的钢轨轨头3的踏面上，弧形回折线圈2置于磁铁1与钢轨轨头3之间；当弧形回折线圈2通入交变电流时，在检测的钢轨轨头3表面会产生涡流，在柔性钕铁硼磁铁1提供偏置静磁场的作用下，钢轨轨头3表面中产生交变的洛伦兹力。洛伦兹力引发质点振动，振动沿钢轨表面以超声导波的形式进行传播。
所述的一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，其特征在于：柔性钕铁硼磁铁1为带柔韧性的长方体磁铁，能够弯曲并沿上下表面极化，柔性钕铁硼磁铁1的磁场方向垂直向下或向上于柔性弧形回折线圈2。
所述的一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，其特征在于：弧形回折线圈2共有两层，相邻线圈间距D2等于设计的电磁声表面波传感器理论中心频率对应的半波长即λ/2；弧形回折线圈2中各圆弧线与其对应的弦距离为L2。
本发明取得如下有益效果：
1、采用的柔性钕铁硼磁铁1，相对于常用的刚性钕铁硼磁铁，可以根据检测对象表面形状做出调整，弯曲一定角度能更好地与钢轨贴合并且不易磨损线圈。由于磁铁的柔韧性，其弯曲后可恢复原状。
2、采用柔性FPC印刷的弧形回折线圈2，可以通过改变回折线圈的间距，设计出不同中心频率的电磁声表面波传感器
3、柔性FPC印刷的弧形回折线圈2，与传统的回折线圈相比，由于弧形回折线圈2有凸向和凹向，以所需信号传播方向为基准，采用凹向弧形回折线圈作为激励线圈或以凸向弧形回折线圈作为接收线圈，可实现表面波信号传播的单向性。
附图说明
图1一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器安装简图；
图2柔性钕铁硼磁铁示意图；
图3弧形回折线圈示意图；
图4实验系统；
图5基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器扫频实验结果图；
图6激励频率为520kHz时接收信号；
图7弧形回折线圈作为激励信号线圈，传统回折线圈作为接收信号线圈示意图
图8信号传播的单向性验证
图中：1、柔性钕铁硼磁铁；2、弧形回折线圈；3、钢轨轨头；4、高能超声激励接收装置RPR-4000；5、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、钢轨试样。
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。
根据洛伦兹力原理，设计了一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，其包括柔性钕铁硼磁铁1，柔性电路板中双层弧形回折线圈2，其检测对象为钢轨，安装简图如图1所示。该传感器制作简单，拆装方便。
本实例中，所述电磁声表面波传感器在安装时，手动弯曲柔性钕铁硼磁铁1和弧形回折线圈2以贴合钢轨轨头3的踏面。柔性钕铁硼磁铁1可将弧形回折线圈2吸附在踏面上。所述的柔性钕铁硼磁铁1如图2所示，本实例选用的磁铁尺寸为长L1＝49mm，宽D1＝31mm，高H1＝5mm，最大可弯曲角度对应的弦长为39mm，弧长与弦长距离为11mm。
所述弧形回折线圈2如图3所示，采用双层布线，上下两层弧形回折线圈对叠，上下两层通电时电流方向变化一致，线圈的有效尺寸长L3＝39mm，宽D3＝20mm，线宽0.2mm，D2＝3mm，弧形线圈中各圆弧线与其对应的弦距离为L2＝3mm。
搭建实验系统如图4所示，包括高能超声激励接收装置RPR-40004、数字示波器5、激励端阻抗匹配模块6、接收端阻抗匹配模块7、激励传感器8、接收传感器9、钢轨试样10。高能超声激励接收装置RPR-40004与数字示波器5相连，激励传感器8、接收传感器9设置在钢轨试样10上，激励传感器8通过激励端阻抗匹配模块6与高能超声激励接收装置RPR-40004连接，接收传感器9通过接收端阻抗匹配模块7与高能超声激励接收装置RPR-40004连接。高能超声激励接收装置RPR-40004能够产生高能脉冲信号，数字示波器5用于观测信号和储存原始信号波形。激励端阻抗匹配模块6和接收端阻抗匹配模块7用于增强传感器的换能效率。
根据所述电磁声表面波传感器的结构参数，所设计线圈间距D2为3mm，D2为表面波波长的二分之一，所设计的中心频率为520kHz。为了验证该传感器实际中心频率符合设计的理论中心频率，将激励频率以步长10kHz从490kHz增加到560kHz，提取各个频率点接收信号的包络峰值，得出基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器扫频实验结果如图5所示，实验所得数据分别用圆圈表示，通过曲线拟合，可以看出实际中心频率为518kHz，与理论中心频率520kHz基本吻合。
以本发明所述的电磁声表面波传感器作为激励传感器，传统的回折线圈作为接收传感器。传统回折线圈如图7(b)所示，有效尺寸长L3＝36mm，宽D3＝20mm，线宽0.2mm。两传感器相距160mm，采用一激一收方式进行实验，激励信号为5周期正弦波信号，图5为激励频率在520kHz时接收信号波形，通过时间飞行法，波包I为串扰信号，第一个直达波包II为表面波波包，计算所得表面波波速为3160m/s。
弧形回折线圈的应用能使产生的信号能量沿一个方向上聚焦，传播时具有单向性，所采用的激励线圈和接收线圈如图7所示。图7中的(a)、(c)为弧形回折线圈作为激励线圈，图7中的(b)、(d)为传统回折线圈作为接收线圈，两传感器相距165mm，采用一激一收方式进行实验，激励信号为5周期正弦波信号，激励频率为520kHz。图7中x1方向为信号传播方向，以x1为基准，图7中的(a)为弧形回折线圈为凹向线圈，图7中的(c)为弧形回折线圈为凸向线圈。其产生信号波形如图8所示，A1组信号为凹向弧形回折线圈为激励线圈，B1组信号为凸向弧形回折线圈为激励线圈，波包III为串扰信号，波包IV为第一个直达表面波信号。比较A1与B2两组信号可得，凹向弧形回折线圈为激励线圈时信号幅值较大，凸向弧形回折线圈为激励线圈时直达波包几乎不可见。传统回折线圈激励接收信号并无单向传播性，沿钢轨双向传播。本发明所述的传感器，通过控制弧形回折线圈的凹凸向，可实现信号能量偏向一个方向传递。

Claims (3)

1.一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，其特征在于：该基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器包括柔性钕铁硼磁铁(1)、弧形回折线圈(2)；柔性钕铁硼磁铁(1)吸附在检测的钢轨轨头(3)的踏面上，弧形回折线圈(2)置于磁铁(1)与钢轨轨头(3)之间；当弧形回折线圈(2)通入交变电流时，在检测的钢轨轨头(3)表面会产生涡流，在柔性钕铁硼磁铁(1)提供偏置静磁场的作用下，钢轨轨头(3)表面中产生交变的洛伦兹力；洛伦兹力引发质点振动，振动沿钢轨表面以超声导波的形式进行传播。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，其特征在于：柔性钕铁硼磁铁(1)为带柔韧性的长方体磁铁，能够弯曲并沿上下表面极化，柔性钕铁硼磁铁(1)的磁场方向垂直向下或向上于柔性弧形回折线圈(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁铁的电磁声表面波传感器，其特征在于：弧形回折线圈(2)共有两层，相邻线圈间距D2等于设计的电磁声表面波传感器理论中心频率对应的半波长即λ/2；弧形回折线圈(2)中各圆弧线与其对应的弦距离为L2。
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