CN110152963A - 一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器 - Google Patents

一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，该传感器包括碳钢片、扇形铷铁硼磁铁、螺旋线圈、非磁性材料片。将螺旋线圈、铷铁硼磁铁及非磁性材料片置于待测铝板表面，碳钢片在其正上方。基于非铁磁性材料的洛伦兹力效应，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周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器可在铝板中激励出单一的SH0模态导波；通过全向性测试实验，验证了所研制的电磁声传感器可激励出沿360°方向传播SH0导波。利用研制的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声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，具有极大的应用价值和潜力。

Description

一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器
技术领域
本发明为一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，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(ElectromagneticAcoustic 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全向型水平剪切模态电磁声传感器，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。
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电磁声传感器，包括非磁性材料片1，铷铁硼磁铁2，柔性电路板中螺旋线圈3和碳钢片4；其特征在于：扇形铷铁硼磁铁2包括6对相同的呈中心对称布置的扇形单元磁铁对，每个磁铁对的充磁方向为上下相反交替方向布置，每相邻两个单元间有一个间隙；非磁性材料片1置于扇形铷铁硼磁铁2单元间的扇形间隙中；碳钢片4置于扇形铷铁硼磁铁2的顶部；柔性电路板中螺旋线圈3置于安装铷铁硼磁铁2的下端。
所述的铷铁硼磁铁2横截面为扇形，沿z轴正负方向极化；扇形的外半径r2与螺旋线圈外半径相同，扇形张角为θ1，沿扇形径向长度为l2，厚度为h；相邻的两个铷铁硼磁铁2磁极相反，在试件表面附近产生垂直分布静磁场。相邻磁铁内弧长l1等于设计的全向型水平剪切模态电磁声传感器带宽最大频率f1对应的半波长λ/2，磁铁内半径r1根据弧长公式等于180l1/πθ1。相邻磁铁内弧长l2等于设计的全向型水平剪切模态电磁声传感器带宽最大频率f2对应的半波长λ/2，磁铁内半径r2根据弧长公式等于180l2/πθ1。
所述的全向型的水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：非磁性材料片1置于扇形铷铁硼磁铁2阵列单元间的扇形间隙中，非磁性材料片的扇形内外径和扇形铷铁硼磁铁一致，内径为r1，外径为r2。扇形张角为θ2，厚度为h，与扇形铷铁硼磁铁厚度一致。非磁性材料片的作用是阻止相邻永磁铁之间形成涡流。
所述的全向型的水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：所述的柔性电路板中螺旋线圈3，采用双层布线方式，提高了传感器的性能。
所述的全向型的水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：碳钢片4置于扇形铷铁硼磁铁2的顶部，可以降低磁铁的退磁因子，增强工件表面的磁感应强度。
本发明可以获得如下有益效果：
1、扇形铷铁硼磁铁2，沿着垂直方向极化，相邻磁铁的极性相反，在试件表面附近产生沿其垂直方向分布的静磁场；通过激励频率的带宽范围增强传感器的效果，相邻磁铁内弧长l1等于设计的全向型水平剪切模态电磁声传感器带宽最大频率f1对应的半波长λ/2，磁铁内半径r1根据弧长公式等于180l1/πθ1。相邻磁铁内弧长l2等于设计的全向型水平剪切模态电磁声传感器带宽最大频率f2对应的半波长λ/2，磁铁内半径r2根据弧长公式等于180l2/πθ1。
2、柔性电路板中螺旋线圈3，采用双层布线方式，提高传感器的性能；
3、非磁性材料片1置于扇形铷铁硼磁铁2阵列单元间的扇形间隙中，非磁性材料片的扇形内外径和厚度与扇形铷铁硼磁铁一致，作用是阻止相邻永磁铁之间形成涡流；
4、碳钢片4置于扇形铷铁硼磁铁2的顶部，可以降低磁铁的退磁因子，增强工件表面的磁感应强度。
附图说明
图1周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器分解示意图；
图2铷铁硼磁铁示意图；
图3非磁性材料片示意图；
图4柔性电路板中螺旋线圈示意图；
图5 310kHz的汉宁窗调制的5周期正弦信号带宽；
图6 1mm厚铝板的超声导波群速度与相速度频散曲线；
图7实验系统；
图8激励频率为310kHz时接收信号；
图9周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器的频率特性；
图10全向型测试实验的传感器布置示意图；
图11周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器在不同角度检测到SH0模态归一化幅值。
图中：1、非磁性材料片，2、铷铁硼磁铁，3、柔性电路板中螺旋线圈，4、碳钢片，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。
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。
基于洛伦兹力效应，设计了一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，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。
周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器结构示意图如图1所示，包括非磁性材料片1、铷铁硼磁铁2、柔性电路板中螺旋线圈3、碳钢片4。检测对象为铝板，规格为1000×1000×1(单位：mm)。图6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。将6对扇形铷铁硼磁铁2交替布置，产生垂直分布的静磁场。柔性电路板中螺旋线圈3置于铷铁硼磁铁2之下，碳钢片4置于扇形铷铁硼磁铁2的顶部，可以降低磁铁的退磁因子，增强工件表面的磁感应强度。
所述的铷铁硼磁铁2如图2所示，截面为扇形，沿z轴方向垂直极化，扇形的外半径r2与螺旋线圈外半径相同，扇形张角θ1为30°。外半径对应弧长l2为8.7mm，内半径对应弧长l1为3.7mm，内外半径弧长分别等于应用的汉宁窗调制的正弦信号带宽频率430kHz和180kHz对应的半波长λ/2；内半径r1等于7mm，外半径r2等于16.6mm，厚度h为15mm。铷铁硼磁铁2位置分布如图1所示，相邻的两个铷铁硼磁铁2,磁极相反，使磁场线沿垂直方向(垂直向上或垂直向下)传递，在铝板表面附近产生垂直分布静磁场。
所述的非磁性材料片如图3所示，置于扇形铷铁硼磁铁2阵列单元间的扇形间隙中，非磁性材料片的扇形内外径和扇形铷铁硼磁铁一致，内径为r1，外径为r2。扇形张角为θ2，厚度为h，与扇形铷铁硼磁铁厚度一致。非磁性材料片的作用是阻止相邻永磁铁之间形成涡流。
所述的柔性电路板中螺旋线圈3如图4所示，采用螺旋布线方式，双层布线，线圈外径r2为16.6mm，内径r1为7mm。导线宽度为0.2mm，线圈间距为2.4mm。
实验所用的激励信号为310kHz的汉宁窗调制的5周期正弦信号，汉宁窗的带宽范围如图5所示，180kHz-430kHz。
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。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；阻抗匹配模块7、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。
1)频率特性测试
根据选用的参数波长λ，确定周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器结构，设计出周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器的理论中心频率fc为310kHz。将碳钢片4、铷铁硼磁铁2、非磁性材料片1、柔性电路板中螺旋线圈3分别按要求置于被测铝板正上方，采用一激一收方式进行实验，电磁声传感器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，电磁声传感器10置于检测对象铝板11距右端面500mm、下端面500mm处作为接收传感器。图8为激励频率在310kHz时接收信号波形，可以分辨2个回波波包，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；波包13预测为直达波信号，利用时间飞行法(Time-of-Flight,ToF)，计算波包13的实际传播群速为3238m/s。与SH0波在铝板11中理论群速度3130m/s基本吻合，误差为3.1％。说明了设计的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器可以产生模态单一的低阶水平剪切模态导波。
为了测试研制的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器的频率特性，将激励频率以步长10kHz从210kHz增加到410kHz，提取各个频率点接收信号中直达波包络峰值，得出周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声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电磁声传感器的中心频率为313kHz，与理论中心频率310kHz基本吻合，相对误差仅为0.96％。
2)全向性测试
为了测试设计的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器的全向性，进行了全向型试验。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为研制的全向型水平剪切模态电磁声传感器，将其置于铝板11中心作为激励源，接收传感器置于以激励源为圆心，半径为200mm半圆周上，间隔为5°。
图11为周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器在不同角度检测到的SH0模态直达波的归一化幅值，可以看出幅值均匀，周向一致；该试验验证了设计的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器可激励出沿360°方向传播的SH0模态导波。

Claims (5)

1.一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，包括非磁性材料片(1)，铷铁硼磁铁(2)，柔性电路板中螺旋线圈(3)和碳钢片(4)；其特征在于：扇形铷铁硼磁铁(2)包括五对相同的呈中心对称布置的扇形单元磁铁对，每个磁铁对的充磁方向为上下相反交替方向布置，每相邻两个单元间有一个间隙；非磁性材料片(1)置于扇形铷铁硼磁铁(2)阵列单元间的扇形间隙中；碳钢片(4)置于扇形铷铁硼磁铁(2)的顶部；柔性电路板中螺旋线圈(3)置于安装铷铁硼磁铁(2)的下端。
2.如权利要求1所述的一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：所述的铷铁硼磁铁(2)横截面为扇形，沿z轴正负方向极化；扇形的外半径r2与螺旋线圈外半径相同，扇形张角为θ1，沿扇形径向长度为l2，厚度为h；相邻的两个铷铁硼磁铁(2)磁极相反，在试件表面附近产生垂直分布静磁场；相邻磁铁内弧长l1等于设计的全向型水平剪切模态电磁声传感器带宽最大频率f1对应的半波长λ/2，磁铁内半径r1根据弧长公式等于180l1/πθ1；相邻磁铁内弧长l2等于设计的全向型水平剪切模态电磁声传感器带宽最大频率f2对应的半波长λ/2，磁铁内半径r2根据弧长公式等于180l2/πθ1。
3.如权利要求1所述的一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：所述的柔性电路板中螺旋线圈(3)，采用双层布线方式，提高传感器性能。
4.如权利要求1所述的一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：非磁性材料片(1)置于扇形铷铁硼磁铁(2)阵列单元间的扇形间隙中，非磁性材料片的扇形内外径和扇形铷铁硼磁铁一致，内径为r1，外径为r2；扇形张角为θ2，厚度为h，与扇形铷铁硼磁铁厚度一致；非磁性材料片的作用是阻止相邻永磁铁之间形成涡流。
5.如权利要求1所述的一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，其特征在于：碳钢片(4)置于扇形铷铁硼磁铁(2)的顶部，降低磁铁的退磁因子，增强工件表面的磁感应强度。
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