CN110487908B - 一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法，其特征是，该方法首先设计并制作平面海尔贝克磁铁阵列，基于磁铁阵列特征，设计不同结构柔性印刷线圈。再次，集成与组装阵列磁铁电磁超声。最后，利用阵列磁铁电磁超声，测量被测点处纵波与横波回波声时，完成材料弹性常数计算。本发明解决了材料弹性常数测量效率与精度问题。创新设计了一种平面海尔贝克磁铁阵列，同时获得了垂直与水平磁场，并提高了磁场强度；优化了柔性印刷线圈集成结构，获得了高信噪比的声时信号；同时激发出了横波与纵波，获得了高信噪比的声时信号，提高了空间测量分辨率，可满足面向制造现场环境的弹性常数快速无损精确测量需求。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，特别涉及一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法。
背景技术
弹性常数是工程材料的重要性能参数之一，是评价固体弹性的基础。传统测量方法是通过施加外部载荷，记录相应应变，根据胡克定律计算弹性常数。然而，这种方法测量周期长，且应变片粘贴情况严重影响弹性常数的测量精度。其它测量方法，如X射线衍射法、莫尔干涉法等，测量过程复杂。超声法只需通过测量纵波和横波速度，便可以实现弹性常数的无损快速测量，具有操作简单、适用范围广等优点。
电磁超声具有非接触、重复性好且无需耦合剂等优点，广泛应用在无损检测等领域。电磁超声主要由偏置磁场、线圈以及具有优良导电性的金属材料组成。根据洛伦兹力定律，当磁场方向垂直于金属板面时，洛伦兹力平行于金属板面，此时在材料表面产生横波并向内部传播；当磁场方向平行于金属板面时，洛伦兹力垂直于金属板面，此时在材料表面产生纵波并向内部传播。然而，传统电磁超声中的永磁铁磁场强度低，使得获取到的信号信噪比低，极大影响了弹性常数计算精度；而且永磁铁只能提供单一磁场方向，即只能激发横波或纵波，在测量过程中需要频繁拆卸，过程繁琐，严重制约了测量效率。通过励磁磁铁的优化设计，同时激发出横波和纵波，以实现弹性常数快速无损测量。
2017年，战宇等在发明专利CN201711035304.1中公开了一种基于激光超声的弹性常数的无损检测方法及设备，该方法中将脉冲激光作用到待测表面的激励点产生超声波，能同时产生纵波、横纵和表面波，然而，该方法设备昂贵，测量过程复杂。2018年，杨理践等在发明专利CN201810331216.4中公开了一种电磁超声弹性模量测量换能器结构，该结构采用了永磁铁产生偏置磁场，检测时在线圈中加以交变电流实现在工件近表面产生超声波，但是，该测量结构只能产生一种波形，且装置体积大，测量空间分辨率低。
然而，上述均未提及一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法。
发明内容
本发明主要解决的技术难题是克服现有方法的不足，面向制造现场环境弹性常数快速无损精确测量需求，发明了一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法。该方法中，创新设计了一种平面海尔贝克磁铁阵列，可同时获得垂直与水平方向磁场，极大提高了磁场强度；采用柔性印刷线圈，减小了提离距离，提高了声时信号强度；设计并集成了不同结构形式线圈，适应了不同磁场方向；将平面海尔贝克磁铁阵列与不同结构线圈集成到电磁超声中，优化电磁超声尺寸结构，可同时激发出横波、纵波以及横纵波，有效提高空间测量分辨率。
本发明采用的技术方案是一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法，其特征是，首先，设计并制作平面海尔贝克磁铁阵列；其次，基于磁铁阵列特征，设计不同结构柔性印刷线圈；再次，集成与组装阵列磁铁电磁超声，包括外壳、焊接MMCX接口、柔性线圈板等；最后，利用阵列磁铁电磁超声，测量被测点处纵波与横波回波声时，完成材料弹性常数计算。
方法的具体步骤如下：
第一步，平面海尔贝克阵列磁铁设计
基于线性海尔贝克磁铁阵列A特征，磁场强度分为强弱两侧，在线性海尔贝克磁铁阵列中心区域A1主要分布垂直方向磁场，在线性海尔贝克磁铁阵列邻近区域A2分布水平方向磁场；创新设计平面海尔贝克磁铁阵列C，平面海尔贝克磁铁阵列C采用n·n个立方永磁铁通过树脂胶粘结而成；采用两个线性磁铁阵列正交布置，组成正交分布式磁铁阵列B，并增大垂直磁场在正交分布式磁铁阵列中心区域B1的分布面积；为保证正交分布式磁铁阵列邻近区域B2具有高强度磁场，在正交分布式磁铁阵列B最外侧一周采用相反方向的线性磁铁阵列；剩下其余位置采用永磁铁按照对称方式布置，以此提高水平与垂直磁场强度。
该平面海尔贝克磁铁阵列C与线性海尔贝克磁铁阵列A具有相同的特性，其磁场强度分为强弱两侧，在磁场的强侧，首先，平面海尔贝克磁铁阵列中心区域C1具有高强度磁场且方向垂直；然后，随着逐渐远离中心区域，在平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域C2磁场方向变为水平；最后，磁场方向仍然是垂直的，但当它们到达边缘时，磁场变为相反方向。
第二步，柔性印刷线圈设计
根据电磁超声横波和纵波产生机理，一个小型方形线圈a占据平面海尔贝克磁铁阵列垂直磁场区域时，会激发横波；当方形环形线圈b覆盖水平磁场区域时，会激发纵波；为了同时产生纵波和横波，普通方形线圈c需要同时覆盖垂直磁场区域和水平磁场区域。因此，设计了三种不同的线圈：只覆盖平面海尔贝克磁铁阵列中心区域C1的小型方形线圈a，只覆盖平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域C2的方形环形线圈b，覆盖平面海尔贝克磁铁阵列中心区域C1和平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域C2的普通方形线圈c。
第三步，阵列磁铁电磁超声集成与组装
阵列磁铁电磁超声由外壳1、平面海尔贝克磁铁阵列C、柔性线圈印刷板3和MMCX连接口2组成。外壳1由铝合金材料制成，保证平面海尔贝克磁铁阵列C的高磁通密度；MMCX连接口2焊接在柔性线圈印刷板3上，与三根同轴电缆连接，并用树脂胶粘结固定；三根同轴电缆也用树脂胶固定在铝合金外壳1上，保证测量过程中不因重力等其它因素使连接处松脱。
在柔性线圈印刷板3中，将小型方形线圈a置于最底层，使测量时提离距离变小，方形环形线圈b置于中间层，普通方形线圈c置于最顶层，使三种线圈在整个装置集成过程中具有合适的提离距离分配，保证三个线圈在被测材料表面产生的涡流都具有较高强度。
第四步，材料弹性常数测量
将集成组装后的阵列磁铁电磁超声12经过双工器7与终端电阻8和脉冲发生器4相连接，并通过功率放大器9与示波器10相连接以显示超声信号，示波器10通过USB线11与PC端5连接采集并存储数据，为减少阵列磁铁电磁超声12与脉冲发生器4之间失配，阻抗匹配网络6连接在阵列磁铁电磁超声12与双工器7之间。阵列磁铁电磁超声12放置在被测材料13上方，使阵列磁铁电磁超声12激励的超声信号沿板厚方向传播并从板的底部反射，一系列回波信号重新被阵列磁铁电磁超声12接收。
超声测量弹性常数可以通过测量横波与纵波速度来实现。对于多晶金属一般为各向同性材料，只需两个弹性常数就可以确定其弹性性能，这两个弹性常数是拉梅常数(λ,μ)或杨氏模量E和泊松比ν，它们与横波和纵波速度的关系是，
式中，cs为横波速度，cl为纵波速度，ρ为材料密度。
为计算超声速度，需测量纵波回波和横波回波的传播时间。然而，根据公式(1)和公式(2)，被测材料泊松比接近1/3时，纵波速度约为横波速度的2倍，接收信号中的第二纵波回波和第一横波回波发生重叠现象。因此，纵波回波的传播时间由第一纵波回波和第三纵波回波确定，横波回波的传播时间由第一横波回波和第二横波回波确定。利用纵波回波和横波回波得到传播时间之后，根据被测材料已知板厚计算这两种波型的传播速度，并根据公式(1)和公式(2)计算材料的弹性常数。
本发明的有益效果是建立了一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法，解决了材料弹性常数测量效率与精度问题。创新设计了一种平面海尔贝克磁铁阵列，同时获得了垂直与水平磁场，并提高了磁场强度；优化了柔性印刷线圈集成结构，获得了高信噪比的声时信号；将平面海尔贝克磁铁阵列与不同结构线圈集成到电磁超声中，并优化电磁超声尺寸结构，同时激发出了横波和纵波，有效提高了空间测量分辨率，满足了面向制造现场环境的弹性常数快速无损精确测量需求。
附图说明
附图1-磁铁阵列式图，其中A-线性海尔贝克磁铁阵列，A1-线性海尔贝克磁铁阵列中心区域，A2-线性海尔贝克磁铁阵列邻近区域，B-正交分布式磁铁阵列，B1-正交分布式磁铁阵列中心区域，B2-正交分布式磁铁阵列邻近区域，C-平面海尔贝克磁铁阵列，C1-平面海尔贝克磁铁阵列中心区域，C2-平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域。
附图2-螺旋线圈图，其中a-小型方形线圈，b-方形环形线圈，c-普通方形线圈。
附图3-电磁超声组装图；其中1-外壳，2-MMCX连接口，3-柔性印刷线圈板。
附图4-电磁超声测量系统连接图；其中4-脉冲发生器，5-PC端，6-阻抗匹配网络，7-双工器，8-脉冲发生器，9-功率放大器，10-示波器，11-USB线，12-阵列磁铁电磁超声，13-被测材料。
附图5-7075铝合金检测信号；其中i-第一纵波回波，j-第二纵波回波，k-第三纵波回波，l-第四纵波回波，m-第一横波回波，n-第二横波回波，ΔT1-第一纵波回波与第三纵波回波之间的声时，ΔT2-第一横波回波与第二横波回波之间的声时。
附图6-TA2钛检测信号；其中o-第一纵波回波，p-第二纵波回波，q-第三纵波回波，r-第一横波回波，s-第二横波回波，ΔT3-第一纵波回波与第三纵波回波之间的声时，ΔT4-第一横波回波与第二横波回波之间的声时。
附图7-材料弹性常数测量流程图。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
磁铁阵列式电磁超声主要设计参数及组装：平面海尔贝克磁铁阵列C采用25个N52NdFeB立方永磁铁通过树脂胶粘结而成，单个永磁铁尺寸为4.7mm×4.7mm×4.7mm，整体尺寸为24mm×24mm×4.8mm；柔性印刷线圈结构中，小型方形线圈a尺寸为4mm×4mm，方形环形线圈b整体尺寸为14mm×14mm，中间包含5mm×5mm的方形孔，普通方形线圈c尺寸为14mm×14mm，厚度均为0.12mm。
阵列磁铁电磁超声结构中，优化设计制造铝合金外壳1，既有足够空腔放置磁铁阵列和印刷线圈，也能保证装置结构紧凑；集成后的柔性印刷线圈放置平面海尔贝克磁铁阵列C正下方，同时要保证线圈和周围环境之间保持绝缘；MMCX连接口2焊接在柔性印刷线圈板3上，然后与同轴电缆连接，并用树脂胶粘结固定与绝缘，三根同轴电缆也用树脂胶固定在铝合金外壳1上，保证测量过程中不因重力等其它因素使连接处松脱。
被测材料主要参数：分别采用7075铝合金与TA2钛进行实验验证，7075铝合金尺寸为100.78mm×201.03mm×20.32mm，质量为1151.4g，密度为2796.84kg/m3；TA2钛尺寸83.42mm×123.25mm×30.12mm，质量为1398.1g，密度为4514.67kg/m3。
计算材料弹性常数：采用磁铁阵列式电磁超声在“自发自收”模式下工作，基于脉冲回波法对被测材料进行测量。根据公式(1)和公式(2)，当泊松比ν为1/3时，纵波速度为横波速度的2倍，由于7075铝合金和TA2钛泊松比接近0.33，7075铝合金检测信号G中第二纵波回波j和第四纵波回波l分别与第一横波回波m和第二横波回波n重叠，TA2钛检测信号H中第二纵波回波p与第一横波回波r发生重合。因此，采用7075铝合金检测信号G中第一纵波回波i和第三纵波回波k与第一横波回波m和第二横波回波n计算7075铝合金中的杨氏模量E和泊松比v，测得纵波回波声时ΔT1＝12.9460μs，横波回波声时ΔT2＝13.2653μs；采用检测信号H中第一纵波回波o和第三纵波回波q与第一横波回波r和第二横波回波s计算TA2钛中的杨氏模量E和泊松比v，测得纵波回波声时ΔT3＝19.6676μs，横波回波声时ΔT4＝19.0088μs。
已知7075铝合金厚度为20.32mm，则横波与纵波在7075铝合金中的传播速度分别为3063.63m/s和6278.39m/s；TA2钛厚度为30.12mm，则横波与纵波在TA2钛中的传播速度分别为3169.06m/s和6125.81m/s。根据公式(1)和公式(2)可计算出：
7075铝合金中的杨氏模量E＝70.55GPa和泊松比ν＝0.34，
TA2钛中的杨氏模量E＝119.45GPa和泊松比v＝0.32。
Claims (1)
1.一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法，其特征是，该方法首先设计，并制作平面海尔贝克磁铁阵列；其次，基于磁铁阵列特征，设计不同结构柔性印刷线圈；集成与组装阵列磁铁电磁超声，最后，利用阵列磁铁电磁超声，测量被测点处纵波与横波回波声时，完成材料弹性常数计算；方法的具体步骤如下：
第一步，平面海尔贝克阵列磁铁设计
基于线性海尔贝克磁铁阵列(A)特征，磁场强度分为强弱两侧，在线性海尔贝克磁铁阵列中心区域(A1)主要分布垂直方向磁场，在线性海尔贝克磁铁阵列邻近区域(A2)分布水平方向磁场；设计平面海尔贝克磁铁阵列(C)，平面海尔贝克磁铁阵列(C)采用n·n个立方永磁铁通过树脂胶粘结而成；采用两个线性磁铁阵列正交布置，组成正交分布式磁铁阵列(B)，并增大垂直磁场在正交分布式磁铁阵列中心区域(B1)的分布面积；为保证正交分布式磁铁阵列邻近区域(B2)具有高强度磁场，在正交分布式磁铁阵列(B)最外侧一周采用相反方向的线性磁铁阵列；剩下其余位置采用永磁铁按照对称方式布置，以此提高水平与垂直磁场强度；
该平面海尔贝克磁铁阵列(C)与线性海尔贝克磁铁阵列(A)具有相同的特性，其磁场强度分为强弱两侧，在磁场的强侧，首先，平面海尔贝克磁铁阵列中心区域(C1)具有高强度磁场且方向垂直；然后，随着逐渐远离中心区域，在平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域(C2)磁场方向变为水平；最后，磁场方向仍然是垂直的，但当它们到达边缘时，磁场变为相反方向；
第二步，柔性印刷线圈设计
根据电磁超声横波和纵波产生机理，一个小型方形线圈(a)占据平面海尔贝克磁铁阵列垂直磁场区域时，会激发横波；当方形环形线圈(b)覆盖水平磁场区域时，会激发纵波；为了同时产生纵波和横波，普通方形线圈(c)需要同时覆盖垂直磁场区域和水平磁场区域；因此，设计了三种不同的线圈：只覆盖平面海尔贝克磁铁阵列中心区域(C1)的小型方形线圈(a)，只覆盖平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域(C2)的方形环形线圈(b)，覆盖平面海尔贝克磁铁阵列中心区域(C1)和平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域(C2)的普通方形线圈(c)；
第三步，阵列磁铁电磁超声集成与组装
阵列磁铁电磁超声由外壳(1)、平面海尔贝克磁铁阵列(C)、柔性线圈印刷板(3)和MMCX连接口(2)组成；外壳(1)由铝合金材料制成，保证平面海尔贝克磁铁阵列(C)的高磁通密度；MMCX连接口(2)焊接在柔性线圈印刷板(3)上，与三根同轴电缆连接，并用树脂胶粘结固定；三根同轴电缆也用树脂胶固定在铝合金外壳(1)上，保证测量过程中不因重力因素使连接处松脱；
在柔性线圈印刷板(3)中，将小型方形线圈(a)置于最底层，使测量时提离距离变小，方形环形线圈(b)置于中间层，普通方形线圈(c)置于最顶层，使三种线圈在整个装置集成过程中具有合适的提离距离分配，保证三个线圈在被测材料表面产生的涡流都具有较高强度；
第四步，材料弹性常数测量
将集成组装后的阵列磁铁电磁超声(12)经过双工器(7)与终端电阻(8)和脉冲发生器(4)相连接，并通过功率放大器(9)与示波器(10)相连接以显示超声信号，示波器(10)通过USB线(11)与PC端(5)连接采集并存储数据，为减少阵列磁铁电磁超声(12)与脉冲发生器(4)之间失配，阻抗匹配网络(6)连接在阵列磁铁电磁超声(12)与双工器(7)之间；阵列磁铁电磁超声(12)放置在被测材料(13)上方，使阵列磁铁电磁超声(12)激励的超声信号沿板厚方向传播并从板的底部反射，一系列回波信号重新被阵列磁铁电磁超声(12)接收；
超声测量弹性常数通过测量横波与纵波速度来实现；对于多晶金属一般为各向同性材料，用两个弹性常数确定其弹性性能，这两个弹性常数是拉梅常数(λ,μ)或杨氏模量E和泊松比ν，它们与横波和纵波速度的关系是，
式中，cs为横波速度，cl为纵波速度，ρ为材料密度；
为计算超声速度，需测量纵波回波和横波回波的传播时间；然而，根据公式(1)和公式(2)，被测材料泊松比接近1/3时，纵波速度约为横波速度的2倍，接收信号中的第二纵波回波和第一横波回波发生重叠现象；因此，纵波回波的传播时间由第一纵波回波和第三纵波回波确定，横波回波的传播时间由第一横波回波和第二横波回波确定；利用纵波回波和横波回波得到传播时间之后，根据被测材料已知板厚计算这两种波型的传播速度，并根据公式(1)和公式(2)计算材料的弹性常数。
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