CN110702798A - 一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器，在选择兰姆波模态波长和单频激励信号的基础上，将矩形钕铁硼磁铁垂直极化在其下方加入变角度磁集中器并以此改变入射声波角度的方法，增强了传统电磁声传感器的模态控制能力。利用设计的基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器，可以实现对金属板结构的小尺寸缺陷检测。该传感器由矩形钕铁硼磁铁、变角度磁集中器和回折线圈组成。超声波斜入射有利于提高电磁声传感器的模态控制能力。通过扫频和声场指向性测试实验，验证了所研制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器具有较好的频率响应特性和声场指向性。

Description

一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器
技术领域
本发明为一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可在金属板结构中激励高阶模态兰姆波，并提高电磁声传感器的模态控制能力。
背景技术
金属板结构在航空航天、化工和机械等领域有着广泛的应用。金属板结构服役期间易产生裂纹、腐蚀和脱层等缺陷。为保障金属板结构使用安全，有必要对其进行无损检测及结构健康监测。兰姆波具有传播距离远、速度快等特点，可实现对金属板结构快速、大范围的无损检测。其中，高阶模态兰姆波具有短波长的优点，对金属板结构中小尺寸缺陷检测尤为敏感。但是，兰姆波具有多模态特性，在同一激励频率下同时存在多个传播特性不同的模态。随着频率的增加，模态的数量也相应增加。多模态的存在，使信号中出现多个波包，增加了后期信号处理与分析难度。因此，高频激励单一模态的兰姆波十分必要。
目前模态控制方面，在选择单频信号作为激励信号的基础上，通过选择模态的波长或相速度，以及调整入射声波角度的方法，控制产生的兰姆波模态。压电斜探头通过控制相速度和入射波角度的方法，激励相应模态的兰姆波。压电斜探头虽可在高频激励时抑制多模态兰姆波的产生，但需耦合并对检测试件表面进行预处理，操作过程十分复杂。然而电磁声传感器可设计性好，兼具无需耦合、非接触式检测等优点。电磁声传感器通过改变相邻线圈的间距，即可达到控制模态波长的目的。通过改变线圈形状或者静磁场的配置形式，即可激发出不同模态的兰姆波。刘增华研制了多种基于不同原理的电磁声传感器，在低频下均可激励出单一模态的兰姆波。但在高频激励条件下，电磁声传感器存在激励模态不纯净的问题。国外学者Peter Cawley设计了基于30周期回折线圈的电磁声传感器，激励 A1模态兰姆波，接收信号中S1模态与A1模态幅值比为0.4。
现阶段研制的电磁声传感器，仅通过改变线圈间距和永磁铁极化方向的方式，控制产生兰姆波模态的波长，达到控制产生兰姆波模态的目的。在低频激励条件下，可激励单一模态的兰姆波。但当高频激励时，由于同一频率下同时存在多个模态兰姆波，很难激励出纯净的单一模态兰姆波。本发明在选择兰姆波模态波长和单频激励信号的基础上，增加调整入射声波角度的方法，增强电磁声传感器的模态控制能力。激励兰姆波的变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器在国内外未见报道。
发明内容
本发明旨在设计一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，解决电磁声传感器高频激励存在多模态，不利于信号分析的问题。所提出变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器的模态控制能力，优于永磁体厚度方向和水平方向极化的传统电磁声传感器。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：包括矩形钕铁硼磁铁(1)，变角度磁集中器(2)柔性电路板中回折线圈(3)；其特征在于：矩形钕铁硼磁铁(1)极化，提供垂直静磁场；变角度磁集中器(2)在矩形钕铁硼磁铁(1)正下方，将永磁铁所提供的垂直静磁场集中并导向，使其沿磁集中器预设角度加载；柔性电路板中回折线圈(3)在金属板(4)集肤深度层内，感生出与电流方向相反且周期分布的感应涡流；经磁集中器集中并导向后的永磁铁所提供静磁场与感应涡流相互作用，耦合出斜入射的超声波。
所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：矩形钕铁硼磁铁(1)的横截面形状为矩形，极化方向与长度方向垂直，变角度磁集中器(2)在矩形钕铁硼磁铁(1)正下方，将磁铁所提供静磁场集中并沿预设角度导向，使其与金属板(4)具有一定倾斜角度。
所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中回折线圈(3)，相邻两根导线间距等于激励模态的半波长。
所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中回折线圈(3)，采用布线方式；上下两层线圈相同位置处电流方向相同，以提高动磁场强度。
本发明可以获得如下有益效果：
1、矩形钕铁硼磁铁放置在变角度磁集中器上，变角度磁集中器放置在线圈与被测金属板之上，在变角度磁集中器对磁场的集中及导向作用下，提供倾斜于金属板分布的静磁场；
2、柔性电路板中回折线圈，相邻两根导线中电流方向相反，在金属板中感生出与电流方向相反且周期分布的感应涡流；
3、柔性电路板中回折线圈，采用双层布线方式，提高动磁场强度；
4、柔性电路板中回折线圈，相邻导线间距l等于激励模态的半波长，即λ/2，实现电磁声传感器对激励兰姆波模态控制；
5、与传统电磁声传感器相比，基于变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器，通过变角度磁集中器改变静磁场方向与感应涡流耦合出具有一定入射角度的超声波。斜入射超声波能够降低高频激励时不需要模态的幅值，降低多模态间幅值比。
6、基于变角度磁集中器改变静磁场方向的斜入射式电磁声传感器，增强了传统电磁声传感器的模态控制能力，降低信号处理与分析难度，实现对金属板结构的快速、非接触无损检测。
附图说明
图1基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器结构示意图；
图2变角度磁集中器示意图；
图3多周期回折线圈示意图；
图4基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器工作原理示意图；
图5 1mm厚铝板的超声导波相速度与群速度频散曲线；
图6实验系统；
图7激励频率为2.25MHz时，变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器与传统电磁声传感器实验结果波形对比图；
图8基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器的频率响应特性实验结果；
图9声场指向性测试实验的传感器布置示意图；
图10基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器声场指向性实验结果。
图中：1、矩形钕铁硼磁铁，2、变角度磁集中器，3、柔性电路板中回折线圈，4、金属板试件，5、激励传感器，6、接收传感器，7、激励端阻抗匹配模块， 8、接收端阻抗匹配模块，9、高能脉冲激励接收装置RPR-4000，10、数字示波器，11、铝板，12、变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器激发/接收的直达波第一个波包，13、变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器激发/接收的直达波第二个波包，14、传统电磁声传感器激发/接收的直达波第一个波包，15、传统电磁声传感器激发/接收的直达波第二个波包。
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。
基于洛伦兹力机理，设计了一种基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器。在铝板上，高频激励条件下，利用该传感器激励高阶模态兰姆波，并证明所研制的基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器提高了传统电磁声传感器的模态控制能力。图1为本发明基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器结构示意图；包括矩形钕铁硼磁铁1，变角度磁集中器2，柔性电路板中回折线圈3；检测对象为铝板11，规格为1000×1000×1(单位：mm)。矩形钕铁硼磁铁1置于变角度磁集中器2正上方，柔性电路板中回折线圈3置于变角度磁集中器2与铝板11之间，并与两者紧密接触。图4为上述铝板11的超声导波群速度和相速度频散曲线。选定激励频率，确定激励模态唯一的波长λ。
所述的柔性电路板中回折线圈3如图3所示，相邻导线的中心间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应模态的半波长，该传感器相邻导线的中心间距l＝1.71mm，对应的A1模态电磁声传感器的理论中心频率f为2.25MHz。
入射超声波波前角度θ如图4所示，将l投影到超声波的入射方向，实现激发A1模态兰姆波的相位匹配。由相长干涉的第一个最大值确定θ，入射超声波波前角度θ＝arcsin[c/(2×l×f)]，c为纵波波速。该入射超声波波前角度θ为55°。
变角度磁集中器的角度α如图4所示，由三角形内角和定理确定α，α＝θ。该变角度磁集中器的角度α为55°。
所述的矩形钕铁硼磁铁1如图1所示，沿与长度方向垂直的方向极化，提供静磁场。尺寸为：长22mm，宽20mm，高20mm。
所述的变角度磁集中器2如图2所示，沿与长度方向夹角为55°，矩形钕铁硼磁铁1共同提供与铝板夹角为55°的偏置静磁场。尺寸为：长22mm，宽20mm，高4.5mm，腿宽1mm，角度55°。
所述的柔性电路板中回折线圈3如图3所示，采用上下双层布线，上下两层共32根导线，单根导线长为20mm，宽度为0.2mm，有效线圈的总宽度为 25.65mm。
实验系统如图6所示，包括高功率脉冲激励接收装置RPR40009，数字示波器10，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5，接收传感器6，铝板11。RPR40009用于产生高能激励信号和接收信号。数字示波器10 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用于提高传感器换能效率。激励传感器5与接收传感器6之间相距s并布设在铝板11 上；接收传感器6通过接收端阻抗匹配模块8与高功率脉冲激励接收装置 RPR40009连接，高功率脉冲激励接收装置RPR40009与数字示波器10连接，高功率脉冲激励接收装置RPR40009还通过激励端阻抗匹配模块7与激励传感器5连接。
1)模态控制能力测试
基于实验系统如图6所示，通过实验验证变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器高频激励兰姆波的模态控制能力。用于模态控制对比实验的传统电磁声传感器，除永磁铁极化方向为厚度方向外，其他参数均与基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器一致。采用一激一收方式，激励传感器5与接收传感器6间距s为600mm。图7为激励频率为2.25MHz时，通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器与传统电磁声传感器实验结果波形对比图。图7中的(a)为通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器激励/ 接收直达波形，图7中的(b)为由传统电磁声传感器激励/接收直达波形。激励频率为2.25MHz时，A1模态的理论群速度为3560m/s。基于飞行时间法，测得通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器激励/接收的直达波第一波包12的群速度为3488m/s，与A1模态的理论群速度相对误差约为2％。由传统电磁声传感器激励/接收的第一波包包络14与第二波包包络15峰值百分比为17.74％，通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器激励/接收的第一波包包络12与第二波包包络13峰值百分比为12.6％。
通过变角度磁集中器使得永磁铁静磁场产生与水平方向成55°的斜入射电磁声传感器降低了不需要模态的幅值，增强了传统电磁声传感器的模态控制能力。
2)频率响应特性测试
对研制的基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器进行频率响应特性测试，将激励频率从2.15MHz，以10kHz为步长增加至2.35MHz。提取各频率下直达波包络峰值。由归一化峰值绘制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器的频率响应曲线如图8所示。实验数据分别用圆圈表示。通过曲线拟合，可以看出在2.24MHz和2.25MHz频带间获得了较高峰值。实验结果表明所研制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器具有良好的频率响应特性。
3)声场指向性测试
对研制的基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器的声场指向性进行测试，将激励传感器放置在中心，接收传感器放置在半径为200mm，从0°以15°为步长增加至180°的半圆上，如图9所示。提取各角度下直达波包络峰值并归一化。基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器声场指向性如图10所示。基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器在 0°和180°获得较大的幅值。实验结果表明所研制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器具有良好的声场指向性。
本发明设计的一种基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器，该传感器由矩形钕铁硼磁铁、变角度磁集中器和回折线圈组成。当传感器工作时，矩形钕铁硼磁铁提供垂直于铝板的静磁场，变角度磁集中器将该静磁场集中并沿预设角度导向，使其方向与铝板具有一定的倾角，载有高频电流的回折线圈在铝板集肤深度层内，感生出方向相反且周期分布的感应涡流。倾斜静磁场与感应涡流相互作用，根据左手定则，耦合出斜入射且周期交替分布的洛伦兹力。该斜入射的洛伦兹力作为斜入射的超声声源。超声波斜入射有利于提高电磁声传感器的模态控制能力。通过实验验证了所研制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器可降低不需要模态的幅值，增强了电磁声传感器的模态控制能力。通过扫频和声场指向性测试实验，验证了所研制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器具有较好的频率响应特性和声场指向性。本发明在选择兰姆波模态波长和单频激励信号的基础上，将矩形钕铁硼磁铁垂直极化在其下方加入变角度磁集中器并以此改变入射声波角度的方法，增强了传统电磁声传感器的模态控制能力。利用设计的基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器，可以实现对金属板结构的小尺寸缺陷检测。在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。

Claims (7)

1.一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：包括矩形钕铁硼磁铁(1)、变角度磁集中器(2)柔性电路板中回折线圈(3)；矩形钕铁硼磁铁(1)极化，提供垂直静磁场；变角度磁集中器(2)在矩形钕铁硼磁铁(1)正下方，将矩形钕铁硼磁铁(1)所提供的垂直静磁场集中并导向，使矩形钕铁硼磁铁(1)沿变角度磁集中器(2)预设的角度加载；柔性电路板中回折线圈(3)在金属板(4)集肤深度层内，感生出与电流方向相反且周期分布的感应涡流；经变角度磁集中器(2)集中并导向后的矩形钕铁硼磁铁(1)所提供静磁场与感应涡流相互作用，耦合出斜入射的超声波。
2.根据权利要求1所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：矩形钕铁硼磁铁(1)的横截面形状为矩形，极化方向与长度方向垂直，变角度磁集中器(2)在矩形钕铁硼磁铁(1)正下方，将矩形钕铁硼磁铁(1)所提供静磁场集中并沿预设角度导向，使静磁场与金属板(4)具有一定倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中回折线圈(3)中相邻两根导线间距等于激励模态的半波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中回折线圈(3)采用上下两层线圈布线方式；上下两层线圈相同位置处电流方向相同，以提高动磁场强度。
5.根据权利要求1所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：所述的柔性电路板中回折线圈(3)中，相邻导线的中心间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应模态的半波长，该电磁声传感器相邻导线的中心间距l＝1.71mm，对应的A1模态电磁声传感器的理论中心频率f为2.25MHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：入射超声波波前角度θ，将l投影到超声波的入射方向，实现激发A1模态兰姆波的相位匹配；由相长干涉的第一个最大值确定θ，入射超声波波前角度θ＝arcsin[c/(2×l×f)]，c为纵波波速，l为电磁声传感器相邻导线的中心间距。
7.根据权利要求1所述的一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：矩形钕铁硼磁铁(1)极化方向与长度方向垂直，变角度磁集中器(2)的倾斜角度为α，由三角形内角和定理确定α，α＝θ。
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