CN110702799B - 一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器 - Google Patents

一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，当传感器工作时，载有高频电流的半圆环形回折线圈在铝板中感应出半圆环形分布且方向相对的感应涡流，永磁铁提供垂直于铝板的静磁场，通过半圆形变角度磁集中器改变静磁场方向基于洛伦兹力换能机理在金属板中产生交替分布的洛伦兹力，实现铝板中单一高阶Lamb波模态的激励。通过试验验证了所研制的电磁声传感器可在铝板中激励出单一的高阶Lamb波、电磁声传感器具有较好的频率响应特性、所研制的电磁声传感器可激励出沿圆周方向传播的高阶Lamb波模态，可以实现对板结构的长距离的缺陷检测，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。

Description

一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传 感器
技术领域
本发明为一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可在金属板结构中激励沿着特定方向传播的单一高阶Lamb波模态。
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)的无损评价和健康监测。Lamb波检测试验需要基于Lamb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。通过磁集中器对静磁场的集中与导向，以一定的倾角加载在圆形回折线圈上，实现激励全向型高信噪比Lamb波模态。
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Lamb波模态。压电斜探头通过控制相速度和入射波角度的方法，激励相应的Lamb波模态。压电斜探头虽可在高频激励时抑制多模态Lamb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Lamb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Lamb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PeterCawley设计了基于30周期回折线圈的电磁声传感器，激励A1模态Lamb波，接收信号中S1模态与A1模态幅值比为0.4。目前，能在板中激励出全向型高阶Lamb波模态的传感器鲜见报道。
发明内容
本发明旨在设计一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，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：
一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，包括半圆形钕铁硼磁铁1、半圆形变角度磁集中器2、柔性电路板中半圆环回折线圈3和金属板试件4；其特征在于：半圆形变角度磁集中器2置于半圆形钕铁硼磁铁1与柔性电路板中半圆环回折线圈3之间，柔性电路板中半圆环回折线圈3置于半圆形变角度磁集中器2与金属板试件4之间，并与两者紧密接触；
所述的基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，其特征在于：半圆形钕铁硼磁铁1的横截面形状为半圆形，沿厚度方向极化，提供垂直于半圆形变角度磁集中器2的静磁场。
所述的基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，其特征在于：半圆形变角度磁集中器2置于半圆形钕铁硼磁铁1与柔性电路板中半圆环回折线圈3之间，改变静磁场方向。
所述的基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中半圆环回折线圈3，采用双层布线方式，提高了传感器的性能。
所述的基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中半圆环回折线圈3中的导线半圆环回折式排布，相邻两半圆环导线中电流的相位角相差180°。
本发明可以获得如下有益效果：
1、半圆形钕铁硼磁铁1的横截面形状为半圆形，沿厚度方向极化，提供垂直于半圆形变角度磁集中器2的静磁场。
2、半圆形变角度磁集中器2改变静磁场方向。
3、柔性电路板中半圆环回折线圈3，相邻两个半圆环的电流方向相反，通入高频电流时，可在金属板试件4中感应出回折分布的涡流；
4、柔性电路板中半圆环回折线圈3，相邻两个半圆环间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的高阶Lamb波模态的半波长，即λ/2。通过改变间距l，可以设计激励不同波长的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器；
5、柔性电路板中半圆环回折线圈3，采用双层布线方式，提高了传感器的性能；
6、所设计的电磁声传感器可在具有导电性能的板结构中激励出的单一高阶Lamb波模态，实现板结构的非接触检测。
附图说明
图1基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器结构示意图；
图2半圆形变角度磁集中器示意图；
图3柔性电路板中半圆环回折线圈示意图；
图4基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器检测铝板试验系统示意图；
图5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6 1mm厚铝板的超声导波相速度与群速度频散曲线；
图7声场全向性测试实验的传感器布置示意图；
图8全向型A1模态电磁声传感器在不同角度检测得到的A1模态归一化幅值曲线。
图中：1、半圆形钕铁硼磁铁，2、半圆形变角度磁集中器，3、柔性电路板中半圆形回折线圈，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。
图9声场全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全向性实验结果。
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。
基于磁致伸缩效应，设计了一种基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器，利用该传感器在铝板上激励出单一的周向一致的Lamb波A1模态。
基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器结构示意图如图1所示，包括半圆形钕铁硼磁铁1；半圆形变角度磁集中器2；柔性电路板中半圆环回折线圈3，金属板试件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A1模态频率。当柔性电路板中半圆环回折线圈3通入交变电流时，被测金属板试件4表面产生感应涡流，在半圆形钕铁硼磁铁1提供的偏置静磁场的作用下，通过半圆形变角度磁集中器2改变静磁场方向在金属板试件4中产生交变的洛伦兹力；洛伦兹力引发质点振动，振动沿金属板以Lamb波的形式进行传播。
所述的半圆形钕铁硼磁铁1如图1所示，半圆形钕铁硼磁铁半径为22mm，厚h1为20mm。
所述的半圆形变角度磁集中器2如图2所示，半圆形变角度磁集中器半圆台上表面半径为22mm，半圆形变角度磁集中器半圆台下表面最大圆半径为22mm，厚h2为4.5mm，半圆形变角度磁集中器腿宽为1mm，半圆形变角度磁集中器角度θ为55°，相邻两腿中心距为1.71。
所述的柔性电路板中半圆形回折线圈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高阶Lamb波模态的半波长，采用上下双层布线，线圈内径为3.19mm，线圈外径为23.71mm，线圈圈数n＝13。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Lamb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°。
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)频率特性测试
根据选用的参数波长λ，确定基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器结构，设计出基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器的理论中心频率f为2.25MHz。通过半圆形变角度磁集中器2置于半圆形钕铁硼磁铁1与柔性电路板中半圆环回折线圈3之间，柔性电路板中半圆环回折线圈3置于半圆形变角度磁集中器2与金属板试件4之间，并与两者紧密接触；当柔性电路板中半圆环回折线圈3通入交变电流时，被测金属板试件4表面产生感应涡流，在半圆形钕铁硼磁铁1提供的偏置静磁场的作用下，通过半圆形变角度磁集中器2改变静磁场方向在金属板试件4中产生交变的洛伦兹力；洛伦兹力引发质点振动，振动沿金属板以Lamb波的形式进行传播，采用一激一收方式进行实验，磁致伸缩传感器9置于检测对象铝板11距左端面200mm、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，磁致伸缩传感器10置于检测对象铝板11距右端面200mm、下端面500mm处作为接收传感器。图7a为当激励电磁声传感器使用强侧激励时激励频率在2.25MHz时接收信号波形，可以分辨3个回波波包，由时间飞行法可得，主波包的波速为3488m/s，与波包12在2.25MHz下的群速度相差2％，可以确认为A1模态。同理后边的噪声信号13、14为A0、S0模态，电磁声传感器所激励信号的噪声信号比为17.9％。图7b为当调转电磁声传感器使用弱侧进行激励时，由渡越时间法可得，主波包的波速为3488m/s，与波包15在2.25MHz下的群速度相差2％，可以确认为A1模态。同理后边的噪声信号16、17为A0、S0模态，电磁声传感器所激励信号的噪声信号比为16.8％。说明设计的基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器可以增强A1模态。
为了验证基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器的中心频率与理论中心频率是否吻合，因此进行了扫频实验，激励与接收电磁声传感器的中心距为200mm，激励频率从2.15MHz开始，以0.01MHz为步长增加到2.35MHz，采集接收电磁声传感器所接收的直达波信号，并对主波包的幅值峰值做归一化处理，得到电磁声传感器的频率响应曲线，如图9所示。由图可知，所设计电磁声传感器的实际中心频率为2.248MHz，与理论中心频率2.25MHz十分吻合。
2)指向性测试
为了验证基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器的全向性，需要对该传感器进行声场全向性实验。实验装置设置如图8，激励电磁声传感器放在半径为200mm的半圆圆心处，指向90°的方向。在半圆上均匀布置接收电磁声传感器，方向都指向激励电磁声传感器。接收电磁声传感器以15°为间隔从0°布置到180°，分别采集接收到的直达波信号，并对接收信号的峰峰值做归一化处理，从而得到电磁声传感器的全向性，结果如图10所示。图中给出了电磁声传感器在不同角度检测到的A1模态直达波的归一化幅值，介于0.96-1.00之间，可以看出所研制电磁声传感器的全向性较好。该试结果验证了所设计的基于变角度磁集中器的全向型A1模态电磁声传感器可激励出沿360°方向传播的A1模态。

Claims (1)

1.一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波A1模态电磁声传感器，包括半圆形钕铁硼磁铁（1）、半圆形变角度磁集中器（2）、柔性电路板中半圆环回折线圈（3）和金属板试件（4）；其特征在于：半圆形变角度磁集中器（2）置于半圆形钕铁硼磁铁（1）与柔性电路板中半圆环回折线圈（3）之间，柔性电路板中半圆环回折线圈（3）置于半圆形变角度磁集中器（2）与金属板试件（4）之间，并与两者紧密接触；当柔性电路板中半圆环回折线圈（3）通入交变电流时，被测金属板试件（4）表面产生感应涡流，在半圆形钕铁硼磁铁（1）提供的偏置静磁场的作用下，通过半圆形变角度磁集中器（2）改变静磁场方向在金属板试件（4）中产生交变的洛伦兹力；洛伦兹力引发质点振动，振动沿金属板以Lamb波的形式进行传播；
半圆形钕铁硼磁铁（1）的横截面形状为半圆形，极化方向垂直于横截面，提供垂直于半圆形变角度磁集中器的静磁场；
半圆形变角度磁集中器（2）改变静磁场方向；
柔性电路板中半圆环回折线圈（3），采用上下双层布线方式，相邻两个半圆环的电流方向相反；
柔性电路板中半圆环回折线圈（3），线圈导线呈半圆环形回折分布，相邻两半圆环间距l等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的高阶Lamb波A1模态半波长即λ/2；通过改变相邻两半圆环的间距l，设计出不同中心频率的基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波A1模态电磁声传感器；半圆形钕铁硼磁铁（1）极化方向与直径方向垂直，半圆形变角度磁集中器（2）的每个截面倾斜角度为α，由三角形内角和定理确定α，α=θ，半圆形变角度磁集中器（2）的每个截面入射超声波波前角度θ，将相邻两半圆环间距l投影到超声波的入射方向，实现激发Lamb波A1模态的相位匹配；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 )]，其中，c为纵波波速，f为A1模态电磁声传感器的理论中心频率，l为相邻两半圆环间距。
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