CN112268954A - 一种基于电磁超声相控阵传感器的lcr波声束偏转调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁超声相控阵传感器的LCR波声束偏转调控方法，当传感器工作时，矩形钕铁硼磁铁提供倾斜于铝板的静磁场，载有交流电流的单向线圈在铝板集肤深度层内，感应出与发射电流频率一致的交变磁场，并进而在铝板表面集肤深度层内感生出与线圈电流方向相反、频率相同的涡流，倾斜静磁场与感应涡流相互作用，根据左手定则，耦合出斜入射洛伦兹力，该斜入射的洛仑兹力作为斜入射的超声声源。通过调整相控阵相关参数和引入倾斜静磁场相结合的方法，提高了电磁声相控阵传感器的声束偏转调控能力。本发明设计的方法，可在金属板结构中激励出与板表面夹角更小的LCR波，提高残余应力检测的分辨率，具有极大的应用价值。
Description
技术领域
本发明为一种基于倾斜静磁铁的电磁超声相控阵传感器对LCR波声束偏转的调控方法，属于超声无损检测领域，可在金属板结构中激励出与板表面夹角更小的临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal Wave,LCR)，对其进行优化来提高残余应力检测的分辨率。
背景技术
残余应力是一种固有应力，来源于制造过程或构件的使用过程，会改变材料的形状或性能。残余应力评估是结构构件设计中必不可少的一个重要环节。超声波法依据声弹性效应原理，凭借检测方便快捷、对试样无损伤、对人体无伤害、低成本，高渗透力和不受材料类型限制的优点得以在残余应力检测中广泛应用。 LCR波是一种在以第一临界角入射产生在固体表面以下传播的体纵波，具有对应力敏感而对材料织构不敏感的特性。在几种类型的超声波中，根据应变与波速相对变化的关系，LCR波对应力的敏感度最高。可广泛应用于钢板与铝板焊缝、焊接接头和钢轨等试样的检测中。
现有研究利用LCR波检测残余应力的原理，通过超声波传播速度的变化，反映样品表面和内部残余应力，从而通过LCR波进行检测样品中的残余应力。LCR波声束的指向性是在检测中的一个重要特性。国外学者S.Chaki通过仿真和实验来分析LCR波声束指向性，当声波以第一临界角入射时，折射纵波没有完全沿着试样表面传播，纵波声束最大幅值处与试样表面的夹角最小为25°，且得出当声波以比第一临界角大1°的入射角入射时，LCR波具有较为理想的能量集中性和方向指向性的结论。Pei和Bond通过数值方法分析影响LCR波声束指向性的关键参数，得出入射角和传感器孔径对指向性影响最大的结论。LCR波指向角的优化对提高残余应力检测的分辨率很重要。
相比于压电式超声传感器，电磁超声传感器具有非接触和耐高温耐腐蚀的优势。并且电磁超声相控阵技术具有精确控制声束偏转及聚焦的特点，应用前景十分广泛。关于压电式传感器相控阵的研究，Shi-Chang Wooh利用理论推导和建模型仿真的形式研究如传感器频率、传感器的数量、元件间间距、元件宽度和元件间时延等不同传感器参数对声束指向性和可转向性的影响，但没有表明参数对纵波的调控作用和影响。本发明设计一种纵波电磁超声相控阵传感器，通过调整相控阵相关参数和引入倾斜静磁场相结合的方法，达到对纵波指向性进行调控的目的。
发明内容
本发明旨在设计一种基于倾斜静磁铁的电磁超声相控阵传感器对LCR波声束偏转的调控方法，解决压电式传感器发出的纵波声束不易调控，与试样表面存在较大夹角的问题。所提出的方法对LCR波声束偏转的调控能力优于传统压电式传感器，且具有非接触和耐高温耐腐蚀的优势。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，包括矩形钕铁硼磁铁1，柔性电路板中单向线圈2；其特征在于：矩形钕铁硼磁铁1倾斜极化，提供倾斜静磁场。柔性电路板中单向线圈2中的激励电流在金属板3集肤深度层内，感应出与发射电流频率一致的交变磁场，并进而在金属板表面集肤深度内感生出与线圈电流方向相反、频率相同的涡流，加之外界施加的倾斜静磁场三者相互作用下产生洛伦兹力。在洛伦兹力作用下，金属板表面就会产生周期性的弹性形变和振动。当这种振动能量波沿试件传输时，就完成电磁超声波的发射。
所述的基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，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存在一定角度，提供与金属试件3具有一定倾斜角度的静磁场。
所述的基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：柔性电路板中单向线圈2，相邻两根导线间距等于纵波的半波长。
所述的基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：柔性电路板中单向线圈2，采用上下两层双层布线方式。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1放置在线圈2与被测金属板3之上，提供倾斜于金属板3分布的静磁场；
2、柔性电路板中单向线圈2，相邻两根导线中电流方向相同，在金属板3 中感生出与电流方向相同且周期分布的感应涡流，可增强单一方向上单一声波的强度；
3、柔性电路板中回单向线圈2，采用双层布线方式，提高动磁场强度；
4、与传统压电式传感器相比，基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，通过调节相控阵相关参数来对体纵波声束偏转进行调控，激励出与金属板表面夹角更小的LCR波；
5、基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，通过倾斜静磁场与感应涡流耦合出具有一定入射角度的超声波，与电磁超声相控阵技术相结合，增强对声波声束的调控能力。
附图说明
图1基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器结构示意图；
图2多周期单向线圈示意图；
图3基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器工作原理示意图；
图4θL和θT随k的变化关系图；
图5不同时刻铝板中声场分布仿真结果图；
图6铝板中不同时刻的声场幅值的归一化仿真结果。
图7纵波指向性幅值归一化图。
图中：1、矩形钕铁硼磁铁，2、柔性电路板中单向线圈，3、金属板试件。
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，设计一种基于倾斜静磁铁的电磁超声相控阵传感器对 LCR波声束偏转的调控方法。在铝板上，利用该传感器激励出与板表面夹角更小的LCR波，并证明基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器提高了传统压电式传感器的声束调控能力。图1为本发明基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器结构示意图；包括矩形钕铁硼磁铁1，柔性电路板中单向线圈2；超声波的产生位置为铝板3，规格为100×100×50(单位：mm)。柔性电路板中单向线圈2置于矩形钕铁硼磁铁1与铝板3之间，并与两者紧密接触。
所述的柔性电路板中单向线圈2如图2所示，相邻导线的中心间距l等于铝板中纵波的半波长。相控阵的阵元数为8。采用上下双层布线，上下两层共16 根导线，单根导线长为20mm，宽度为0.2mm。
由矩形钕铁硼磁铁1极化角度α如图3所示，确定倾斜静磁场的方向矢量如图4。通常纵波电磁超声传感器的永磁体提供平行于试件表面的静磁场，激发的纵波是垂直于试样表面并沿试样深度方向传播的。本发明中极化角度为90°是指永磁体提供垂直于试件表面的静磁场，激发的纵波是理论上是沿着平行于试样表面方向传播的，且能量幅值较小。在此基础上调整静磁场方向，增大近似于沿平行于试样表面方向传播的纵波的幅值，达到残余应力检测中对纵波指向性进行调控的要求。所述的矩形钕铁硼磁铁1如图1所示，沿极化角α方向极化，提供与法线夹角为α的偏置静磁场。尺寸为：长35mm，宽20mm，高20mm。
在此传感器的基础上，通过确定和调整激励信号频率f、阵元数N、阵元间距d、阵元间时延t和极化角α等参数，来分析研究声场分布特征以及对纵波声束指向性进行操控。
金属板的纵波波速和横波波速可由以下公式获得，
其中E为杨氏模量，σ为泊松比，ρ为密度。
满足体波的相位匹配时，根据斯奈尔定律，有以下关系
nλ＝2Lsinθ#(3)
其中n为奇整数，通常基态n＝1；λ为目标声波波长；L为线圈间距；θ为目标声波传播方向与法线的夹角。由于有
设定L＝kλT，则绘制出θL和θT随k的理论变化图如图5。
随着k的增大，线圈间距增大，产生的声波波束的空间宽度随之增加，并会导致栅瓣的产生，栅瓣会影响相控阵检测精度，同时降低声波指向角θL和θT。在指向角较大(大于80°)的情况下，峰值的位置变得难以确定，不容易进行明确的测量。因此k值不宜取太大，但是k值过小(接近截止k值，指向角过大)会不利于测量。
相控阵传感器通过调整各通道时间延迟来实现声束偏转，相邻通道时间延迟的计算公式为
其中θs为偏转角度，c为声速。
铝板中的纵波与表面成约30°，横波与表面成约60°。在此设定θs＝30°，偏转对象为横波，则相邻线圈间时延Δτ＝k/2f，仅与k和f有关。不同k值下，各线圈之间时延参数如表1所示。在N＝8，f＝2MHz，k＝1时，铝板中不同时刻的声场幅值的归一化仿真结果如图6所示。电磁超声相控阵传感器各通道设定的时延使各种声波发生偏转。相控阵传感器在铝板内部激发的纵波在偏转方向一侧拥有较高的能量，并沿近表面传播。线圈间距的改变可影响纵波的指向性，从而影响纵波电磁超声相控阵传感器检测精度。
表1电磁超声相控阵参数表
在半径为40mm的圆弧上取点接收信号，绘制纵波指向性幅值归一化图如图 7。指向性相关参数的结果在表1中。随着阵元间距的增加，纵波指向角逐渐减小，带宽逐渐减小，幅值也在变化，说明适当增大阵元间距能够有效降低纵波电磁超声相控阵声束指向角和能量集中性，对此研究是有利的。但是综合考虑到幅值的变化，建议k值采用0.8～1.0来设计纵波电磁超声相控阵。
在传统的电磁超声传感器基础上，引入带一定极化角的倾斜静磁场，通过调整极化角可改变声波传播方向和声场分布。由于采用理论推导的方法十分复杂，可调整极化角α和偏转角度θs，利用有限元分析法探究其对纵波指向性的影响，达到对纵波指向性进行调控的目的。
本发明设计的一种基于倾斜静磁铁的电磁超声相控阵传感器对LCR波声束偏转的调控方法，方法涉及的传感器由矩形钕铁硼磁铁和单向线圈组成。当传感器工作时，矩形钕铁硼磁铁提供倾斜于铝板的静磁场，载有交流电流的单向线圈在铝板集肤深度层内，感应出与发射电流频率一致的交变磁场，并进而在铝板表面集肤深度层内感生出与线圈电流方向相反、频率相同的涡流，倾斜静磁场与感应涡流相互作用，根据左手定则，耦合出斜入射洛伦兹力。该斜入射的洛仑兹力作为斜入射的超声声源。在合适的相控阵参数和倾斜静磁场作用下，提高了电磁声相控阵传感器的声束偏转调控能力。本发明设计的方法，可在金属板结构中激励出与板表面夹角更小的LCR波，提高残余应力检测的分辨率。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 (5)
1.一种基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：包括矩形永磁铁(1)，柔性电路板中单向线圈(2)；其特征在于：永磁铁(1)倾斜极化，提供倾斜静磁场；柔性电路板中单向线圈(2)在金属板(3)集肤深度层内，感应出与发射电流频率一致的交变磁场，并进而在金属板表面集肤深度内感生出与线圈电流方向相反、频率相同的涡流，加之外界施加的倾斜静磁场三者相互作用下产生洛伦兹力；在洛伦兹力作用下，金属板表面就会产生周期性的弹性形变和振动；当这种振动能量波沿试件传输时，就完成超声波的发射。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：矩形永磁铁(1)的横截面形状为矩形，极化方向与长度方向存在一定角度，提供与金属板(3)具有一定倾斜角度的静磁场。
3.根据权利要求1所述的一种基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：柔性电路板中单向线圈(2)，相邻两根导线间距等于纵波的半波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：柔性电路板中回折线圈(2)，采用上下两层双层布线方式；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所述的一种基于倾斜静磁体的电磁超声相控阵传感器，其特征在于：矩形永磁铁(1)极化角度α，可利用有限元分析法调整极化角α和偏转角度θs，来确定最佳取值。
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