CN113176343A - 一种柔性贴片式磁致伸缩导波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，它是由环形偏置磁场线圈、环形收发一体信号线圈、圆形磁致伸缩贴片、信号连接线和表面保护膜组成，传感器整体呈圆形柔性薄膜结构。将传感器直接胶粘于被检结构表面，通过分别在偏置磁场线圈和信号收发线圈中通入矩形脉冲电流和射频脉冲电流，从而在圆形磁致伸缩贴片中感应径向的准静态强偏置磁场和高频动态磁场，基于磁致伸缩效应激发和接收沿传感器径向传播的单模态超声导波。本发明柔性贴片式磁致伸缩导波传感器不但轻薄、柔性，易于在曲面结构上进行粘贴，还可实现单模态超声导波激发、接收，且具有转化效率高和功耗低等优点，从而大幅度提高超声导波对薄壁结构的检测能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于结构健康监检测的超声导波传感器，具体涉及一种柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，可用于曲面薄壁结构的大范围健康监检测。
背景技术
薄壁结构广泛应用于航空航天、燃料储存等工业领域，在使用过程中由于高温、高压和化学侵蚀等恶劣的工况，在使用过程中，壁面容易产生腐蚀和裂纹等各类缺陷，对其完整性进行检测，对保证其可靠性，减少事故发生具有重要意义。超声导波技术作为近几年新兴的无损检测技术，可以在小区域激励的情况下实现大范围、长距离的快速检测，具有设备简单、携带方便和检测精度高等特点，在结构健康监检测中具有非常大的应用前景。
压电片作为目前用于结构健康监检测的主要超声导波传感器具有体积小、重量轻、转化效率高和功耗低等优点，但压电片超声导波传感器存在多模态、频散、信号复杂，导致检测信噪比低和缺陷识别困难等问题。贴片式磁致伸缩超声导波传感器作为一种新型超声导波传感器，其显著优点是可在被测结构中选择性激发S0或SH0等非频散单模态导波，且转化效率高，大幅度降低了导波检测中信号分析的复杂度，提高缺陷的识别能力。但现有贴片式磁致伸缩超声导波传感器采用磁铁加信号激励-接收线圈加磁致伸缩贴片的结构，传感器体积和重量大、结构呈刚性，很难满足结构健康监检测技术中对传感器体积和重量等的要求，且对于曲面结构，其更无法适用。
为解决上述问题，本发明提出一种用于结构健康监检测的柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，该传感器由双层线圈和磁致伸缩贴片构成，传感器整体呈圆形柔性多层薄膜结构。通过分别在偏置磁场线圈和信号收发线圈中通入矩形脉冲电流和射频脉冲电流，从而在圆形磁致伸缩贴片中感应径向的准静态强偏置磁场和高频动态磁场，基于磁致伸缩效应激发和接收沿传感器径向传播的单模态超声导波。因此本发明柔性贴片式磁致伸缩导波传感器不但轻薄、柔性，易于在曲面结构上进行粘贴，还可实现单模态超声导波检测，且还具有转化效率高和功耗低等优点，从而大幅度提高超声导波对曲面薄壁结构的检测能力。
发明内容
本发明目的在于提供一种体积小、重量轻、转化效率高和低功耗的柔性贴片式磁致伸缩超声导波传感器，易于在曲面结构上粘贴，用于对曲面薄壁结构的大范围健康监测。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，该传感器从下到上依次为圆形磁致伸缩贴片3、环形信号收发线圈2、环形偏置磁场线圈1和表面保护层11，整体呈圆形柔性四层薄膜结构，层与层之间通过粘接而成，易于在曲面被测结构上粘贴；环形偏置磁场线圈1和环形信号收发线圈2分别与环形偏置磁场线圈连接导线4和环形信号收发线圈连接导线5相连接；
使用时将所述传感器通过粘接剂15固定在被测结构表面，通过在环形偏置磁场线圈1通入矩形长脉冲电流以及环形信号收发线圈2中高频短脉冲电流，从而分别在圆形磁致伸缩贴片3中感应径向的准静态矩形长脉冲强偏置磁场10和高频动态磁场9，基于磁致伸缩效应在圆形磁致伸缩贴片3中产生高频径向磁致伸缩力8，从而激发沿所述传感器径向传播的S0模态单模态超声导波7，S0模态单模态超声导波7通过粘接剂15耦合到被测结构中，并在被测结构中向四周扩散，当遇到被测结构中缺陷或损伤时产生反射，反射回传感器的超声导波与准静态矩形长脉冲强偏置磁场10相互作用，基于磁致伸缩逆效应接收回波信号，通过环形信号收发线圈连接导线5接收信号，通过对回波信号进行分析和缺陷成像，对缺陷或损伤进行定位，并且辨别缺陷或损伤的大小；该传感器能够实现S0单模态超声导波激发、接收，且具有转化效率高和功耗低等优点。
所述环形偏置磁场线圈1、环形信号收发线圈2、圆形磁致伸缩贴片3均为柔性薄膜结构，具有相同的外径；环形偏置磁场线圈1和环形信号收发线圈2通过柔性印刷电路工艺制作，圆形磁致伸缩贴片3由韧性高磁致伸缩效应材料制成。
所述环形信号收发线圈2的宽度d即内外半径差为其外直径D的四分之一，所激发的S0模态单模态超声导波7的波长λ为环形信号收发线圈2外直径D的三分之二。
本发明所述柔性贴片式磁致伸缩导波传感器不但轻薄、柔性，易于在曲面结构上进行粘贴，还可实现S0单模态超声导波激发、接收，且具有转化效率高和功耗低等优点。
附图说明
图1为本发明柔性贴片式磁致伸缩导波传感器总体结构示意图。
图2为本发明传感器导波激励与检测信号示意图。
图3为本发明传感器用于结构健康监检测的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出一种柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，该传感器由环形偏置磁场线圈1、环形信号收发线圈2、圆形磁致伸缩贴片3、环形偏置磁场线圈连接导线4、环形信号收发线圈连接导线5和表面保护膜11组成。表面保护膜11、环形偏置磁场线圈1、环形信号收发线圈2与圆形磁致伸缩贴片3从上至下依次通过粘接形成一体，传感器整体呈圆形柔性多层薄膜结构；环形偏置磁场线圈1和环形信号收发线圈2分别与环形偏置磁场线圈连接导线4和环形信号收发线圈连接导线5相连接。
该传感器的检测原理为：分别在环形偏置磁场线圈1和环形信号收发线圈2中通入矩形长脉冲电流和高频短脉冲电流，从而分别在圆形磁致伸缩贴片3中感应径向的准静态矩形长脉冲强偏置磁场10和高频动态磁场9，基于磁致伸缩效应在圆形磁致伸缩贴片3中产生高频经向磁致伸缩力8，从而激发沿所述传感器径向传播的S0模态单模态超声导波7，S0模态单模态超声导波7通过粘接剂15耦合到被测结构中，并在被测结构中向四周扩散，当遇到被测结构中缺陷或损伤时产生反射，反射回传感器的超声导波与准静态矩形长脉冲强偏置磁场10相互作用，基于磁致伸缩逆效应产生回波信号，通过环形信号收发线圈连接导线5接收信号。
下面结合图2、图3和具体实施方式，对所提出传感器作进一步的详细描述。
本发明目的在于提供一种体积小、重量轻、转化效率高和功耗低的柔性贴片式磁致伸缩超声导波传感器，易于在曲面结构上粘贴，用于对曲面薄壁结构的大范围健康监测。具体实施方式包括如下步骤：
步骤一：首先将该柔性贴片式磁致伸缩导波传感器如图3所示粘接在待测试件17的表面，粘贴时应较紧密贴近待测试件表面，从而提高实验时的导波信号信噪比。
步骤二：该传感器的环形偏置磁场线圈1和环形信号收发线圈2通过柔性印刷电路工艺制作，圆形磁致伸缩贴片3由韧性高磁致伸缩效应材料制成，传感器整体呈圆形柔性多层薄膜结构。
步骤三：通过分别在环形偏置磁场线圈1和环形信号收发线圈2中通入如图2所示矩形长脉冲电流14和高频短脉冲电流16，分别在圆形磁致伸缩贴片3中感应径向的准静态矩形长脉冲强偏置磁场10和高频动态磁场9，基于磁致伸缩效应在圆形磁致伸缩贴片3中产生高频径向磁致伸缩力8，从而激发沿所述传感器径向传播的S0模态单模态超声导波7。
步骤四：S0模态单模态超声导波7通过粘接剂15耦合到待测试件17中，并在待测试件17中向四周扩散，导波传播遇到缺陷13产生反射，反射回的超声导波与准静态矩形长脉冲强偏置磁场10相互作用，基于磁致伸缩逆效应产生回波信号，随后该信号通过环形信号收发线圈连接导线5被传感器接收。
步骤五：图3为对曲面结构进行监测的传感器阵列布置示意图，通过传感器激发的S0模态单模态超声导波7遇到缺陷13后，产生缺陷回波12，通过对缺陷回波信号进行分析和缺陷成像，可以对缺陷进行定位，并且辨别缺陷的大小。
Claims (3)
1.一种柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，其特征在于：该传感器从下到上依次为圆形磁致伸缩贴片(3)、环形信号收发线圈(2)、环形偏置磁场线圈(1)和表面保护层(11)，整体呈圆形柔性四层薄膜结构，层与层之间通过粘接而成，易于在曲面被测结构上粘贴；环形偏置磁场线圈(1)和环形信号收发线圈(2)分别与环形偏置磁场线圈连接导线(4)和环形信号收发线圈连接导线(5)相连接；
使用时将所述传感器通过粘接剂(15)固定在被测结构表面，通过在环形偏置磁场线圈(1)通入矩形长脉冲电流以及环形信号收发线圈(2)中高频短脉冲电流，从而分别在圆形磁致伸缩贴片(3)中感应径向的准静态矩形长脉冲强偏置磁场(10)和高频动态磁场(9)，基于磁致伸缩效应在圆形磁致伸缩贴片(3)中产生高频径向磁致伸缩力(8)，从而激发沿所述传感器径向传播的S0模态单模态超声导波(7)，S0模态单模态超声导波(7)通过粘接剂(15)耦合到被测结构中，并在被测结构中向四周扩散，当遇到被测结构中缺陷或损伤时产生反射，反射回传感器的超声导波与准静态矩形长脉冲强偏置磁场(10)相互作用，基于磁致伸缩逆效应接收回波信号，通过环形信号收发线圈连接导线(5)接收信号，通过对回波信号进行分析和缺陷成像，对缺陷或损伤进行定位，并且辨别缺陷或损伤的大小；该传感器能够实现S0单模态超声导波激发、接收，且具有转化效率高和功耗低等优点。
2.根据权利要求1所述的柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述环形偏置磁场线圈(1)、环形信号收发线圈(2)、圆形磁致伸缩贴片(3)均为柔性薄膜结构，具有相同的外径；环形偏置磁场线圈(1)和环形信号收发线圈(2)通过柔性印刷电路工艺制作，圆形磁致伸缩贴片(3)由韧性高磁致伸缩效应材料制成。
3.根据权利要求1所述的柔性贴片式磁致伸缩导波传感器，其特征在于：所述环形信号收发线圈(2)的宽度d即内外半径差为其外直径D的四分之一，所激发的S0模态单模态超声导波(7)的波长λ为环形信号收发线圈(2)外直径D的三分之二。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114034406A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-11 | 株洲国创轨道科技有限公司 | 一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102435357A (zh) * | 2011-10-09 | 2012-05-02 | 北京工业大学 | 钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器 |
| WO2017080133A1 (zh) * | 2015-11-13 | 2017-05-18 | 华中科技大学 | 一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测方法及装置 |
| CN108956762A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-12-07 | 西安交通大学 | 一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法 |
-
2021
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102435357A (zh) * | 2011-10-09 | 2012-05-02 | 北京工业大学 | 钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器 |
| WO2017080133A1 (zh) * | 2015-11-13 | 2017-05-18 | 华中科技大学 | 一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测方法及装置 |
| CN108956762A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-12-07 | 西安交通大学 | 一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘增华;张易农;张慧昕;何存富;吴斌;: "基于磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的试验研究", 机械工程学报, no. 06 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114034406A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-11 | 株洲国创轨道科技有限公司 | 一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器 |
| CN114034406B (zh) * | 2021-11-08 | 2024-05-28 | 株洲国创轨道科技有限公司 | 一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器 |
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