CN113866264B - 一种指向型a0模态电磁铁式电磁声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，当传感器工作时，电磁铁驱动电路为桥型电磁铁提供高强度励磁电流，使电磁铁产生强度可调的水平分布偏置磁场，基于洛伦兹力效应与磁滞伸缩效应，通过调节偏置磁场强度以改变钢板受力情况，实现板结构中A0模态导波的激励。通过实验验证了所研制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器在特定励磁电压下，可在钢板中激励出单一的A0模态导波；通过扫频和声场指向性测试实验，验证了指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器具有较好的频率响应特性和声场指向性；通过缺陷检测实验，验证了所研制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器能够有效地减少缺陷信号的分析难度。
Description
技术领域
本发明为一种指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可以在铁磁性金属板结构中激励单一A0模态导波，并提高电磁声传感器检测信号强度。
背景技术
铁磁性金属板结构在航空航天、交通运输、能源化工等领域有着广泛的应用。由于服役环境特殊，金属板易产生裂纹、腐蚀和脱层等缺陷，造成其强度、韧性等物理性能的减弱，严重时可能会导致事故的发生威胁人身安全。为保障金属板结构使用安全，有必要对其进行结构健康监测。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。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。不同的模态的兰姆波在试件中的传播速度不同，给缺陷检测中的缺陷识别与信号分析带来了困难，甚至会造成缺陷的误判或漏判。因此，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，控制产生的兰姆波模态。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。传统电磁声传感器为了追求结构的紧凑性与性能的稳定性，通常采用永磁铁来提供偏置磁场。但在针对铁磁性材料进行检测时，由于永磁铁会牢牢吸附在铁磁性试件表面，在实际工程应用中存在传感器难以移动的问题；同时永磁铁在实际工况下容易吸附铁屑等杂质，对检测结果造成不利影响；永磁铁存在居里温度点，这限制了永磁铁式电磁声传感器在高温环境下的应用。国外学者Mikhailov等提出了一种U型脉冲电磁铁参数的计算方法，能够在被测试件中产生强磁场，且提高电磁声传感器激励和接收兰姆波的效率，但没有分析电磁铁对控制兰姆波模态单一性的贡献。国内的刘增华教授研制了多种基于不同原理的电磁声传感器，均可激励出单一模态的兰姆波。但该类传感器均采用永磁铁提供偏置磁场，在针对铁磁性材料检测时仍存在上述问题。
为了克服永磁铁式电磁声传感器的局限性，现阶段研制的电磁声传感器采用电磁铁提供偏置磁场，以达到磁场可控的目的。本发明在选择兰姆波模态波长和单频激励信号的基础上，采用电磁铁取代永磁铁提供偏置磁场，通过改变调整电磁铁励磁电压以改变偏置磁场，结合板波传播特性，增强电磁声传感器的模态控制能力。利用电磁铁调整偏置磁场强度以控制激励兰姆波模态的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指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，解决常规永磁铁式电磁声传感器针对铁磁性材料检测时存在的局限性问题，提出通过改变偏置磁场，利用铁磁性材料磁滞伸缩效应的非线性特性，增强电磁声传感器的模态控制能力。所提出的电磁铁式电磁声传感器的检测信号强度与模态控制能力，优于传统永磁铁电磁声传感器。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，包括桥型电磁铁1，柔性电路板中多簇回折线圈2，电磁铁驱动电路3；其特征在于：励磁线圈通电后，桥型电磁铁1提供水平偏置磁场；电磁铁驱动电路3产生脉冲电流，为桥型电磁铁1提供励磁电流；柔性电路板中多簇回折线圈2产生动态磁场，在铁磁性金属板集肤深度层内，感生出与电流方向相反且周期分布的感应涡流。水平偏置磁场与感应涡流相互作用，同时与动态磁场叠加，在铁磁性金属板中耦合出超声波。
所述的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，其特征在于：桥型电磁铁1由桥型铁氧体磁芯与由多匝漆包线绕制的励磁线圈组成，漆包线均匀缠绕于桥型铁氧体的桥臂上，励磁线圈内通入脉冲电流后，桥型电磁铁1提供周期性的水平偏置磁场；
所述的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，其特征在于：电磁铁驱动电路3由直流电源供电，通过控制大量并联电容储能放电产生高强度脉冲电流，为桥型电磁铁1的励磁线圈供电。
所述的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，其特征在于：通过调节直流电源电压，可调节励磁电流大小，进而调整电磁铁产生的水平偏置磁场大小。
所述的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中多簇回折线圈2，相邻两簇导线间距等于激励模态的半波长。
所述的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，其特征在于：柔性电路板中多簇回折线圈2，采用上下两层布线方式。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、桥型电磁铁放置在多簇回折线圈与被测金属板上方，提供平行于金属板分布的偏置磁场，其大小可通过调节直流电源励磁电压进行改变；
2、柔性电路板中多簇回折线圈，相邻两簇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、柔性电路板中多簇回折线圈，采用双层布线方式，提高动磁场强度；
4、柔性电路板中多簇回折线圈，相邻导线簇间距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、与传统电磁铁传感器相比，指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器通过改变水平分布的偏置磁场大小，来改变铁磁性金属板受到的洛伦兹力与磁致伸缩力大小，使其受力情况接与目标兰姆波模态传播特性，从而提高目标模态的幅值，降低多模态间幅值比。
6、指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器克服了传统永磁铁电磁声传感器针对铁磁性材料检测时的局限性，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，实现对铁磁性金属板结构的快速、非接触无损检测。
附图说明
图1指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器结构示意图；
图2桥型铁氧体磁轭结构图；
图3多簇回折线圈示意图；
图4 5mm厚20#钢板的超声导波相速度与群速度频散曲线；
图5指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器实验系统；
图6激励频率为200kHz，励磁电压为8V时指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器实验结果波形图；
图7激励频率为200kHz，励磁电压为18V时指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器实验结果波形图；
图8指向型A0模态电磁铁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指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器声场指向性实验结果。
图11指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器缺陷检测实验系统；
图12传统永磁铁电磁声传感器缺陷检测实验系统；
图13激励频率为200kHz，励磁电压为8V时，指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器缺陷检测实验结果波形图；
图14激励频率为200kHz，传统永磁铁电磁声传感器缺陷检测实验结果波形图；
图中：1、桥型电磁铁，2、柔性电路板中多簇回折线圈，3、钢板，4、激励端传感器，5、接收端传感器，6、激励端阻抗匹配模块，7、接收端阻抗匹配模块，8、激励端电磁铁驱动电路，9、接收端电磁铁驱动电路，10、激励端直流电源，11、接收端直流电源，12、电磁铁触发端函数发生器，13、RPR-4000触发端函数发生器，14、数字示波器，15、高功率脉冲激励接收装置RPR4000，16-26、波包，27、缺陷钢板，28、传统永磁铁电磁声传感器(激励端)，29、传统永磁铁电磁声传感器(接收端)，30-41、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。
基于磁致伸缩效应的非线性特性，采用电磁铁调整偏置磁场强度以提高传感器模态控制能力，设计了指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器。在钢板中，低频激励条件下，利用该传感器激励低阶兰姆波，并证明所研制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器提高了传统永磁铁电磁声传感器的检测信号强度与模态控制能力。图1为本发明指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器结构示意图；包括桥型电磁铁1，柔性电路板中多簇回折线圈2；检测对象为钢板3，材料为20#钢，规格为1500×500×5(单位：mm)。柔性电路板中多簇回折线圈2置于桥型电磁铁1与钢板3之间，与钢板3上表面紧密贴合，同时其中心恰置于桥型电磁铁1桥臂正下方。图4为上述钢板3的超声导波群速度和相速度频散曲线。选定激励频率200kHz，对应A0模态的相速度Vp＝2.336mm/μs，群速度Vg＝3.181mm/μs确定激励模态波长λ为11.68mm。
所述的柔性电路板中多簇回折线圈2如图3所示，相邻导线簇的中心间距L1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，该传感器相邻导线簇的中心间距L1＝5.84mm，对应的A0模态电磁声传感器的理论中心频率f为200kHz。所述的柔性电路板中多簇回折线圈采用上下双层布线，单根导线宽度为0.25mm，有效线圈长度L2＝85mm。
所述的桥型电磁铁1如图1所示，包括桥型铁氧体磁轭与漆包线励磁线圈两部分。漆包线励磁线圈均匀缠绕在桥型铁氧体磁轭的桥臂上，线径为1mm，总匝数约为180，共三层。
所述的桥型电磁铁1如图2所示，桥型铁氧体磁轭的总宽度A＝120mm，总高度B＝80mm，厚度C＝40mm；桥臂宽度D＝60mm，桥腿宽度E＝30mm，高度F＝50mm。
所述的电磁铁驱动电路3由直流电源为30个并联电容器充电；10个场效应管充当电路开关，接收触发信号，控制电容放电；4个二极管用于抑制反向放电电流；电磁铁励磁线圈两端电压稳定在直流电源提供的电压值，产生大电流。通过调整直流电源电压，控制电磁铁励磁电流。
实验系统如图5所示，包括钢板3，激励端传感器4，接收端传感器5，激励端阻抗匹配模块6，接收端阻抗匹配模块7，激励端电磁铁驱动电路8，接收端电磁铁驱动电路9，激励端直流电源10，接收端直流电源11，电磁铁触发端函数发生器12，RPR-4000触发端函数发生器13，数字示波器14，高功率脉冲激励接收装置RPR400015。RPR400015用于产生高能激励信号和接收信号。数字示波器14用于信号的观测和存储；电磁铁触发端函数发生器12用于向电磁铁驱动电路输出触发信号，控制电磁铁励磁电路通断；RPR-4000触发端函数发生器13用于向RPR4000输出触发信号，控制激励信号输出；激励端直流电源10，接收端直流电源11用于向电磁铁驱动电路供电，并调整电磁铁产生的偏置磁场大小；激励端电磁铁驱动电路8用于增强激励端电磁铁励磁电流；接收端电磁铁驱动电路9用于增强接收端电磁铁励磁电流；激励端阻抗匹配模块6、接收端阻抗匹配模块7用于提高传感器换能效率。激励端传感器4与接收端传感器5之间相距S1布设在钢板3上，激励传感器4距钢板3左端S2，接收传感器5距钢板3右端S3，激励传感器4、接收传感器5均距钢板3后端S4。
1)模态控制能力测试
基于如图5所示实验系统，通过实验验证指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器激励兰姆波的模态控制能力。采用一激一收方式，激励传感器4与接收传感器5间距S1为570mm，激励传感器4距钢板3左端S2为550mm，接收传感器5距钢板3右端S3为380mm，两传感器距钢板3后端S4为250mm。图6是激励信号为汉宁窗调制的三周期正弦波，激励频率200kHz下，电磁铁励磁电压为8V时，指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器的检测结果。图6中可以分辨4个回波波包，波包16为传感器激励时产生的串扰信号，与激励信号的时间几乎一致；预测波包17为直达波信号，基于飞行时间法，计算得波包17的波速为3.193mm/μs，相较于A0模态的理论群速度3.181mm/μs，相对误差约为0.38％。由此确定，波包17为A0模态直达波信号，波包18为A0模态右侧端面回波，波包19为A0模态左侧端面回波。
作为对比，图7是激励信号为汉宁窗调制的三周期正弦波，激励频率200kHz下，电磁铁励磁电压为18V时，指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器的检测结果。图7中可以分辨7个回波波包，确定波包20为串扰信号，依据飞行时间法确定波包22为A0模态直达波信号，波包25为A0模态右侧端面回波，波包26为A0模态左侧端面回波；计算得到波包21的波速为5.215mm/μs，相较于S0模态的理论群速度5.157mm/μs，相对误差约为1.12％。由此确定，波包23为S0模态直达波信号，波包24为S0模态右侧端面回波，波包25为S0模态左侧端面回波。
由图6和图7可以看出，通过调节电磁铁励磁电压可以很好地屏蔽不需要的S0模态，当励磁电压为8V时，提出的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器具有良好的模态控制能力，能够产生单一A0模态导波。
2)频率响应特性测试
对研制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器进行了频率响应特性实验。实验采用的激励信号为汉宁窗调制的三周期正弦信号，电磁铁励磁电压始终为8V，将激励频率从100kHz，以10kHz为步长增加至300kHz。采集各频率下直达波信号峰峰值，经归一化峰峰值绘制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器的频率响应曲线见图8。实验数据分别用圆圈表示，曲线为各个实验数据的二阶高斯拟合。由实验结果可以看出传感器在180kHz和220kHz频带间获得了较高峰值，传感器的实际中心频率为202kHz，与理论中心频率200kHz基本吻合，误差为1％。表明所研制的指向型A0模态电磁铁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
对研制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器的声场指向性进行测试。声场指向性实验的传感器布置示意图如图9所示，将激励传感器放置在中心，接收传感器放置在半径为300mm，从0°以5°为步长增加至180°的半圆上。激励传感器侧边中心对应角度为0°，产生的兰姆波理论传播方向为90°。激励信号为频率为200kHz的汉宁窗调制的三周期正弦信号，采集各角度下直达波信号峰峰值并归一化处理，传感器声场指向性如图10所示。可以看出传感器在80°和100°获得较大的幅值。实验结果表明研制的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器具有良好的声场指向性。
4)缺陷检测测试
图11为指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器缺陷检测实验装置示意图，检测对象为缺陷钢板27，材料为20#钢，规格为1800×600×5(单位：mm)，通孔缺陷尺寸为：长15mm，宽3mm，深5mm。激励传感器4与接收传感器5间距S5为570mm，激励传感器4距缺陷钢板27左端S8为380mm，接收传感器5距通孔缺陷S6为650mm，通孔缺陷距缺陷钢板27右端S7为200mm，两传感器距缺陷钢板27后端S9为300mm。激励信号为汉宁窗调制的三周期正弦信号，激励信号的频率为200kHz，电磁铁励磁电压为8V。
图12为传统永磁铁电磁声传感器缺陷检测实验装置示意图，采用传统永磁铁电磁超声传感器28、29，以一激一收的方式实验。用于缺陷检测对比实验的传统电磁声传感器28、29，采用的桥型永磁铁的尺寸与桥型电磁铁1的尺寸一致，且均采用柔性电路板中多簇回折线圈2作为激励与接收线圈。激励信号为汉宁窗调制的三周期正弦信号，激励信号的频率为200kHz。
指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器和传统永磁铁电磁声传感器所接收到的信号如图13和14所示。在图13中，波包30为串扰信号，由时间飞行法可以计算得到波包31、32、33、34依次为：A0模态直达波、A0模态左侧端面反射回波、A0模态缺陷反射回波和A0模态右侧端面反射回波。在图14中，波包35为串扰信号，根据时间飞行法可得波包36、37、38、39、40、41依次为S0模态直达波、A0模态直达波、S0模态左侧端面反射回波、A0模态左侧端面反射回波、A0模态缺陷反射回波、A0模态右侧端面反射回波。值得注意的是，图14中的信号与图13相比较为复杂，且A0模态信号强度偏弱。这由于传统电磁声换能器的模态单一性较差，即存在部分的S0模态。这部分S0模态会使接收到的信号的复杂程度增加，不利于信号的分析以及缺陷的定位。因此提出的指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器具有更高的A0模态信号强度，同时在低频下有效抑制S0模态信号的产生，保证激励A0模态导波的单一性，便于缺陷回波信号的观测与分析。
Claims (1)
1.一种指向型A0模态电磁铁式电磁声传感器，包括桥型电磁铁(1)、柔性电路板中多簇回折线圈(2)和电磁铁驱动电路(3)；其特征在于：桥型电磁铁(1)由桥型铁氧体磁轭与漆包线励磁线圈组成，桥型铁氧体磁轭的总宽度A＝120mm，总高度B＝80mm，厚度C＝40mm；桥臂宽度D＝60mm，桥腿宽度E＝30mm，高度F＝50mm；漆包线均匀缠绕在桥型铁氧体磁轭的桥臂上，作为励磁线圈；漆包线的线径为1mm，总匝数为180，共三层；柔性电路板中多簇回折线圈(2)紧贴放置于钢板表面，且置于桥型电磁铁(1)桥臂正下方，回折线圈有效长度部分垂直桥臂延伸方向；
所述的柔性电路板中多簇回折线圈(2)中，相邻导线簇的中心间距L1等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应A0模态的半波长；相邻导线簇的中心间距L1＝5.84mm；所述的柔性电路板中多簇回折线圈采用上下双层布线，单根导线宽度为0.25mm，线圈有效长度为L2＝85mm；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；
电磁铁驱动电路(3)为桥型电磁铁(1)励磁线圈提供励磁电流，通过调整电磁铁驱动电路(3)两端励磁电压，调节励磁电流大小，调整桥型电磁铁(1)产生的水平偏置磁场强度；利用场效应管接收触发信号控制电容放电，使电磁铁励磁线圈两端电压稳定在直流电源提供的电压值；
桥型电磁铁(1)产生的水平偏置磁场与柔性电路板中多簇回折线圈(2)在钢板内产生的动态磁场和感应电流相互作用，钢板同时受到洛伦兹力与磁致伸缩力；调节偏置磁场强度，使钢板受力情况与对应A0模态传播特性接近，激励频率为200kHz，励磁电压为8V，激励出A0模态信号并抑制其他模态信号。
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