專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于板結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的sh0電磁聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，通過(guò)磁致伸縮效應(yīng)激勵(lì)并接收超聲導(dǎo)波SHO水平剪切波，可用于鐵磁性材料的板材、型鋼以及管道的缺陷檢測(cè)，特別是板結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)。
背景技術(shù)：
作為一種快速、高效的無(wú)損檢測(cè)方法，超聲導(dǎo)波技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種工程結(jié)構(gòu)(如板、管和桿)的無(wú)損評(píng)價(jià)和健康監(jiān)測(cè)。常規(guī)的超聲波壓電換能器往往需要耦合劑實(shí)現(xiàn)與被測(cè)件之間的良好耦合，且對(duì)被測(cè)件的表面質(zhì)量要求較高，難以適用于高溫、運(yùn)動(dòng)和粗糙表面的檢測(cè)。20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的利用電磁耦合產(chǎn)生超聲波的方法，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的超聲波缺陷檢測(cè)。電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT),是電磁超聲檢測(cè)的核心裝置，具有換能器與媒質(zhì)表面非接觸、無(wú)需加入聲耦合劑的特性，可省去對(duì)工件表面去油漆、氧化物等處理過(guò)程，具有重復(fù)性好、檢測(cè)速度高，適合動(dòng)態(tài)，高溫檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，日益受到聲學(xué)和無(wú)損檢測(cè)各方面人員的關(guān)注，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電磁超聲換能器技術(shù)已逐步進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用階段。其應(yīng)用領(lǐng)域從中厚板、火車(chē)輪檢測(cè)及高溫測(cè)厚，發(fā)展到焊縫檢測(cè)、鋼棒檢測(cè)、鋼管檢測(cè)、鐵路鋼軌檢測(cè)、復(fù)合材料檢測(cè)等眾多領(lǐng)域。電磁超聲換能器的理論基礎(chǔ)主要是兩種效應(yīng)，一種是洛倫茲力，另一種是磁致伸縮。當(dāng)載有交變激勵(lì)電流的線圈靠近被測(cè)金屬表面時(shí)，將在金屬內(nèi)感應(yīng)出渦流，若此時(shí)存在一個(gè)靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，由于洛倫茲?rùn)C(jī)制將在金屬中產(chǎn)生交變的作用力，這種變化的力將激發(fā)出超聲波?；诖胖律炜s機(jī)制的EMAT僅適用鐵磁質(zhì)或磁性材料的檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的交變作用使磁性材料體積發(fā)生變化，從而形成材料內(nèi)部的振動(dòng)，并最終以超聲波形式將振動(dòng)向外傳播。同時(shí)EMAT為一個(gè)可逆的換能器，它可用來(lái)接收超聲波。本實(shí)用新型旨在電磁超聲換能器的理論基礎(chǔ)上，研制一種新型超聲導(dǎo)波SHO電磁聲換能器，利用磁致伸縮效應(yīng)，在鐵磁性板結(jié)構(gòu)中激勵(lì)并接收單一模態(tài)的SHO水平剪切波，利用缺陷回波判斷腐蝕位置及腐蝕程度。SHO波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)都在位于平行于層面的平面中的波，具有在不同厚度板中波速基本不發(fā)生變化的特點(diǎn)，波速穩(wěn)定，無(wú)頻散，傳輸系數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他波型，衰減弱，利于長(zhǎng)距離檢測(cè)，SHO波受材料表面影響較小，并與裂紋、邊界作用基本不發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，且SHO換能器產(chǎn)生的聲場(chǎng)，聲束擴(kuò)散角小，易控制，檢測(cè)結(jié)果不受結(jié)構(gòu)邊界的影響，能很好的克服如蘭姆波的多模態(tài)、頻散、邊界容易發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換等缺點(diǎn)。理論和實(shí)驗(yàn)表明，該新型超聲導(dǎo)波SHO電磁聲換能器能夠?qū)﹁F磁性材料的板材、型鋼以及管道的進(jìn)行缺陷檢測(cè)，特別是板結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，適應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠?qū)嶋H應(yīng)用的SHO電磁聲換能器，主要用于鐵磁性板結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)，進(jìn)而獲得缺陷位置以及缺陷大小，能夠?qū)μ幱诓煌橘|(zhì)環(huán)境中的鐵磁性材料板結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、快捷和有效的檢測(cè)。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為包括鎳帶1、線圈2、釹鐵硼磁鐵陣列3、外殼4和接頭6 ；外殼4中放置有釹鐵硼磁鐵陣列3，釹鐵硼磁鐵陣列3中每一塊磁鐵的寬度為換能器激勵(lì)出的SHO波的波長(zhǎng)的一半；磁鐵陣列3在厚度方向與線圈2一個(gè)表面緊密貼合，線圈2引出的導(dǎo)線與嵌于換能器外殼4的接頭6連接；在線圈2另一表面貼覆有鎳帶1。釹鐵硼磁鐵陣列3陣列中心與線圈2中心重合。所述的換能器外殼4為銅合金或其它電磁屏蔽的金屬材料。所述換能器線圈2采用PCB板或手工繞制，成跑道型布線，并可布置多層(一般為正反雙面布線)。所述鎳帶底部面積覆蓋線圈及整個(gè)磁鐵陣列，厚度應(yīng)盡可能薄。建議厚度^ 0. 15mm。所述SHO電磁聲換能器，磁鐵陣列3厚度方向?yàn)榇呕较颍嚵兄行呐c線圈2中心重合。組合后換能器放置在鐵磁性板結(jié)構(gòu)上時(shí)，線圈2、磁鐵陣列3與板結(jié)構(gòu)緊密貼合。本實(shí)用新型的使用效果為該換能器在使用時(shí)，激勵(lì)、接收各使用一個(gè)換能器，換能器放置在被測(cè)鐵磁性板上時(shí)，線圈、磁鐵陣列與工件緊密貼合。通過(guò)脈沖函數(shù)發(fā)生儀激勵(lì)周期脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大后至激勵(lì)換能器，由磁致伸縮原理產(chǎn)生SHO波，SHO波在鐵磁性板中傳播遇端面或缺陷返回由接收換能器接收并在示波器上實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)回波時(shí)間及幅值確定端面位置或缺陷大小、位置。換能器與工件接觸無(wú)需耦合劑，檢測(cè)簡(jiǎn)單、高效，可快速實(shí)現(xiàn)板結(jié)構(gòu)斷面及缺陷檢測(cè)。

圖1是SHO電磁聲換能器的產(chǎn)品組裝示意圖；圖2是SHO電磁聲換能器的沿圖1中A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是SHO電磁聲換能器結(jié)構(gòu)分解示意圖；圖4 :6mm厚^!長(zhǎng)扁鋼中SH波頻散曲線，該曲線表明在0 0. 31MHz頻率范圍內(nèi)，可激勵(lì)單一模態(tài)SHO波。SHO波波速恒定與頻率無(wú)關(guān)，理論波速為3260m/s (速度與材料密度、彈性模量等參數(shù)有關(guān))無(wú)頻散現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)SHO波換能器時(shí)，應(yīng)選擇中心頻率在310kHz以下的頻率，頻率過(guò)高則容易激勵(lì)出SHl模態(tài)水平剪切波，使激勵(lì)信號(hào)多模態(tài)難以分辨，頻率過(guò)低則激勵(lì)SHO波波長(zhǎng)較大，檢測(cè)缺陷的能力受限，建議換能器中心頻率選擇在 250kHz-3IOkHz 之間。圖5 =SHO電磁聲換能器檢測(cè)扁鋼缺陷裝置示意圖；圖6 =SHO電磁聲換能器檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)帶缺陷扁鋼接收波形圖；圖中1、鎳帶，2、PCB線圈，3、磁鐵陣列，4、換能器外殼，5、螺母，6、BNC接頭，7、十字盤(pán)頭螺釘，8、脈沖函數(shù)發(fā)生儀，9、激勵(lì)端阻抗匹配，10、SHO波電磁聲激勵(lì)換能器，11、SHO波電磁聲接收換能器，12、接收端阻抗匹配，13、數(shù)字示波器，14、計(jì)算機(jī)，15、扁鋼。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳述，不失一般性，檢測(cè)對(duì)象采用4000X60X5(單位mm)的扁鋼板結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)扁鋼)，密度為7. 9g/cm3，泊松比為0. 31。圖4給出了上述參數(shù)的5mm厚^!長(zhǎng)扁鋼中SH波頻散曲線。檢測(cè)其他板結(jié)構(gòu)(如鋁板)可根據(jù)此實(shí)例對(duì)換能器參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。以下實(shí)施例只是描述性的不是限定性的，不能以此來(lái)限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如圖1，圖2，圖3所示SHO電磁聲換能器，主要由鎳帶1、PCB線圈2、釹鐵硼磁鐵陣列3、外殼4、BNC接頭)構(gòu)成。外殼4中放置有釹鐵硼磁鐵陣列3，每一塊磁鐵的寬度D為換能器激勵(lì)出的SHO波的波長(zhǎng)的一半。磁鐵陣列3在厚度方向與線圈2上表面緊密貼合，線圈2引出的導(dǎo)線與嵌于換能器外殼4的接頭6連接；在線圈2下表面貼覆有鎳帶1，并用螺釘7緊固。實(shí)例換能器外殼4形狀為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)X寬X厚=62 X 48 X 20 (單位mm)，材料為銅合金(黃銅，銅含量>68%)外殼。實(shí)例磁鐵陣列3的磁鐵的寬度D為換能器激勵(lì)出的SHO波的波長(zhǎng)的一半。設(shè)計(jì)換能器頻率270KHz，根據(jù)SHO在扁鋼中理論波速3260m/s可得，SHO波的波長(zhǎng)為12mm，則采用磁鐵寬度為6mm。實(shí)例換能器線圈2采用PCB板制作，正反雙面布線，成跑道型布置、板厚0. 5mm，線圈有效尺寸40mmX20mm。實(shí)例覆在換能器外殼4上面的鎳帶1底部面積覆蓋整個(gè)磁鐵陣列，厚度0. 15mm。所述SHO電磁聲換能器，磁鐵陣列3厚度方向?yàn)榇呕较?，陣列中心與PCB板線圈2中心重合。換能器放置在扁鋼上時(shí)，覆蓋有鎳帶的線圈2、磁鐵陣列3與扁鋼緊密貼合。根據(jù)扁鋼的特點(diǎn)，本實(shí)施例中對(duì)換能器參數(shù)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的選擇換能器外殼、PCB線圈參數(shù)、陣列磁鐵參數(shù)和鎳帶參數(shù)。1、換能器外殼設(shè)計(jì)換能器外殼采用銅合金(黃銅，銅組分含量> 68% )。SHO換能器接收信號(hào)常夾雜有空間低頻電磁干擾信號(hào)，會(huì)使信噪比變差，給檢測(cè)帶來(lái)了困難，為使SHO換能器不受低頻磁場(chǎng)的干擾，可以把該器件置于用金屬銅制成的屏蔽殼內(nèi)，磁力線主要通過(guò)磁阻小的屏蔽層，從而保護(hù)置于殼內(nèi)的器件不受外界磁場(chǎng)的影響。銅合金價(jià)格低廉，有高的強(qiáng)度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，加工性能和耐蝕性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，并滿足屏蔽要求，因此換能器外殼4采用銅合金制作。為使磁鐵陣列中心與PCB線圈中心緊密相合，換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卡槽以保證磁鐵及PCB線圈準(zhǔn)確定位，并留有空間余量，以便放置阻抗匹配電容。2、PCB線圈參數(shù)選擇為實(shí)現(xiàn)扁鋼腐蝕檢測(cè)專(zhuān)用SHO換能器產(chǎn)生出模態(tài)單一、能量大、指向性好的SHO波的功能。結(jié)合PCB板制作特點(diǎn)，線圈布置采用跑道型正反雙面布置，增加線圈匝數(shù)，并使換能器結(jié)構(gòu)緊湊，在線寬與線間距參數(shù)選擇上，特定頻率下，不同線寬及線間距均可以產(chǎn)生單一模態(tài)SHO波，而線寬及間距致密則能量越大，考慮PCB板加工工藝，本換能器實(shí)例采用線寬0. 2_，線間距0. 2mm，匝數(shù)46匝，板長(zhǎng)X寬X厚=50 X 30 X 0. 5 (單位mm)的PCB線圈。3、磁鐵尺寸的選擇根據(jù)換能器的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)模態(tài)單一、能量大、指向性好的SHO波的換能器，磁鐵產(chǎn)生的磁力線應(yīng)均勻的包裹PCB線圈，使產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻穩(wěn)定并具有足夠的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此磁鐵陣列后磁化方向面積應(yīng)略大于PCB線圈有效面積，陣列中心與PCB線圈中心相合，并且保證組合后換能器放置在扁鋼上時(shí)，覆蓋有鎳帶的PCB線圈、磁鐵與扁鋼緊密貼合。由磁鐵寬度D為換能器激勵(lì)出的SHO波的波長(zhǎng)的一半，設(shè)計(jì)換能器頻率270KHz，SHO在扁鋼導(dǎo)體中得理論波速3260m/s，則SHO波的波長(zhǎng)為12mm，即磁鐵寬度為6mm。本換能器實(shí)例選擇長(zhǎng)X寬X厚=20X6X10 (單位mm)表面磁場(chǎng)4500高斯的釹鐵硼永磁鐵十二塊。4、鎳帶參數(shù)的選擇為了產(chǎn)生信噪比好的信號(hào)，激勵(lì)出單一的SHO波，鎳帶厚度應(yīng)盡量薄(厚度(0. 15mm)。面積覆蓋整個(gè)磁鐵陣列。本換能器實(shí)例鎳帶厚度為0. 15mm。此外，本實(shí)施例中為了實(shí)現(xiàn)更好的信噪比就要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。本實(shí)施例選擇電容為7. 4nF作為SHO波換能器阻抗匹配原件，電路接頭采用BNC接頭6。利用參數(shù)確定后的換能器，提供了一種用SHO波電磁超聲無(wú)損檢測(cè)扁鋼板結(jié)構(gòu)的方法(1)如圖5所示，扁鋼15長(zhǎng)度方向中心軸線上放置SHO波電磁聲激勵(lì)換能器10和SHO波電磁聲接收換能器11。SHO波電磁聲激勵(lì)換能器10和激勵(lì)端阻抗匹配9相連接，激勵(lì)端阻抗匹配9和脈沖函數(shù)發(fā)生儀8相連接，SHO波電磁聲接收換能器11與接收端阻抗匹配12相連接，接收端阻抗匹配12和數(shù)字示波器13相連接，計(jì)算機(jī)14和數(shù)字示波器13連接。將SHO波電磁聲激勵(lì)換能器置于扁鋼右端端頭(換能器中心與端面平齊)，SHO波電磁聲接收換能器位于距離SHO波電磁聲激勵(lì)換能器0. 5m處，人工缺陷模擬缺陷位于距離扁鋼左端Im處。(2)由脈沖函數(shù)發(fā)生儀8產(chǎn)生一個(gè)周期在1 20范圍內(nèi)可調(diào)，中心頻率在0 IMHz范圍內(nèi)可調(diào)的方波信號(hào)，在0 IMHz范圍內(nèi)改變頻率，激勵(lì)使SHO波電磁聲激勵(lì)換能器10產(chǎn)生信號(hào)能量在此范圍內(nèi)的處于最大值，對(duì)應(yīng)此時(shí)的頻率為0. 27MHz，則選取為脈沖函數(shù)發(fā)生儀工作頻率。方波信號(hào)的強(qiáng)度和增益等都會(huì)對(duì)超聲導(dǎo)波產(chǎn)生影響。在本實(shí)施中，由脈沖函數(shù)發(fā)生儀產(chǎn)生能量等級(jí)10，增益50db，頻率為0. 27MHz的5個(gè)震蕩周期的方波信號(hào)；(3)激勵(lì)信號(hào)通過(guò)激勵(lì)端阻抗匹配9激勵(lì)SHO波電磁聲激勵(lì)換能器10，在帶缺陷扁鋼15中激勵(lì)SHO波；(4)激勵(lì)的SHO波信號(hào)在扁鋼15中傳播，經(jīng)缺陷和接地網(wǎng)端部反射后，SHO波電磁聲接收換能器11通過(guò)接收阻抗匹配12，在數(shù)字示波器13顯示，并通過(guò)以太網(wǎng)端口存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)14 ；(5)通過(guò)分析接收信號(hào)中的反射回波到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間，確定扁鋼15中缺陷位置。圖6中分辨出第一次回波為直達(dá)波，波峰時(shí)間位置0. 158ms (本次實(shí)驗(yàn)條件下以各波包峰值時(shí)間作為信號(hào)起始及到達(dá)時(shí)間位置，由于波形圖中零點(diǎn)為射頻信號(hào)起發(fā)點(diǎn)，并非峰值時(shí)間，實(shí)際計(jì)算時(shí)，取射頻信號(hào)延后約0. 008ms作為實(shí)際起始零點(diǎn)位置，上述波峰時(shí)間已經(jīng)過(guò)修正，下同)，第二次回波為扁鋼缺陷回波，波峰時(shí)間位置1.751ms，第三次回波為缺陷經(jīng)右端面反射后的二次回波，波峰時(shí)間位置2. 070ms，第四次回波為左端面回波，波峰時(shí)間位置2. 376ms，第五次回波為左端面回波經(jīng)右端面的二次回波，波峰時(shí)間位置2. 69:3ms。。由第四次右端面回波(波峰明顯，便于分辨)及直達(dá)波時(shí)間差2. 218ms，及所對(duì)應(yīng)距離7000mm，可算出此次實(shí)驗(yàn)實(shí)際SHO波速為3156m/s，與理論波速相對(duì)誤差為3. 2%。由實(shí)際波速及第二次回波時(shí)間反推缺陷位置，(1. 75 Ims X 3156m/s+500mm) /2，測(cè)得缺陷距離右側(cè)端面3013mm，與實(shí)際距離3000mm相對(duì)誤差僅為0. 4%。同理，也可通過(guò)第三次回波時(shí)間驗(yàn)證缺陷位置——距離右側(cè)端面3016mm，與實(shí)際距離3000mm相對(duì)誤差僅為0. 5%。利用SHO波反射回波衰減弱，根據(jù)缺陷波包的幅值還能分辨缺陷大小。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該超聲導(dǎo)波SHO換能器可以快速高效的對(duì)扁鋼缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并且該換能器成本低，穩(wěn)定性好而且可以重復(fù)使用，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高，可重復(fù)性好，檢測(cè)過(guò)程方便快捷，適應(yīng)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。
權(quán)利要求1.一種用于板結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的SHO電磁聲換能器，其特征在于包括鎳帶(1)、線圈 O)、釹鐵硼磁鐵陣列(3)、外殼(4)和接頭(6)；外殼(4)中放置有釹鐵硼磁鐵陣列(3)，釹鐵硼磁鐵陣列(3)中每一塊磁鐵的寬度為換能器激勵(lì)出的SHO波的波長(zhǎng)的一半；磁鐵陣列 ⑶在厚度方向與線圈⑵一個(gè)表面緊密貼合，線圈⑵引出的導(dǎo)線與嵌于外殼⑷的接頭 (6)連接；在線圈( 另一表面貼覆有鎳帶(1)。
2.如權(quán)利要求1所述的SHO電磁聲換能器，其特征在于線圈(2)采用PCB板或手工繞制線圈。
3.如權(quán)利要求1所述的SHO電磁聲換能器，其特征在于釹鐵硼磁鐵陣列(3)中心與線圈⑵中心重合。
專(zhuān)利摘要一種用于板結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的SH0電磁聲換能器屬于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，通過(guò)磁致伸縮效應(yīng)激勵(lì)并接收超聲導(dǎo)波SH0(水平剪切)波，可用于鐵磁性材料的板材、型鋼以及管道的缺陷檢測(cè)，特別是板結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)。所述的SH0電磁聲換能器，包括換能器外殼(4)、嵌于換能器外殼里面的磁鐵陣列(3)和線圈(2)、覆在線圈表面的鎳帶(1)、嵌于換能器外殼并與線圈連接的接頭(6)。在使用時(shí)該換能器收發(fā)各需一個(gè)。換能器與被檢測(cè)對(duì)象接觸無(wú)需耦合劑，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，適應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。
文檔編號(hào)G01N27/82GK202330358SQ201120469130
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者何存富, 侯松, 劉偉, 吳斌, 焦敬品, 鐘茜 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)