專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多主頻組合的sh0模態(tài)電磁聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器 (EMAT, Electromagnetic Acoustic Transducer)。
背景技術(shù)：
水平剪切波(SH波)是在板類(lèi)結(jié)構(gòu)中傳播的一種超聲導(dǎo)波，其傳播特性在導(dǎo)波檢測(cè)方面是十分誘人的。SH在板中只產(chǎn)生平行于板面的剪切方向振動(dòng)，當(dāng)遇到與其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相一致的界面發(fā)生反射時(shí)，SH波不發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。此外，SH波的零階模態(tài)不頻散，且傳播速度較低，同等儀器條件下具有較高的空間分辨力。因而SH波被廣泛應(yīng)用于板的各類(lèi)缺陷檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。EMAT是具有周期性分布結(jié)構(gòu)的超聲傳感器，非常便于產(chǎn)生面內(nèi)位移，因此常被用于在試件內(nèi)產(chǎn)生SH波。其特點(diǎn)在于，傳感器總是選擇性地激勵(lì)或接收波長(zhǎng)與其分布周期相一致的模態(tài)。通過(guò)線圈形態(tài)與固置磁場(chǎng)的分布搭配可以在試件表面激勵(lì)出不同方向的位移。因此，線圈形態(tài)和固置磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)是EMAT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。圖I為常用的SH波EMAT。線圈為了提供產(chǎn)生SH波的剪切振動(dòng)，SH波EMAT的線圈通常采用回折型線圈，當(dāng)線圈中通入交變的電流時(shí)，在鐵磁性試件的表面產(chǎn)生交變的動(dòng)磁場(chǎng)，該動(dòng)磁場(chǎng)與由固置磁鐵產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)交互作用，在試件表面或近表面層中產(chǎn)生剪切的振動(dòng)并向線圈延伸的方向(圖中的左右方向)傳播，即形成了 SH波。線圈寬度決定了傳感器的孔徑，從而決定了傳感器所激勵(lì)出的聲波的聲束寬度。 當(dāng)線圈寬度越大時(shí)，傳感器所激勵(lì)出的聲束越集中，傳感器指向性越好；當(dāng)線圈寬度越小時(shí)，傳感器所激勵(lì)出的聲束越發(fā)散，同等距離下傳感器所覆蓋的區(qū)域越大。不過(guò)線圈寬度的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮傳感器指向性的需求和由增大線圈寬度所帶來(lái)的偏置磁鐵的遠(yuǎn)離(即偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度的就降低)。線圈周期決定了傳感器所能激勵(lì)和接收的聲波的波長(zhǎng)，聲波的波長(zhǎng)即為線圈周期。線圈中相鄰的兩根線段中的電流方向相反，其間距應(yīng)為波長(zhǎng)的一半。當(dāng)被檢材料確定時(shí)，線圈周期則對(duì)應(yīng)了其所能激勵(lì)和接收的聲波的頻率。正是由于線圈的周期性排布，實(shí)現(xiàn)了 EMAT的模態(tài)選擇性。線圈周期數(shù)越大，傳感器所能激勵(lì)出的聲波能量越大，但同時(shí)會(huì)時(shí)激勵(lì)出信號(hào)的時(shí)域?qū)挾燃娱L(zhǎng)，從而降低了檢測(cè)的時(shí)域分辨力。當(dāng)遇到相聚較近的缺陷時(shí)，信號(hào)會(huì)相互疊加、難以分辨。磁鐵EMAT通常采用永磁鐵來(lái)提供偏置磁場(chǎng)。這種方式簡(jiǎn)單便捷，但在實(shí)際應(yīng)用中存在不足。當(dāng)傳感器頻率較低(線圈周期較大)時(shí)，為了提供均勻分布的磁場(chǎng)，需選用體積較大的磁鐵。這將導(dǎo)致傳感器過(guò)于笨重,而檢測(cè)對(duì)象為鐵磁性材料時(shí)回不便于移動(dòng)。以上線圈和磁鐵的設(shè)計(jì)導(dǎo)致了常用SH波EMAT在接收信號(hào)幅值、時(shí)域分辨力和傳感器靈活性上的不足。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的EMAT接收信號(hào)幅值、時(shí)域分辨力和傳感器靈活性上的缺點(diǎn)，一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器。該傳感器由信號(hào)輸入BNC接頭I、信號(hào)輸出BNC接頭2、脈沖電磁鐵供電BNC接頭
3、磁鐵固定板4、保護(hù)外殼5、脈沖電磁鐵6和回折型線圈7組成，如圖2中所示?；卣坌途€圈7置于保護(hù)殼5底面凹槽內(nèi)，保護(hù)殼內(nèi)部置有脈沖電磁鐵6，其上為磁鐵固定板4。在保護(hù)外殼的最上端為保護(hù)外殼的蓋板，其上固定有信號(hào)輸入BNC接頭I、信號(hào)輸出BNC接頭2 和脈沖電磁鐵供電BNC接頭3。所述的磁鐵固定板4，目的在于固定住兩塊電磁鐵，以確保在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，兩電磁鐵不會(huì)吸合。所述的保護(hù)外殼5為整個(gè)傳感器提供保護(hù)。信號(hào)輸入BNC接頭1，信號(hào)輸出BNC接頭2和脈沖電磁鐵供電BNC接頭3置于保護(hù)外殼頂端。磁鐵固定板4與脈沖電磁鐵6置于保護(hù)外殼內(nèi)部，回折型線圈固定于保護(hù)外殼底端的凹槽內(nèi)，如圖3中所示。為了表征外殼內(nèi)部各元件的分布，圖3中的保護(hù)外殼為簡(jiǎn)化模型，實(shí)際保護(hù)外殼應(yīng)包含特殊設(shè)計(jì)的凹坑、凹槽以便于固定脈沖電磁鐵與回折型線圈。所述的脈沖電磁鐵6，為具有方形鐵芯的脈沖電磁鐵，要求磁場(chǎng)方向在磁鐵的正下方均勻且方向垂直向下/向上，兩脈沖電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向相反，如圖3中所示。工作時(shí)，在脈沖電磁鐵的線圈中激勵(lì)一個(gè)脈沖信號(hào)，其寬度應(yīng)大于激勵(lì)信號(hào)。兩脈沖電磁鐵會(huì)在試件表面形成一個(gè)方向由一脈沖電磁鐵指向另一脈沖電磁鐵的偏置磁場(chǎng)。脈沖電磁鐵的匝數(shù)與通電電流應(yīng)根據(jù)所需的偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。所述的回折型線圈7固定于保護(hù)外殼5底端的凹槽內(nèi)。所述的回折型線圈7的線圈周期并不相等，而是按照一定的規(guī)律變化，線圈印制于印刷電路板上，上表層與下表層印制的線圈首尾對(duì)齊，但其分布規(guī)律相反，如圖4所示。普通回折型線圈的傳感器的工作原理如圖5所示，此類(lèi)傳感器利用的是材料的磁致伸縮效應(yīng)。永磁鐵或電磁鐵在試件表面形成偏置磁場(chǎng)Btl,當(dāng)線圈中通入電流時(shí)，通電導(dǎo)線會(huì)在試件表面感應(yīng)出動(dòng)磁場(chǎng)Bm,動(dòng)磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)正交,符合最大剪應(yīng)力的產(chǎn)生方式，兩者的合磁場(chǎng)為Bh。若材料為負(fù)磁致伸縮材料(如鎳等)時(shí)，在偏置磁場(chǎng)的影響下，材料的晶格被壓縮，如圖5中中圖所示。此時(shí)，若引入通電導(dǎo)線所產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)，則晶格會(huì)如圖5中左右兩圖所示。當(dāng)回折型線圈中通入交變的電流時(shí)，便產(chǎn)生了往復(fù)的剪切振動(dòng)，從而形成SH 波?；卣坌途€圈中兩相鄰導(dǎo)線的電流方向相反，其產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)方向相反，因而產(chǎn)生的聲波的半波長(zhǎng)總與此間隔相一致。而本發(fā)明中采用的是多主頻組合的SHO模態(tài)線圈，在普通回折型線圈的原理上進(jìn)行了改進(jìn)，其原理如圖6所示。多主頻組合的SHO模態(tài)回折型線圈的線圈周期并不相等，由于線圈總是選擇激勵(lì)波長(zhǎng)與線圈周期相對(duì)應(yīng)的聲波，因此不等間距的線圈會(huì)在試件內(nèi)激勵(lì)出不同波長(zhǎng)的SHO模態(tài)。由于SHO模態(tài)不頻散，各頻率的SH波傳播速度一致，因此只需在設(shè)計(jì)激勵(lì)和接收線圈時(shí)使不同線圈周期分布的先后順序相對(duì)應(yīng)，即可完成對(duì)線圈的頻率調(diào)制。各頻率的SH波在試件內(nèi)部獨(dú)立傳播，而激勵(lì)和接收線圈的分布相一致(一激一收模式時(shí)，米用兩塊PCB板上同向分布的兩線圈，自激自收模式時(shí)，米用同一塊PCB板上反向分布的兩線圈，如圖6所示)。因此，各頻率SH波的傳播距離是相等的，從而傳播時(shí)間也相等。 時(shí)域上，各頻率SH波會(huì)在相同的時(shí)間點(diǎn)疊加。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)，I)各頻率的SH波在同一時(shí)刻疊加，大大增加了接收信號(hào)的幅值，且在增大幅值的同時(shí)縮短信號(hào)的時(shí)域?qū)挾?，可以獲得較高的時(shí)域分辨力；2)與等周期的線圈EMAT相比，本發(fā)明可同時(shí)關(guān)注多個(gè)頻率點(diǎn)的信息，通過(guò)信號(hào)后處理，可以替代利用多個(gè)不同頻率的EMAT進(jìn)行掃頻；3)由于傳感器的頻帶可根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整，且可在時(shí)域內(nèi)壓縮信號(hào)寬度提高信號(hào)幅值，因而對(duì)激勵(lì)信號(hào)的要求較低，采用脈沖激勵(lì)或正弦波激勵(lì)即可。這大大降低了對(duì)檢測(cè)儀器的要求。4)由于傳感器采用脈沖電磁鐵來(lái)提供偏置磁場(chǎng)，因而在未通電時(shí)傳感器不會(huì)吸附鐵磁性材料，大大提高了傳感器的靈活性。以下結(jié)合


和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖I :常見(jiàn)SH波回折型線圈EMAT的結(jié)構(gòu)圖
圖2 :傳感器裝配圖
圖3 :傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖4 :線圈結(jié)構(gòu)示意圖
圖5 :回折型線圈工作原理圖
圖6 :傳感器工作原理圖
圖7 :自激自收檢測(cè)系統(tǒng)示意圖
圖8 :一激一收檢測(cè)系統(tǒng)不意圖
圖9 :多主頻組合的SHO模態(tài)EMAT實(shí)驗(yàn)自激自收信號(hào)圖
圖10:多主頻組合的SHO模態(tài)EMAT實(shí)驗(yàn)一激一收信號(hào)圖
圖中，I-信號(hào)輸入BNC接頭，2-信號(hào)輸出BNC接頭，3-脈沖電磁鐵供電BNC接頭，
4-磁鐵固定板，5-保護(hù)外殼，6-脈沖電磁鐵，7-回折型線圈。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施步驟包括一種在材質(zhì)為磁致伸縮材料或表面覆有磁致伸縮材料的板中，激勵(lì)產(chǎn)生單一多主頻組合的SHO波的電磁聲傳感器，由信號(hào)輸入BNC接頭I、信號(hào)輸出BNC接頭2、脈沖電磁鐵供電BNC接頭3、磁鐵固定板4、保護(hù)外殼5、脈沖電磁鐵6和回折型線圈7組成。加工和裝配過(guò)程保護(hù)外殼5為整個(gè)傳感器的外封和支架，長(zhǎng)70mm，寬50mm，高15mm，由工程塑料加工而成，上頂部厚3mm,其上加工有BNC接頭孔,底端開(kāi)有長(zhǎng)65mm,寬45mm的Imm深凹槽以固定回折型線圈電路板，在接線處開(kāi)有通孔，便于線圈與BNC接頭接線。裝入圖2中回折型線圈7，其幾何尺寸為長(zhǎng)65mm，寬45mm，厚O. 5mm的PCB電路板，在電路板的中心區(qū)域有形如回折型線圈，線圈間隔相鄰兩導(dǎo)線間隔，其電流方向相反自5_ 變化至2mm,共13段。裝入脈沖電磁鐵6,脈沖電磁鐵6由長(zhǎng)60mm,寬IOmm,高IOmm的長(zhǎng)條形鐵芯外繞阻數(shù)為20的繞組構(gòu)成。裝入磁鐵固定板。將BNC接頭固定于保護(hù)外殼頂蓋，連接信號(hào)輸入BNC接頭I和回折型線圈7的下表層接線端，連接信號(hào)輸出BNC接頭2和回折型線圈7下表層接線端，連接脈沖電磁鐵供電BNC接頭3和脈沖電磁鐵6的繞組。將裝有BNC接頭保護(hù)外殼的蓋板通過(guò)外殼4個(gè)頂角的螺紋孔固定于保護(hù)外殼上。使用方法典型檢測(cè)系統(tǒng)如圖7和圖8中所示，由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、傳感器、前置放大器和數(shù)字示波器組成，其中圖7為自激自收檢測(cè)系統(tǒng)示意，圖8為一激一收檢測(cè)系統(tǒng)示意。當(dāng)采用自激自收布置時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)脈寬為I μ s的矩形脈沖，通過(guò)功率放大器后，輸入傳感器中，傳感器放置于一塊長(zhǎng)約lm、寬120_、厚Imm的鎳板上。聲波在板寬方向往復(fù)傳播，接收的端面回波經(jīng)由傳感器接收，經(jīng)由功率放大器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路輸出到數(shù)字示波器進(jìn)行顯示。當(dāng)采用一激一收布置時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)脈寬為I μ s的矩形脈沖，通過(guò)功率放大器后，輸入激勵(lì)傳感器中，接收傳感器位于距激勵(lì)傳感器約300mm處，接收的信號(hào)經(jīng)由前置放大輸出到數(shù)字示波器進(jìn)行顯示。圖9和圖10即為多主頻組合的SHO模態(tài)EMAT采用自激自收和一激一收模式時(shí)的接收信號(hào)?？梢钥吹?，當(dāng)接收線圈的分布于激勵(lì)線圈的分布相一致時(shí)(包含自激自收模式的偶次回波和一激一收模式)，信號(hào)在時(shí)域內(nèi)被壓縮，幅值更大，時(shí)域分辨力較好，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路。
權(quán)利要求
1.一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器，由信號(hào)輸入BNC接頭(I)，信號(hào)輸出BNC 接頭(2)，脈沖電磁鐵供電BNC接頭(3)、磁鐵固定板(4)、保護(hù)外殼(5)、脈沖電磁鐵(6)和回折型線圈(7)組成；回折型線圈(7)置于保護(hù)殼(5)底面凹槽內(nèi)，保護(hù)殼內(nèi)部置有脈沖電磁鐵￠)，其上為磁鐵固定板(4);在保護(hù)外殼的最上端為保護(hù)外殼的蓋板，蓋板上固定有信號(hào)輸入BNC接頭(I)，信號(hào)輸出BNC接頭(2)，脈沖電磁鐵供電BNC接頭(3)。信號(hào)輸入BNC接頭(1)，信號(hào)輸出BNC接頭(2)分別接入回折型線圈上下面的接線端，脈沖電磁鐵供電BNC接頭(3)連接到脈沖電磁鐵的繞組；用以提供豎直方向的偏置磁場(chǎng)的脈沖電磁鐵(6)為產(chǎn)生磁場(chǎng)方向相反的長(zhǎng)條形電磁鐵，兩脈沖電磁鐵不吸合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器,其特征在于 所述的保護(hù)外殼(5)為工程塑料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器,其特征在于 所述的脈沖電磁鐵(6)為具有長(zhǎng)條形鐵芯的脈沖電磁鐵，要求磁場(chǎng)方向在磁鐵的正下方均勻且方向垂直向下或向上。工作時(shí)，在脈沖電磁鐵的線圈中激勵(lì)一個(gè)脈沖信號(hào)，其寬度應(yīng)大于回折型線圈(7)的激勵(lì)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I中的所述的一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器,其特征在于 所述的回折型線圈(7)的線圈周期不相等，線圈印制于印刷電路板上，上表層與下表層印制的線圈首尾對(duì)齊，但其分布規(guī)律相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求I中的所述的一種多主頻組合的SHO模態(tài)電磁聲傳感器,其特征在于其裝配過(guò)程為，在保護(hù)外殼(5)底端裝入回折型線圈(7)，在保護(hù)外殼(5)內(nèi)裝入電磁鐵(6)，裝入磁鐵固定板(4)以固定磁鐵；將BNC接頭固定于保護(hù)外殼頂蓋，連接BNC接頭和回折型線圈(7)的信號(hào)線以及BNC接頭和脈沖電磁鐵(6)的繞組；將裝有BNC接頭保護(hù)外殼(5)的頂板通過(guò)外殼4個(gè)頂角的螺紋孔固定于保護(hù)外殼上。
全文摘要
一種多主頻組合的SH0模態(tài)電磁聲傳感器，屬于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明由信號(hào)輸入BNC接頭，信號(hào)輸出BNC接頭，脈沖電磁鐵供電BNC接頭、磁鐵固定板、保護(hù)外殼、脈沖電磁鐵和回折型線圈組成；回折型線圈置于保護(hù)殼底面凹槽內(nèi)，保護(hù)殼內(nèi)部置有脈沖電磁鐵，其上為磁鐵固定板；在保護(hù)外殼的最上端為保護(hù)外殼的蓋板，蓋板上固定有信號(hào)輸入BNC接頭，信號(hào)輸出BNC接頭，脈沖電磁鐵供電BNC接頭。信號(hào)輸入BNC接頭，信號(hào)輸出BNC接頭分別接入回折型線圈上下面的接線端，脈沖電磁鐵供電BNC接頭連接到脈沖電磁鐵的繞組。與等周期的線圈EMAT相比，本發(fā)明可同時(shí)關(guān)注多個(gè)頻率點(diǎn)的信息，可以替代利用多個(gè)不同頻率的EMAT進(jìn)行掃頻。
文檔編號(hào)G01N29/34GK102608220SQ20121000488
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 李楊, 鄭陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)