專利名稱：一種全向sh導(dǎo)波電磁超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于板材缺陷檢測和健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器。
背景技術(shù)：
在各行各業(yè)中普遍應(yīng)用板材構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)施，這些板材在出廠前可能包含生產(chǎn)過程中引發(fā)的缺陷，在出廠并經(jīng)過長時間的使用之后也可能產(chǎn)生由環(huán)境和應(yīng)カ疲勞等因素引起的各種缺損，有必要對這些板結(jié)構(gòu)中可能含有的缺陷進(jìn)行及時的主動檢測，從而避免缺損進(jìn)一歩擴(kuò)大甚至是發(fā)生斷裂，確保由其建立的建筑和設(shè)施的完整性，保障人們生產(chǎn)和生活的安全順利進(jìn)行。此外，也可考慮采用長期監(jiān)測機(jī)制持續(xù)關(guān)注板結(jié)構(gòu)的健康狀況，更 全面地掌握結(jié)構(gòu)件在服役全過程的演變情況，進(jìn)而預(yù)測其使用壽命。結(jié)構(gòu)件缺陷檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通常采用無損檢測方法，而基于超聲導(dǎo)波的檢測方法又以其在一點(diǎn)檢測結(jié)構(gòu)ー條線的快速、高效的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)的激勵超聲體波的情況相似，目前用于激勵超聲導(dǎo)波的換能器多為壓電換能器，這種換能器自成體系生成超聲波，之后超聲波依賴液體耦合介質(zhì)的輔助傳播到被測構(gòu)件中去。這種對于耦合介質(zhì)的需求，以及使用壓電換能器難以激勵橫波的特點(diǎn)，使得壓電換能器的應(yīng)用受到限制。鑒于此種情況，人們根據(jù)電磁場的力學(xué)效應(yīng)發(fā)明了電磁超聲換能器(EMAT)。在EMAT中，偏置磁場、高頻電流線圈和被測導(dǎo)電結(jié)構(gòu)構(gòu)成了三個組成部分，依靠電磁效應(yīng)直接在被測構(gòu)件中激勵出超聲波，因而通常具有非接觸、無需耦合的重要優(yōu)點(diǎn)。在具體的電磁-カ轉(zhuǎn)化機(jī)理方面，EMAT通?；诼鍌惼潵痛胖律炜s效應(yīng)。在導(dǎo)電非鐵磁材料中只有洛倫茲力，在鐵磁材料中通常兩種效應(yīng)都存在，且磁致伸縮效應(yīng)占主導(dǎo)地位。發(fā)明專利“一種管道軸向超聲導(dǎo)波換能探頭”(專利號ZL 201010122670. 2)涉及一種用于管道缺陷檢測的磁致伸縮式超聲導(dǎo)波換能器結(jié)構(gòu)，換能器線圈采用多組線圈帶構(gòu)成，并且線圈帶與管道軸向成45°角，周向的偏置磁場由預(yù)磁化的鐵磁性帶提供。該發(fā)明中的換能器在管道中激勵軸向傳播的T類型的超聲導(dǎo)波，即導(dǎo)波傳播具有方向性。《儀器儀表學(xué)報(2010.6, v31n6)所發(fā)表文章“周向一致蘭姆波電磁超聲換能器設(shè)計與實現(xiàn)”涉及一種用于在非鐵磁性鋁板中激勵周向一致Lamb波的換能器結(jié)構(gòu)，其線圈為利用PCB板制作的密繞的圓盤狀螺旋線圈，偏置磁場由磁鐵提供且垂直于待測鋁板表面。該發(fā)明只能激發(fā)Lamb波，且不能在鐵磁性材料及非導(dǎo)電材料上激發(fā)超聲波。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，所使用交流線圈為圓形回折線圈，基于磁致伸縮效應(yīng)原理生成SH導(dǎo)波。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 —種全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器,包括帶開ロ的圓環(huán)狀鐵鎳合金帶4,合金帶4的一面粘貼有回折線圈1，回折線圈I的端部位于合金帶4的開ロ處。
在徑向上以相鄰兩條導(dǎo)線為O. 5個空間周期，以O(shè). 5個空間周期為步長，所述回折線圈I的空間周期為I. 5 4. 5個。所述回折線圈I帶有絕緣涂層，建立在PCB基板2上。所述回折線圈I中每條導(dǎo)線為單匝導(dǎo)線或者為2 4分裂的分裂式導(dǎo)線。所述回折線圈I中相鄰兩條導(dǎo)線中心之間的徑向距離d = λ /2，其中λ為所使用SH導(dǎo)波模式在當(dāng)前頻率f下的波長。所述合金帶4厚度為O. I O. 6mm,開ロ寬度為O. 5 3mm。使用時，所述回折線圈I中通入的電流激勵為6 10個周期正弦波形的短時猝發(fā)脈沖串，正弦波形頻率取100 500kHz。 本發(fā)明的換能器工作于自發(fā)自收(單換能器)或者一發(fā)ー收(雙換能器)兩種方式下。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過電磁耦合方式激發(fā)超聲波，不需要耦合介質(zhì)，因此既可用于接觸式檢測，也可用于非接觸式檢測。本發(fā)明所述換能器具有全方向激發(fā)和接收超聲波的優(yōu)勢，可以檢測到平板材料內(nèi)各個方向的缺陷。因此適用于包括導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料在內(nèi)的各種均勻、各向同性彈性板結(jié)構(gòu)的缺陷檢測和健康監(jiān)測。


圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的剖視圖。圖3是徑向磁場和周向偏置磁場共同作用下，合金帶內(nèi)體積元形變示意圖。圖4是合金帶內(nèi)體積元初始形狀和形變后形狀示意圖。圖5是徑向磁場和周向偏置磁場共同作用下,合金帶內(nèi)體積兀形變不意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說明。如圖I和圖2所示，一種全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，包括帶開ロ的圓環(huán)狀鐵鎳合金帶4。本實施例中，合金帶4厚度為O. 2mm,開ロ寬度為O. 5mm。在PCB基板2上建立表面涂有絕緣涂層的回折線圈1，回折線圈I中通入電流后，相鄰導(dǎo)線的電流反向，相間隔導(dǎo)線中電流同向。本實施例中，回折線圈I的每條導(dǎo)線為3分裂的分裂式導(dǎo)線，相鄰兩條導(dǎo)線中心之間的徑向距離d= λ/2，其中λ為所使用SH導(dǎo)波模式在當(dāng)前頻率f下的波長。將回折線圈I采用環(huán)氧樹脂膠粘貼在合金帶4的一面，合金帶4包含整個回折線圈1，回折線圈I的端部位于合金帶4的開ロ處，使得換能器整體上影響全向?qū)Рóa(chǎn)生的端部效應(yīng)最小。本發(fā)明的使用過程如下步驟一，使用永磁體將鐵磁性的合金帶4預(yù)磁化，磁化時將永磁體的兩個磁極分別接觸環(huán)形合金帶4開ロ的兩端，使之產(chǎn)生沿著圓周向的剰余磁場。將粘貼了回折線圈的鐵鎳合金帶4采用膠帶固定在待檢測平板結(jié)構(gòu)之上，使得合金帶4與待測結(jié)構(gòu)表面建立良好的機(jī)械耦合。步驟ニ，回折線圈I通過兩個接線端3輸入超聲頻率范圍的交變電流作為激勵?；卣劬€圈I中通入的電流激勵可以為6 10個周期正弦波形的短時猝發(fā)脈沖串，正弦波形頻率可以取100 500kHz。本實施例中，所輸入交流電流激勵波形為經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的包含8個周期正弦波形的短時猝發(fā)脈沖串(即burst信號)，脈沖串中正弦波形的自身頻率取為f = 250kHz，此頻率即為所激發(fā)超聲導(dǎo)波的頻率。在鋼板中以激勵SHtl模式的導(dǎo)波為例，該模式的相速度為Cp = 3230m/s, f =250kHz時有λ = Cp/f = O. 01292m ^ 12. 9mm,以此設(shè)計回折線圈相鄰導(dǎo)線中心距離。如果在徑向上以相鄰兩條導(dǎo)線為O. 5個空間周期，附圖I中回折線圈的導(dǎo)線空間周期數(shù)為1.5，増加周期數(shù)將有助于生成更純凈的導(dǎo)波模式，但換能器尺寸也會隨之增加，一般増加到4. 5 個時，尺寸仍然便于制備和安裝。不考慮端部效應(yīng)，回折線圈I導(dǎo)線中電流沿圓周流動，合金帶4提供的偏置磁場H。也在圓周方向上，因此合金帶4中的感應(yīng)渦流與偏置磁場平行，此時洛倫茲カ為0，因而合金帶4中只存在磁致伸縮效應(yīng)，換能器激勵產(chǎn)生的在板中全向傳播的SH導(dǎo)波5如圖I中箭頭所示。附圖4中，實線框6表示的是未施加偏置磁場和交流激勵電流時合金帶中體積元的初始形狀。所施加交流電流在合金帶中產(chǎn)生交變的徑向磁場Hw,與周向偏置磁場Htl疊加為方向變化的總磁場Ht，引起Htl方向即周向的剪切振動。當(dāng)交變的徑向磁場Hw為O吋，總磁場Ht與Htl方向一致，體積元形變?nèi)鐖D4中虛線框7所示；當(dāng)交變的徑向磁場Hw指向正方向時，總磁場Ht的方向和體積元變形后的形狀如圖3所示，當(dāng)交變的徑向磁場Hw指向反方向時，總磁場Ht的方向和體積元變形后的形狀如圖5所示。切向振動傳入緊貼合金帶的平板結(jié)構(gòu)，在忽略圓形回折線圈端部和合金帶開ロ處的影響的前提下，換能器各個方向的振動和波傳播情況完全一致，從而形成全向傳播的SH導(dǎo)波。換能器工作于自發(fā)自收(單換能器)或者一發(fā)ー收(雙換能器)兩種方式下。SH導(dǎo)波的接收基于逆磁致伸縮效應(yīng)。有缺陷存在于導(dǎo)波傳播路徑時將引起導(dǎo)波散射，此時由接收換能器信號可以判別缺陷的存在。也可將此種換能器以陣列的方式永久布置在待測板結(jié)構(gòu)上，此時可以配合相應(yīng)的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)板結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.一種全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，包括帶開口的圓環(huán)狀鐵鎳合金帶(4)，合金帶(4)的一面粘貼有回折線圈(I)，回折線圈(I)的端部位于合金帶(4)的開口處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，在徑向上以相鄰兩條導(dǎo)線為0.5個空間周期，并以0.5個空間周期為步長，所述回折線圈(I)的空間周期為I.5 4. 5 個。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，所述回折線圈(I)帶有絕緣涂層，建立在PCB基板(2)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，所述回折線圈(I)中每條導(dǎo)線為單匝導(dǎo)線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，所述回折線圈(I)中每條導(dǎo)線為2 4分裂的分裂式導(dǎo)線。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一權(quán)利要求所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，所述回折線圈(I)中相鄰兩條導(dǎo)線中心之間的徑向距離d= X/2，其中\(zhòng)為所使用SH導(dǎo)波模式在當(dāng)前頻率f■下的波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，所述合金帶(4)厚度為0. I 0. 6臟，開口寬度為0. 5 3臟。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，使用時，所述回折線圈(I)中通入的電流激勵為6 10個周期正弦波形的短時猝發(fā)脈沖串，正弦波形頻率取100 500kHz。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，利用單換能器工作于自發(fā)自收方式下。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，其特征在于，利用雙換能器工作于一發(fā)一收方式下。
全文摘要
一種全向SH導(dǎo)波電磁超聲換能器，包括帶開口的圓環(huán)狀鐵鎳合金帶，合金帶使用永磁體或電磁鐵預(yù)磁化，合金帶的一面粘貼有回折線圈，回折線圈的端部位于合金帶的開口處，回折線圈中每條導(dǎo)線為單匝導(dǎo)線或者2～4分裂的分裂式導(dǎo)線，回折線圈中相鄰導(dǎo)線中心之間的徑向距離d＝λ/2，其中λ為所使用SH導(dǎo)波模式在當(dāng)前頻率f下的波長，本發(fā)明適用于包括導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料在內(nèi)的各種均勻、各向同性彈性板結(jié)構(gòu)的缺陷檢測和健康監(jiān)測。
文檔編號G01N29/24GK102662003SQ20121012508
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者王珅, 趙偉, 陳俊杰, 魏爭, 黃松嶺 申請人:清華大學(xué)