本發(fā)明屬于超聲無損檢測(cè)領(lǐng)域，主要涉及一種全向型S₀模態(tài)電磁聲傳感器結(jié)合銅箔，實(shí)現(xiàn)以有機(jī)玻璃板為例的非金屬板Lamb波檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

超聲導(dǎo)波沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播，衰減較小，能量集中，檢測(cè)信號(hào)可包含整個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的缺陷信息。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速、長距離、大范圍檢測(cè)，更適用于大型板類結(jié)構(gòu)的全面檢測(cè)。

Lamb波傳播距離遠(yuǎn)，衰減小，基于Lamb波的檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)整個(gè)橫截面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)多個(gè)缺陷的識(shí)別能力強(qiáng)，適合用于大型板結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。在運(yùn)用Lamb波進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意Lamb波的多模態(tài)特性和頻散現(xiàn)象。Lamb波多模態(tài)特性指的是，在任何給定的激勵(lì)頻率下，至少存在兩個(gè)模態(tài)。Lamb波存在兩種模態(tài)，即對(duì)稱模態(tài)S_n(Symmetric)和反對(duì)稱模態(tài)A_n(Anti-symmetric)，其中n為整數(shù)。不同模態(tài)對(duì)不同類型缺陷的敏感度不一樣，Lamb波在傳播過程中遇到缺陷可能會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。高階模態(tài)的存在，增加了識(shí)別缺陷反射回波的難度，故往往采用低階的S₀模態(tài)和A₀模態(tài)。Lamb波模態(tài)的波速隨著頻率的變化發(fā)生改變即頻散現(xiàn)象，在時(shí)域上表現(xiàn)為波形變寬、幅值減小。

電磁聲傳感器在板結(jié)構(gòu)中用于激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波。電磁聲傳感器一般有三部分組成：提供偏置靜磁場的磁體；產(chǎn)生動(dòng)磁場或感應(yīng)渦流的通電線圈；被測(cè)試樣。電磁聲傳感器的換能機(jī)理主要有基于洛倫茲力機(jī)理和基于磁致伸縮機(jī)理。基于洛倫茲力機(jī)理的電磁聲傳感器主要適用于檢測(cè)非鐵磁性材料，基于磁 致伸縮機(jī)理的電磁聲傳感器主要適用于檢測(cè)鐵磁性材料。

2002年，Murayama R在《Ultrasonics》發(fā)表的“Conventional electromagnetic acoustic transducer development for optimum Lamb wave modes”中，研制了一種能在薄鋼板中激勵(lì)出對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式Lamb波的EMAT。該EMAT采用回折線圈，在頻率變化范圍為300kHz～2.5MHz下，激勵(lì)出不同波長的Lamb波。2005年，Wilcox P在《IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》發(fā)表的“Omnidirectional guided wave inspection of large metallic plate structures using an EMAT array”中，利用多個(gè)全向型S₀模態(tài)EMAT組成的環(huán)形陣列并結(jié)合數(shù)據(jù)融合方法實(shí)現(xiàn)了鋁板結(jié)構(gòu)的快速掃描成像。目前激勵(lì)接收Lamb波的電磁聲傳感器多數(shù)用于金屬板結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于洛倫茲力機(jī)理的電磁聲傳感器直接用于非金屬板結(jié)構(gòu)，難以在板中激勵(lì)出Lamb波，本方法目的是采用銅箔實(shí)現(xiàn)電磁聲傳感器用于非金屬板。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本方法采用如下設(shè)計(jì)方案：

一種基于電磁聲傳感器的非金屬板Lamb波檢測(cè)方法如圖1所示，該檢測(cè)方法的電磁聲傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)包含一種基于洛倫茲力機(jī)理電磁聲傳感器1和金屬箔2，檢測(cè)對(duì)象為非金屬板3。電磁聲傳感器一般包括磁鐵和線圈。金屬箔粘貼在有機(jī)玻璃板上，電磁聲傳感器1置于金屬箔2上，金屬箔可根據(jù)檢測(cè)所需大小進(jìn)行剪裁。當(dāng)傳感器中線圈通入交變電流時(shí)，在金屬箔中會(huì)產(chǎn)生渦流，在磁鐵提供靜磁場的作用下，金屬箔2中產(chǎn)生交變的洛倫茲力。非金屬板與金屬箔2緊密貼合，洛倫茲力引起板中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，振動(dòng)在板中以Lamb波的形式進(jìn)行傳播。

本方法可取得如下有益效果：

將金屬箔2貼于非金屬板上，電磁聲傳感器1與金屬箔2緊密接觸，通過搭建實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)，可在非金屬板中產(chǎn)生Lamb波。

附圖說明

圖1一種基于電磁聲傳感器的非金屬板Lamb波檢測(cè)方法示意圖；

圖2電磁聲傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

圖4：5mm厚有機(jī)玻璃板Lamb波頻散曲線；

圖5在激勵(lì)頻率為130kHz時(shí)接收信號(hào)。

圖中：1、基于洛倫茲力的電磁聲傳感器；2、金屬箔；3、非金屬板試樣；4、圓柱狀釹鐵硼磁鐵；5、螺旋形線圈；6、計(jì)算機(jī)；7、函數(shù)發(fā)生器；8、高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-5000；9、數(shù)字示波器；10、功率放大器75A250AM3；11、前置放大模塊；12、接收端阻抗匹配模塊；13、激勵(lì)端阻抗匹配模塊；14、接收傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)；15、激勵(lì)傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)；16、有機(jī)玻璃板試樣。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，且以下實(shí)施例只是描述性的不是限定性的，不能以此來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本方法中將有機(jī)玻璃板作為非金屬試樣3，電磁聲傳感器1結(jié)合金屬箔2，金屬箔2為銅箔，可在板中激勵(lì)出Lamb波的S₀模態(tài)。

所述的電磁聲傳感器1為全向型S₀模態(tài)電磁聲傳感器，結(jié)構(gòu)包括圓柱狀釹鐵硼磁鐵4和螺旋形線圈5，螺旋形線圈5置于柔性電路板中，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低。銅箔2一面具有粘貼性貼于有機(jī)玻璃板上，螺旋形線圈5置于銅箔2的另一面上，圓柱狀釹鐵硼磁鐵4置于螺旋形 線圈5上，圓柱狀釹鐵硼磁鐵4、螺旋形線圈5和銅箔2緊密接觸。

本實(shí)例選用的圓柱狀釹鐵硼磁鐵4尺寸為直徑D₁＝25mm，厚度H₁＝15mm。圓柱狀釹鐵硼磁鐵4沿上下兩側(cè)極化，圓柱狀銣鐵硼磁鐵4形心和螺旋形線圈5形心在垂直方向重合。

本實(shí)例選用的螺旋形線圈5，采用雙層布線，上下兩層通電時(shí)電流方向變化一致，直徑D₂＝18mm，導(dǎo)線寬度為0.2mm。螺旋形線圈5共有兩層，直徑D₂等于全向型S₀模態(tài)電磁聲傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的波長λ。通過改變螺旋形線圈2的直徑D₂可控制該傳感器的中心頻率。

本實(shí)例選用銅箔為圓形，一面粘貼在有機(jī)玻璃板上；另一面與全向型S₀模態(tài)電磁聲傳感器接觸。銅箔直徑D₃＝20mm。

搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，包括計(jì)算機(jī)6、函數(shù)發(fā)生器7、高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-50008、數(shù)字示波器9、功率放大器75A250AM310、前置放大模塊11、接收端阻抗匹配模塊12、激勵(lì)端阻抗匹配模塊13、接收傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)14、激勵(lì)傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)15、有機(jī)玻璃板試樣16。計(jì)算機(jī)6用以控制高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-50008，函數(shù)發(fā)生器7產(chǎn)生低頻脈沖信號(hào)。高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-50008、前置放大模塊11、接收端阻抗匹配模塊12作為接收端匹配裝置用于增強(qiáng)傳感器的換能效率。數(shù)字示波器9用于觀察信號(hào)波形，功率放大器75A250AM310能放大信號(hào)能量，接收傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)14和激勵(lì)傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)15均為全向型S₀模態(tài)電磁聲傳感器加銅箔。有機(jī)玻璃板試樣16的尺寸：長×寬×厚＝1000×1000×5mm。

全向型S₀模態(tài)電磁聲傳感器直徑D₂等于理論中心頻率對(duì)應(yīng)的波長λ。本實(shí)例設(shè)計(jì)的D₂＝18mm，即λ＝18mm。圖4(a)為5mm厚有機(jī)玻璃板Lamb波波長-頻率曲線，S₀模態(tài)波長λ＝18mm時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為126kHz。本實(shí)例中激勵(lì)信號(hào) 采用的是5周期Tone burst信號(hào)，為了方便設(shè)置激勵(lì)頻率參數(shù)，設(shè)置激勵(lì)中心頻率為f＝130kHz。在圖3中，F(xiàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)f＝130kHz，群速度為2064m/s。

接下來驗(yàn)證所述的電磁聲傳感器結(jié)合銅箔能在有機(jī)玻璃板上產(chǎn)生S₀模態(tài)。激勵(lì)和接收傳感器兩者相距280mm，將激勵(lì)傳感器和接收傳感器的螺旋形線圈5接入電路。高能超聲激勵(lì)接收裝置RAM-50008產(chǎn)生的信號(hào)最低頻率為200kHz，因此利用函數(shù)發(fā)生器7產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過功率放大器75A250AM310進(jìn)行信號(hào)放大，將信號(hào)送入激勵(lì)端。

圖5為激勵(lì)頻率為130kHz時(shí)接收信號(hào)波形，可以明顯分辨出2個(gè)波包。波包I為傳感器激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)，與激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間幾乎一致。波包II為接收傳感器接收到的直達(dá)波信號(hào)。利用時(shí)間飛行法，計(jì)算波包II的實(shí)際傳播的群速度v_g＝1986m/s，該值與S₀模態(tài)在5mm厚有機(jī)玻璃板中130kHz頻率點(diǎn)處的理論群速度2064m/s相比，相對(duì)誤差為3.8％，可以確定所述的電磁聲傳感器可以在有機(jī)玻璃板中激勵(lì)出S₀模態(tài)。