CN102608220A

CN102608220A - 一种多主频组合的sh0模态电磁声传感器

Info

Publication number: CN102608220A
Application number: CN2012100048834A
Authority: CN
Inventors: 吴斌; 李杨; 郑阳; 何存富
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-01-09
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-09
Also published as: CN102608220B

Abstract

一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器，属于无损检测领域。本发明由信号输入BNC接头，信号输出BNC接头，脉冲电磁铁供电BNC接头、磁铁固定板、保护外壳、脉冲电磁铁和回折型线圈组成；回折型线圈置于保护壳底面凹槽内，保护壳内部置有脉冲电磁铁，其上为磁铁固定板；在保护外壳的最上端为保护外壳的盖板，盖板上固定有信号输入BNC接头，信号输出BNC接头，脉冲电磁铁供电BNC接头。信号输入BNC接头，信号输出BNC接头分别接入回折型线圈上下面的接线端，脉冲电磁铁供电BNC接头连接到脉冲电磁铁的绕组。与等周期的线圈EMAT相比，本发明可同时关注多个频率点的信息，可以替代利用多个不同频率的EMAT进行扫频。

Description

一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器(EMAT，Electromagnetic Acoustic Transducer)。

背景技术

水平剪切波(SH波)是在板类结构中传播的一种超声导波，其传播特性在导波检测方面是十分诱人的。SH在板中只产生平行于板面的剪切方向振动，当遇到与其质点振动方向相一致的界面发生反射时，SH波不发生模态转换。此外，SH波的零阶模态不频散，且传播速度较低，同等仪器条件下具有较高的空间分辨力。因而SH波被广泛应用于板的各类缺陷检测以及结构健康监测中。

EMAT是具有周期性分布结构的超声传感器，非常便于产生面内位移，因此常被用于在试件内产生SH波。其特点在于，传感器总是选择性地激励或接收波长与其分布周期相一致的模态。通过线圈形态与固置磁场的分布搭配可以在试件表面激励出不同方向的位移。因此，线圈形态和固置磁场的设计是EMAT设计的关键。图1为常用的SH波EMAT。

线圈：

为了提供产生SH波的剪切振动，SH波EMAT的线圈通常采用回折型线圈，当线圈中通入交变的电流时，在铁磁性试件的表面产生交变的动磁场，该动磁场与由固置磁铁产生的静磁场交互作用，在试件表面或近表面层中产生剪切的振动并向线圈延伸的方向(图中的左右方向)传播，即形成了SH波。

线圈宽度决定了传感器的孔径，从而决定了传感器所激励出的声波的声束宽度。当线圈宽度越大时，传感器所激励出的声束越集中，传感器指向性越好；当线圈宽度越小时，传感器所激励出的声束越发散，同等距离下传感器所覆盖的区域越大。不过线圈宽度的设计应同时考虑传感器指向性的需求和由增大线圈宽度所带来的偏置磁铁的远离(即偏置磁场强度的就降低)。

线圈周期决定了传感器所能激励和接收的声波的波长，声波的波长即为线圈周期。线圈中相邻的两根线段中的电流方向相反，其间距应为波长的一半。当被检材料确定时，线圈周期则对应了其所能激励和接收的声波的频率。正是由于线圈的周期性排布，实现了EMAT的模态选择性。

线圈周期数越大，传感器所能激励出的声波能量越大，但同时会时激励出信号的时域宽度加长，从而降低了检测的时域分辨力。当遇到相聚较近的缺陷时，信号会相互叠加、难以分辨。

磁铁：

EMAT通常采用永磁铁来提供偏置磁场。这种方式简单便捷，但在实际应用中存在不足。当传感器频率较低(线圈周期较大)时，为了提供均匀分布的磁场，需选用体积较大的磁铁。这将导致传感器过于笨重，而检测对象为铁磁性材料时回不便于移动。

以上线圈和磁铁的设计导致了常用SH波EMAT在接收信号幅值、时域分辨力和传感器灵活性上的不足。

发明内容

为了解决现有的EMAT接收信号幅值、时域分辨力和传感器灵活性上的缺点，一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器。

该传感器由信号输入BNC接头1、信号输出BNC接头2、脉冲电磁铁供电BNC接头3、磁铁固定板4、保护外壳5、脉冲电磁铁6和回折型线圈7组成，如图2中所示。回折型线圈7置于保护壳5底面凹槽内，保护壳内部置有脉冲电磁铁6，其上为磁铁固定板4。在保护外壳的最上端为保护外壳的盖板，其上固定有信号输入BNC接头1、信号输出BNC接头2和脉冲电磁铁供电BNC接头3。

所述的磁铁固定板4，目的在于固定住两块电磁铁，以确保在强磁场的作用下，两电磁铁不会吸合。

所述的保护外壳5为整个传感器提供保护。信号输入BNC接头1，信号输出BNC接头2和脉冲电磁铁供电BNC接头3置于保护外壳顶端。磁铁固定板4与脉冲电磁铁6置于保护外壳内部，回折型线圈固定于保护外壳底端的凹槽内，如图3中所示。为了表征外壳内部各元件的分布，图3中的保护外壳为简化模型，实际保护外壳应包含特殊设计的凹坑、凹槽以便于固定脉冲电磁铁与回折型线圈。

所述的脉冲电磁铁6，为具有方形铁芯的脉冲电磁铁，要求磁场方向在磁铁的正下方均匀且方向垂直向下/向上，两脉冲电磁铁所产生的磁场的方向相反，如图3中所示。工作时，在脉冲电磁铁的线圈中激励一个脉冲信号，其宽度应大于激励信号。两脉冲电磁铁会在试件表面形成一个方向由一脉冲电磁铁指向另一脉冲电磁铁的偏置磁场。脉冲电磁铁的匝数与通电电流应根据所需的偏置磁场强度进行设计。

所述的回折型线圈7固定于保护外壳5底端的凹槽内。所述的回折型线圈7的线圈周期并不相等，而是按照一定的规律变化，线圈印制于印刷电路板上，上表层与下表层印制的线圈首尾对齐，但其分布规律相反，如图4所示。

普通回折型线圈的传感器的工作原理如图5所示，此类传感器利用的是材料的磁致伸缩效应。永磁铁或电磁铁在试件表面形成偏置磁场B₀，当线圈中通入电流时，通电导线会在试件表面感应出动磁场B_m，动磁场与偏置磁场正交，符合最大剪应力的产生方式，两者的合磁场为B_H。若材料为负磁致伸缩材料(如镍等)时，在偏置磁场的影响下，材料的晶格被压缩，如图5中中图所示。此时，若引入通电导线所产生的动磁场，则晶格会如图5中左右两图所示。当回折型线圈中通入交变的电流时，便产生了往复的剪切振动，从而形成SH波。回折型线圈中两相邻导线的电流方向相反，其产生的动磁场方向相反，因而产生的声波的半波长总与此间隔相一致。

而本发明中采用的是多主频组合的SH0模态线圈，在普通回折型线圈的原理上进行了改进，其原理如图6所示。多主频组合的SH0模态回折型线圈的线圈周期并不相等，由于线圈总是选择激励波长与线圈周期相对应的声波，因此不等间距的线圈会在试件内激励出不同波长的SH0模态。由于SH0模态不频散，各频率的SH波传播速度一致，因此只需在设计激励和接收线圈时使不同线圈周期分布的先后顺序相对应，即可完成对线圈的频率调制。各频率的SH波在试件内部独立传播，而激励和接收线圈的分布相一致(一激一收模式时，采用两块PCB板上同向分布的两线圈，自激自收模式时，采用同一块PCB板上反向分布的两线圈，如图6所示)。因此，各频率SH波的传播距离是相等的，从而传播时间也相等。时域上，各频率SH波会在相同的时间点叠加。

本发明具有以下优点，

1)各频率的SH波在同一时刻叠加，大大增加了接收信号的幅值，且在增大幅值的同时缩短信号的时域宽度，可以获得较高的时域分辨力；

2)与等周期的线圈EMAT相比，本发明可同时关注多个频率点的信息，通过信号后处理，可以替代利用多个不同频率的EMAT进行扫频；

3)由于传感器的频带可根据设计调整，且可在时域内压缩信号宽度提高信号幅值，因而对激励信号的要求较低，采用脉冲激励或正弦波激励即可。这大大降低了对检测仪器的要求。

4)由于传感器采用脉冲电磁铁来提供偏置磁场，因而在未通电时传感器不会吸附铁磁性材料，大大提高了传感器的灵活性。

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1：常见SH波回折型线圈EMAT的结构图

图2：传感器装配图

图3：传感器内部结构图

图4：线圈结构示意图

图5：回折型线圈工作原理图

图6：传感器工作原理图

图7：自激自收检测***示意图

图8：一激一收检测***示意图

图9：多主频组合的SH0模态EMAT实验自激自收信号图

图10：多主频组合的SH0模态EMAT实验一激一收信号图

图中，1-信号输入BNC接头，2-信号输出BNC接头，3-脉冲电磁铁供电BNC接头，4-磁铁固定板，5-保护外壳，6-脉冲电磁铁，7-回折型线圈。

具体实施方式

本发明的具体实施步骤包括：

一种在材质为磁致伸缩材料或表面覆有磁致伸缩材料的板中，激励产生单一多主频组合的SH0波的电磁声传感器，由信号输入BNC接头1、信号输出BNC接头2、脉冲电磁铁供电BNC接头3、磁铁固定板4、保护外壳5、脉冲电磁铁6和回折型线圈7组成。

加工和装配过程：

保护外壳5为整个传感器的外封和支架，长70mm，宽50mm，高15mm，由工程塑料加工而成，上顶部厚3mm，其上加工有BNC接头孔，底端开有长65mm，宽45mm的1mm深凹槽以固定回折型线圈电路板，在接线处开有通孔，便于线圈与BNC接头接线。

装入图2中回折型线圈7，其几何尺寸为长65mm，宽45mm，厚0.5mm的PCB电路板，在电路板的中心区域有形如回折型线圈，线圈间隔相邻两导线间隔，其电流方向相反自5mm变化至2mm，共13段。

装入脉冲电磁铁6，脉冲电磁铁6由长60mm，宽10mm，高10mm的长条形铁芯外绕匝数为20的绕组构成。

装入磁铁固定板。将BNC接头固定于保护外壳顶盖，连接信号输入BNC接头1和回折型线圈7的下表层接线端，连接信号输出BNC接头2和回折型线圈7下表层接线端，连接脉冲电磁铁供电BNC接头3和脉冲电磁铁6的绕组。将装有BNC接头保护外壳的盖板通过外壳4个顶角的螺纹孔固定于保护外壳上。

使用方法：

典型检测***如图7和图8中所示，由信号发生器、功率放大器、传感器、前置放大器和数字示波器组成，其中图7为自激自收检测***示意，图8为一激一收检测***示意。

当采用自激自收布置时，信号发生器产生一个脉宽为1μs的矩形脉冲，通过功率放大器后，输入传感器中，传感器放置于一块长约1m、宽120mm、厚1mm的镍板上。声波在板宽方向往复传播，接收的端面回波经由传感器接收，经由功率放大器内部的转换电路输出到数字示波器进行显示。

当采用一激一收布置时，信号发生器产生一个脉宽为1μs的矩形脉冲，通过功率放大器后，输入激励传感器中，接收传感器位于距激励传感器约300mm处，接收的信号经由前置放大输出到数字示波器进行显示。

图9和图10即为多主频组合的SH0模态EMAT采用自激自收和一激一收模式时的接收信号。可以看到，当接收线圈的分布于激励线圈的分布相一致时(包含自激自收模式的偶次回波和一激一收模式)，信号在时域内被压缩，幅值更大，时域分辨力较好，实现了本发明的设计思路。

Claims

1.一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器，由信号输入BNC接头(1)，信号输出BNC接头(2)，脉冲电磁铁供电BNC接头(3)、磁铁固定板(4)、保护外壳(5)、脉冲电磁铁(6)和回折型线圈(7)组成；回折型线圈(7)置于保护壳(5)底面凹槽内，保护壳内部置有脉冲电磁铁(6)，其上为磁铁固定板(4)；在保护外壳的最上端为保护外壳的盖板，盖板上固定有信号输入BNC接头(1)，信号输出BNC接头(2)，脉冲电磁铁供电BNC接头(3)。信号输入BNC接头(1)，信号输出BNC接头(2)分别接入回折型线圈上下面的接线端，脉冲电磁铁供电BNC接头(3)连接到脉冲电磁铁的绕组；用以提供竖直方向的偏置磁场的脉冲电磁铁(6)为产生磁场方向相反的长条形电磁铁，两脉冲电磁铁不吸合。

2.根据权利要求1中所述的一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器，其特征在于：所述的保护外壳(5)为工程塑料。

3.根据权利要求1中所述的一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器，其特征在于：所述的脉冲电磁铁(6)为具有长条形铁芯的脉冲电磁铁，要求磁场方向在磁铁的正下方均匀且方向垂直向下或向上。工作时，在脉冲电磁铁的线圈中激励一个脉冲信号，其宽度应大于回折型线圈(7)的激励信号。

4.根据权利要求1中的所述的一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器，其特征在于：所述的回折型线圈(7)的线圈周期不相等，线圈印制于印刷电路板上，上表层与下表层印制的线圈首尾对齐，但其分布规律相反。

5.根据权利要求1中的所述的一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器，其特征在于：其装配过程为，在保护外壳(5)底端装入回折型线圈(7)，在保护外壳(5)内装入电磁铁(6)，装入磁铁固定板(4)以固定磁铁；将BNC接头固定于保护外壳顶盖，连接BNC接头和回折型线圈(7)的信号线以及BNC接头和脉冲电磁铁(6)的绕组；将装有BNC接头保护外壳(5)的顶板通过外壳4个顶角的螺纹孔固定于保护外壳上。