CN103822973A - 一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器 - Google Patents

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Abstract

一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，属于超声无损检测领域。该传感器包括圆柱状铷铁硼磁铁、环形镍片、环形有机玻璃片、手工绕制线圈。将设计的传感器中沿着环形镍片与环形有机玻璃片周向手工绕制线圈粘贴在待测板结构表面，圆柱状铷铁硼磁铁置于线圈正上方，基于铁磁性材料镍的磁致伸缩效应，环形镍片会产生剪切变形，并将这种变形传递给板结构，实现在板结构中激励出全向性水平剪切模态SH波。本发明利用全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器及其阵列结合成像算法可以实现对板结构的大范围、高效率的缺陷成像，在板结构健康监测和无损评价领域，具有极大的应用价值和潜力。

Description

一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器
技术领域
本发明为一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中激励全向性的水平剪切模态。
背景技术
全向性传感器在360°方向上具有相同的指向性，利用全向性传感器及其阵列能够实现对板结构的大范围、高效率的结构健康监测和无损评价(Structural Health Monitoring,SHM&Nondestructive Evaluation,NDE)。但目前已经应用到SHM和NDE中传感器类型都为全向性的Lamb波传感器，研制一种能够激励出全向性水平剪切模态SH波的传感器实现SHM和NDE很有意义和价值。而且，低阶的水平剪切模态SH0波，具有非频散特性，传播距离远等特性，对于缺陷检测及成像有着很大潜力和优势。
目前，常用的激励超声导波主要两种方式，一种方式是基于材料压电效应的压电传感器。如常见的圆柱形压电片，只能激励出全向性Lamb波；另一种方式是基于电磁耦合效应的电磁超声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)。EMAT有两种工作机理，洛伦兹力和磁致伸缩效应，其结构多变，可设计性强，改变线圈排布与偏置磁场方向，可以激励出不同模态导波。基于EMAT不同的工作机理，共有两类能激励出水平剪切模态电磁超声传感器，一类基于洛伦兹力，由于涡流效应，通电线圈在导电试件表面形成的涡流在偏置磁场作用下产生洛伦兹力，激发出超声波，如周期永磁铁式EMAT；另一类基于磁致伸缩效应，利用通电导线产生交变的动磁场在铁磁性材料中产生磁致伸缩力，使磁畴产生变形，激发出超声波，而且，同一个EMAT为一个可逆传感器，可用来接收超声波。迄今为止，所研制的水平剪切模态传感器都具有一定的指向性，能在板中激励出全向性的水平剪切模态SH波的传感器鲜见报道。
发明内容
为了满足全向性的要求，设计一种能激励全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁(1)、环形镍片(2)、环形有机玻璃片(3)、手工绕制线圈(4)，其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁(1)、环形镍片(2)、环形有机玻璃片(3)、手工绕制线圈(4)四者形心在垂直方向上重合；环形镍片(2)置于环形有机玻璃片(3)构成的绕线底板上表面，沿着环形镍片(2)与环形有机玻璃片(3)周向手工绕制线圈(4)，距离手工绕制线圈(4)正上方一段距离置有圆柱状铷铁硼磁铁(1)。
所述的圆柱状铷铁硼磁铁(1)的底面到手工绕制线圈(4)距离的范围为5mm-15mm。
所述的环形镍片(2)内半径ri=λ/4，外半径为ro=3λ/4，而λ=vp/fc，λ、vp分别为设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器理论中心频率fc对应产生水平剪切模态SH波的波长和相速度。
所述的环形有机玻璃片(3)作为绕线底板，厚度范围为0.5mm-1.0mm，并在环形有机玻璃片(3)接近外圈边缘处加工一圈等间距的圆孔，环形有机玻璃片(3)内圈边缘加工一圈等间距的圆弧槽，数目都为2n个，圆孔和圆弧槽沿径向一一对应，将分布在环形有机玻璃片(3)底板上同一径向上圆孔和圆弧槽看成一个单元，则环形有机玻璃片底板有2n个间隔均匀单元。
所述的手工绕制线圈(4)采用如下绕线方式：环形镍片(2)置于环形有机玻璃片(3)上表面，线圈穿过环形有机玻璃片(3)上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片(2)缠绕包裹起来；每一单元的圆孔记为Ni，圆弧槽记为Ni',单元序号i=1,2,3,..,2n-1,2n；首先，依次连接单元序号为奇数的孔槽N2j-1,N2j-1',j=1,2,…,n，且每一单元孔槽缠绕两匝，这样，在线圈依次由单元2j-1缠绕到单元2j+1时，需经过环形有机玻璃片底板圆孔N2j-1和N2j之间上表面的圆弧，再穿过圆孔N2j和N2j+1之间下表面的圆弧，(j=1,2,…,n)，通过这种绕线方式，使得缠绕在环形有机玻璃片底板上的线圈通电后，上/下表面的电流方向沿径向一致向里或向外；在绕完所有奇数序号的单元的孔槽后，接着开始缠绕偶数序号的单元，方法和缠绕奇数序号的单元一样，需保证缠绕在环形有机玻璃片底板上同一表面的线圈通电后电流流向与奇数序号的单元的一致。
本发明通过环氧树脂胶将缠有镍片线圈粘贴在板结构表面，圆柱磁铁(1)置于线圈正上方，利用提离距离在手工绕制线圈(4)周围产生辐射状的偏置静磁场；在手工绕制线圈(4)中通入一个交变的电流，产生一个环形均匀分布的动磁场；则向外辐射偏置静磁场和通电线圈产生环向均匀分布动磁场方向互相垂直，基于磁致伸缩效应，铁磁性材料环形镍片(2)产生剪切变形，带动板结构产生变形和振动，从而板结构中激励出全向性的水平剪切模态SH波。
本发明取得如下有益效果：
1、圆柱磁铁提离距线圈5mm-15mm高度，在线圈周围产生辐射状的偏置静磁场；
2、利用环形有机玻璃片作为绕线底板，使线圈排布更加整齐；
3、按照上述规则缠绕的线圈，在线圈内产生一个环向均匀分布的动磁场；
4、改变环形镍片的直径，可以设计出不同中心频率的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器；
5、通过环氧树脂胶将缠有镍片线圈粘贴在板结构表面，基于镍片磁致伸缩效应，可以在不同材料属性的板结构中激励出全向性的水平剪切模态。
附图说明
图1全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器结构及工作原理图；
图2环形有机玻璃片；
图3全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器线圈绕线方式；
图4实验***；
图51mm厚铝板的群速度与相速度频散曲线；
图6不同频率下接收信号归一化的信号幅值；
图7激励频率为260kHz时接收信号；
图8全向性测试实验***；
图9周期永磁铁式EMAT接收到全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器一组信号；
图10不同角度的归一化信号幅值；
图中：1、圆柱状铷铁硼磁铁，2、环形镍片，3、环形有机玻璃片，4、手工绕制线圈，5高能超声激励接收RAM5000，6、计算机，7、数字示波器，8、前置放大模块，9、后置放大模块，10、全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，11、周期永磁铁式EMAT，12、铝板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
基于磁致伸缩效应，设计了一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，利用该传感器在铝上激励出模态单一的全向性低阶水平剪切模态SH0波。
针对全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，见图1中：圆柱状铷铁硼磁铁(1)、环形镍片(2)、环形有机玻璃片(3)、手工绕制线圈(4)。
所述的铷铁硼圆柱磁铁(1)，见图1，本实例选用磁铁尺寸为直径×厚度=12×5(单位：mm)，通过控制提离距离，提供辐射状偏置静磁场，本实例选用磁铁的提离距离为11mm。
所述的环形镍片(2)，见图1，为了提高信号的信噪比，选用尽量薄的镍片的厚度(厚度＜0.15mm),本实例选用镍片厚度为0.1mm，镍片形状为环形，选取频率260kHz的作为要设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率fc，由频散曲线图5可知，该频率下，水平剪切模态中只存在低阶的水平剪切模态SH0，而SH0波没有频散，各个频率点的相速度为vp为3130m/s，由λ=vp/fc≈12mm，则环形镍片外半径ri=λ/4=9mm，内半径ro=3λ/4=3mm，要设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率及相应波长与镍片尺寸如表1所示。
表1理论中心频率及相应波长与镍片尺寸
fc(kHz) λ(mm) ro(mm) ri(mm)
260 12 9 3
所述的环形有机玻璃片(3)，见图2，本实例选用厚度为0.8mm的环形有机玻璃片作为绕线底板，在接近外圈边缘有一圈等间距圆孔，内圈边缘有一圈等间距的圆弧槽。将分布在同一径向上圆孔和圆弧槽看成一个单元，由于单元越多，线圈产生的环向动磁场越均匀，但是增加绕线的难度，由于线圈直径和环形底板内半径所限，本实例选择16个单元，则相邻两个单元之间夹角θs=22.5°。
所述的手工绕制线圈(4)，见图3，线圈选用直径为0.2mm的铜漆包线，按照上述的绕线规则使用漆包线将环形镍片缠绕在环形有机玻璃底板上，并在线圈中通有交变电流，产生一个环形均匀分布的动磁场
实验***如图4所示，包括高能超声激励接收RAM5000(5)，计算机(6)，数字示波器(7)；计算机(6)用来控制RAM5000(5)的运行，RAM5000(5)能够产生高能超声信号，数字示波器(7)用于信号的观测和存储；同时配置前置放大模块(8)，后置放大模块(9)，可以检测到微弱信号。实验过程中，激励传感器为全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器(10)，接收传感器有两种，全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器(10)和周期永磁铁式EMAT(11)，检测对象铝板(12)，规格为长×宽×厚=1000×1000×1(单位：mm)，材质为纯铝，密度为2700kg/m3，泊松比为0.3，图5中给出了上述参数下铝板的相速度和群速度频散曲线。
频率特性测试实验中，激励和接收传感都为全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器(10)；全向性测试实验中，激励传感器为全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器(10)，接收传感器选择无需接触的周期永磁铁式EMAT(11)，避免了以全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器作为接收传感器时，线圈的粘接条件不同对接收信号幅值的影响，更加精确反映和验证设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的全向性。
1)频率特性测试
根据选用的参数，确定全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器结构，设计出全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的理论中心频率fc为260kHz。通过环氧树脂胶将线圈粘贴在铝板表面，磁铁置于线圈正上方，采用一激一收方式进行实验，激励和接收传感器相距300mm，激励信号频率为经汉宁窗调制的5周期正弦波，将激励频率以步长5kHz从200kHz增加到400kHz，提取各个频率接收信号第一个直达波峰值，得出全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的频率特性如图6所示，试验数据分别用圆圈表示，通过曲线拟合，可以看出全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的中心频率为265kHz，与理论中心频率260kHz基本吻合，相差2%。
图7为激励频率在260kHz时接收信号波形，通过时间飞行法(Time of Flight,ToF)，计算第一个直达波包波速为3103m/s，与SH0波在铝板中理论群速度3130m/s基本吻合。由频散曲线图5可知，频率低于1MHz，在铝板中最多激励出三种模态，低阶反对称兰姆模态A0，低阶对称兰姆模态S0以及低阶水平剪切模态SH0，如果有S0、A0模态的波产生，则会在图7的虚线处出现波包，而图7虚线处没有其他波包，说明了设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器可以产生模态单一的低阶水平剪切模态SH0波。
2)全向性测试
为了测试设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的全向性，搭建了全向性测试实验***如图8所示，激励传感器为研制的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，将其置于铝板中心作为激励源，周期永磁铁式EMAT作为接收传感器，置于以激励源为圆心，半径为300mm半圆周上，间隔为15°，其方向始终指向作为激励源的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器。
图9为周期永磁铁式EMAT接收到全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器一组信号，可以看出接收信号只有一个波包，通过时间飞行法，计算出波速为3102m/s，与SH0波在铝板中理论群速度3130m/s基本吻合，再一次证明了全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器能够激励出SH0波。图10为全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器在不同角度检测到SH0波归一化幅值，介于(0.85-1.00）之间，验证了设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器的全向性。

Claims (5)

1.一种全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁(1)，环形镍片(2)，环形有机玻璃片(3)，手工绕制线圈(4)；其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁(1)、环形镍片(2)、环形有机玻璃片(3)、手工绕制线圈(4)四者形心在垂直方向上重合；环形镍片(2)置于环形有机玻璃片(3)构成的绕线底板上表面，沿着环形镍片(2)与环形有机玻璃片(3)周向手工绕制线圈(4)，距离手工绕制线圈(4)正上方一段距离置有圆柱状铷铁硼磁铁(1)。
2.如权利要求1所述的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁(1)的底面到手工绕制线圈(4)距离的范围为5mm-15mm。
3.如权利要求1所述的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：环形镍片(2)内半径为ri=λ/4；外半径为ro=3λ/4，而λ=vp/fc，λ、vp分别为设计的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器理论中心频率fc对应产生水平剪切模态SH波的波长和相速度。
4.如权利要求1所述的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：环形有机玻璃片(3)作为绕线底板，厚度范围为0.5mm-1.0mm，并在环形有机玻璃片(3)接近外圈边缘处加工一圈等间距的圆孔，环形有机玻璃片(3)内圈边缘加工一圈等间距的圆弧槽，数目都为2n个，圆孔和圆弧槽沿径向一一对应，将分布在环形有机玻璃片(3)底板上同一径向上圆孔和圆弧槽看成一个单元，则环形有机玻璃片底板有2n个间隔均匀单元。
5.如权利要求1所述的全向性的水平剪切模态磁致伸缩传感器，其特征在于：手工绕制线圈(4)采用如下的绕线方式：环形镍片(2)置于环形有机玻璃片(3)上表面，线圈穿过环形有机玻璃片(3)上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片(2)缠绕包裹起来；每一单元的圆孔记为Ni，圆弧槽记为Ni',单元序号i=1,2,3,..,2n-1,2n；首先，依次连接单元序号为奇数的孔槽N2j-1,N2j-1',j=1,2,…,n，且每一单元孔槽缠绕两匝，这样，在线圈依次由单元2j-1缠绕到单元2j+1时，需经过环形有机玻璃片底板圆孔N2j-1和N2j之间上表面的圆弧，再穿过圆孔N2j和N2j+1之间下表面的圆弧，(j=1,2,…,n)，通过这种绕线方式，使得缠绕在环形有机玻璃片底板上的线圈通电后，上/下表面的电流方向沿径向一致向里或向外；在绕完所有奇数序号的单元的孔槽后，接着开始缠绕偶数序号的单元，方法和缠绕奇数序号的单元一样，需保证缠绕在环形有机玻璃片底板上同一表面的线圈通电后电流流向与奇数序号的单元的一致。
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