CN103837605A - 一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器 - Google Patents

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刘增华
樊军伟
何存富
吴斌
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Abstract

一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，属于超声导波无损检测领域。该传感器包括PCB线圈、圆柱状铷铁硼磁铁、圆形镍片，将设计的传感器中圆形镍片粘贴在待测板结构表面，PCB线圈和圆柱状铷铁硼磁铁依次置于圆形镍片正上方，基于铁磁性材料镍片磁致伸缩效应，圆形镍片产生变形，并将这种变形传递给板结构，实现了在板结构中激励出全向性兰姆波。本发明的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器在具有较好的全向性。利用全向性的兰姆波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

一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器
技术领域
本发明为一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中激励全向性兰姆波。
背景技术
随着电磁超声技术诸多优势的日益彰显，该技术已成为国内的一个研究热点，电磁超声传感器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）作为该技术核心装置，利用电磁耦合产生超声波，可在高温环境下检测。电磁超声传感器EMAT结构主要包括线圈、磁铁和待测试件三部分，制作简单，成本低廉，表面非接触、无需加入声耦合剂等优点，而且结构可设计性很高，改变线圈和磁铁的组合形式，可以激发多种类型的超声导波，如表面波、兰姆波、水平剪切波等。
电磁超声传感器EMAT有两种工作机制，一种基于洛伦兹力，当载有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，将在金属内感应出涡流，若此时存在一个静态偏置磁场，由于洛伦兹机制将在金属中产生交变的作用力，这种变化的力将激发出超声波，如基于洛伦兹力机制的全向性兰姆波传感器；一种基于磁致伸缩效应，仅适用铁磁质或磁性材料的检测，由于磁场的交变作用使磁性材料体积发生变化，从而形成材料内部的振动，并最终以超声波形式将振动向外传播，而且，同一个EMAT为一个可逆传感器，可用来接收超声波。目前，基于磁致伸缩效应，在板结构中激励出全向性的兰姆波传感器鲜见报道。
发明内容
本发明旨在设计一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，在360°方向上具有相同的指向性，其性能要优于窄带和无指向性的传感器，利用这种全向性传感器及其阵列结合成像算法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 HealthMonitoring,SHM&Nondestructive Evaluation,NDE）。
为了实现上述目的，设计一种能激励全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，本发明采用如下设计方案：
全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，包括印刷电路板PCB线圈1，圆柱状铷铁硼磁铁2，圆形镍片3，其特征在于：所述的PCB线圈1，圆柱状铷铁硼磁铁2，圆形镍片3，三者形心在垂直方向重合，PCB线圈1置于圆形镍片3上表面，圆柱状铷铁硼磁铁2置于距离PCB线圈1正上方一定高度。
所述的PCB线圈1成环形的双层螺旋型布线，也可布置多层。
所述的圆柱状铷铁硼磁铁2提离距离即圆柱状铷铁硼磁铁2的底面到PCB线圈1表面的距离范围为5mm-15mm。
所述的圆形镍片3外径为D，则
Figure BDA0000469813230000021
且λ=vp/fc，λ、vp分别为设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器理论中心频率fc对应产生兰姆波的波长和相速度。
本发明通过环氧树脂胶将缠有圆形镍片3粘接在板结构表面，将PCB线圈1、圆柱状铷铁硼磁铁2依次置于其上，保证PCB线圈1，圆柱状铷铁硼磁铁2，圆形镍片3三者形心在垂直方向上重合，将圆柱状铷铁硼磁铁2提离PCB线圈1一定距离，在圆形镍片3周围产生方向主要沿径向辐射的偏置静磁场分量，通电PCB线圈1在圆形镍片3周围产生方向主要沿径向分布的动磁场分量，则圆柱状铷铁硼磁铁2产生的偏置静磁场和通电PCB线圈1产生动磁场都产生沿径向分布的磁场分量，基于磁致伸缩效应，铁磁性材料圆形镍片3产生拉伸变形，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兰姆波。
本发明取得如下有益效果：
1、利用圆柱磁铁提离距离，产生一个辐射状的偏置静磁场；
2、采用PCB印刷线圈，保证线圈排布整齐精致，使产生的动磁场更加均匀；
3、通过多层的布线方式，提高传感器的性能；
4、改变圆形镍片的直径，可以设计出不同中心频率的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器；
5、全向性的兰姆波磁致伸缩传感器粘接板结构表面，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兰姆波。
附图说明
图1全向性的兰姆波磁致伸缩传感器结构及工作原理图；
图2实验***；
图31mm厚铝板的群速度与相速度频散曲线；
图4不同频率下接收信号归一化的信号幅值；
图5激励频率为360kHz时接收信号；
图6全向性测试实验***；
图7不同角度的归一化信号幅值；
图中：1、PCB线圈，2、圆柱状铷铁硼磁铁，3、圆形镍片，4高能超声激励接收RAM5000，5、计算机，6、示波器，7、前置放大模块，8、后置放大模块，9、激励端阻抗匹配模块，10、接收端阻抗匹配模块，11、全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，12、基于洛伦兹力机制的全向性兰姆波传感器，13、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兰姆波磁致伸缩传感器，利用该传感器在板结构上激励出全向性兰姆波。
针对全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，见图1中：1为PCB线圈，2为圆柱状铷铁硼磁铁，3为圆形镍片。
所述的PCB线圈1，见图1，在PCB上印刷环形的双层螺旋型线圈，根据圆心镍片外径为24mm，本实例选用线圈外径D为24mm，线圈内径为时
Figure BDA0000469813230000031
为12mm，线圈直径为0.2mm，线间距为0.2mm。
所述的铷铁硼圆柱磁铁2，见图1，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，本实例选用磁铁提离距离为11mm。
所述的圆形镍片3，见图1，需粘贴在板结构表面，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。本实例选用镍片外径尺寸D=24mm，由可知，λ=16mm，根据图3中相速度频散曲线可知，λ=16mm对应兰姆波中低阶对称S0模态的频率为340kHz，即为设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器的理论中心频率fc。
实验***如图2所示，包括高能超声激励接收装置RAM50004，计算机5，示波器6，计算机5用来控制RAM50004的运行，RAM50004能够产生高能超声信号，示波器6用于信号的观测和存储，同时配置前置放大模块7，后置放大模块8，可以检测到微弱信号；为了以减少激励信号传输中的无功分量，提高接收信号信噪比，在激励传感器和接收传感器前面添加了阻抗匹配模块9和10。实验过程中，激励传感器为全向性的兰姆波磁致伸缩传感器11，接收传感器有两种，全向性的兰姆波磁致伸缩传感器11和基于洛伦兹力机制的全向性兰姆波传感器12，检测对象铝板13，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3中给出了上述参数下铝板的群速度与相速度频散曲线。
频率特性测试实验中，激励和接收传感都为全向性的兰姆波磁致伸缩传感器11；全向性测试实验中，激励传感器为全向性的兰姆波磁致伸缩传感器11，接收传感器选择无需接触的基于洛伦兹力机制的全向性兰姆波传感器12，避免了以全向性的兰姆波磁致伸缩传感器作为接收传感器时的圆形镍片的粘接条件不同对接收信号的影响，更加精确反映和验证设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器的全向性。
频率特性测试
根据选用的参数，确定全向性的兰姆波磁致伸缩传感器结构，设计出全向性的兰姆波磁致伸缩传感器的理论中心频率fc为340kHz，通过环氧树脂胶将圆形镍片粘接在铝板表面，将线圈和磁铁置于其上，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10kHz从250kHz增加到500kHz，提取各个频率接收信号中S0模态包络峰值，得出全向性的兰姆波磁致伸缩传感器的频率特性如图4所示，试验数据分别用圆圈表示，通过曲线拟合，可以看出全向性的兰姆波磁致伸缩传感器的中心频率为365kHz，与设计的理论中心频率340kHz基本吻合，相差4.4%。
图5为激励频率为360kHz时接收信号波形，由频散曲线图3可知，该频率下存在低阶反对称兰姆波A0，低阶对称兰姆波S0以及低阶水平剪切波SH0，共三种模态，对应的群速度速为2729m/s、5406m/s、3130m/s，通过时间飞行法ToF(Time of Flight)，计算第一个直达波包波速为5097m/s，与S0在铝板中理论群速度5406m/s最为接近，相对误差为5.7%，所以设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器可以产生低阶对称兰姆波S0。
全向性测试
为了测试设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器的全向性，搭建了全向性测试实验***如图6所示；激励传感器为研制的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，将其置于铝板中心作为激励源；接收传感器为基于洛伦兹力机制的全向性兰姆波传感器，将其均匀布置于以激励源为圆心，半径为250mm半圆周上，间隔为15°。
图7为全向性的兰姆波磁致伸缩传感器在不同角度检测到S0波归一化幅值，介于(0.96-1.00）之间，验证了设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器全向性。

Claims (4)

1.一种全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，包括印刷电路板PCB线圈1，圆柱状铷铁硼磁铁2，圆形镍片3，其特征在于：所述的PCB线圈1，圆柱状铷铁硼磁铁2，圆形镍片3，三者形心在垂直方向上重合，PCB线圈1置于圆形镍片3上表面，圆柱状铷铁硼磁铁2置于距离PCB线圈1正上方一定高度。
2.如权利要求1所述的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，其特征在于：PCB线圈1成环形的双层螺旋型布线，也可布置多层。
3.如权利要求1所述的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，其特征在于：圆柱状铷铁硼磁铁2提离距离即圆柱状铷铁硼磁铁2的底面到PCB线圈1表面的距离范围为5mm-15mm。
4.如权利要求1所述的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器，其特征在于：圆形镍片3外径为D，则
Figure FDA0000469813220000011
且λ=vp/fc，λ、vp分别为设计的全向性的兰姆波磁致伸缩传感器理论中心频率fc对应产生兰姆波的波长和相速度。
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