CN110193460B

CN110193460B - 一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器

Info

Publication number: CN110193460B
Application number: CN201910459547.0A
Authority: CN
Inventors: 刘增华; 邓黎明; 张永琛; 何存富; 吴斌
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-05-29
Also published as: CN110193460A

Abstract

本发明公开了一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，该换能器器包括圆柱形钕铁硼磁铁、磁集中器、圆形阵列式回折线圈。将柔性电路板中的多簇圆形回折线圈放置在待测铝板表面，磁集中器与钕铁硼磁铁吸合后放置在回折线圈正上方。基于洛伦兹力效应，实现板结构中全向型S₀模态导波的激励。通过试验验证了所研制的阵列式全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器可在铝板中激励出单一的S₀模态导波；通过全向性测试实验，验证了所研制的全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器可激励出沿360°方向传播S₀导波；通过缺陷检测实验，验证了全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器能够有效地减少缺陷信号的分析难度以及误差。

Description

一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器

技术领域

本发明为一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，属于超声无损检测领域，可在板结构中激励出沿360°方向传播的单一模态的S₀模态导波。

背景技术

由于铝合金板材所具有的高强度、高耐腐蚀度、良好的耐温和较高的韧性等优点，铝合金板材被广泛应用于航空航天以及各种运输运载装置，其中包括飞机、高铁、火箭等。其主要应用于各个装置的重要部位，如装甲、核心结构件、蒙皮等核心部件。然而，由于人为失误以及加工工艺的局限，在实际加工和使用过程中无法避免的会产生各种缺陷，其中包括裂纹、夹杂、分层和氧化等，这些缺陷会在实际使用中造成无可挽回的灾难和经济损失，因此及时检测出这些缺陷从而减少经济损失以及安全隐患具有重要意义。压电超声技术作为超声检测技术中的重要部分，虽然应用较广，但仍然存在许多无法解决的问题，其中大多数问题都来自于压电超声技术所需要的耦合剂。因此，发展一种无需耦合剂的超声检测技术具有重要的意义。电磁超声无损检测技术应运而生，该技术检测时无需耦合剂，可以对试件进行非接触式检测和在线监测。对于传统的电磁声换能器中提供静磁场的磁铁，目前普遍采用钕铁硼永磁铁。但由于永磁铁的磁场具有不可改变性和不均匀性，会使电磁声换能器产生其他不需要的模态，影响信号的模态单一性。在传统电磁声换能器的基础上加入磁集中器，材料为具有高导磁率的铁氧体，采用磁集中器来对磁铁产生的磁场进行引导和集中，使得产生的模态更加纯净，进而改善信号的模态单一性。因此，研究用于铝合金板材检测的磁集中器式兰姆波电磁声换能器具有重要的理论意义和实用价值。

目前，电磁超声检测技术在国外的应用较广，已发展至工业应用阶段。美国、日本、加拿大等国家针对电磁超声检测技术进行了大量的研究。Murayama等针对无损检测与评价领域，对基于磁致伸缩效应的电磁声换能器所激励的兰姆波进行了较为深入且全面的研究，研究确定兰姆波S₀模态对通孔缺陷的检测灵敏度较高。Sun等发展了一种改进的电磁声换能器设计，该结构的换能器只产生全向性兰姆波A₀模态。并应用数值模拟来表征磁体并确定线圈参数。在3mm厚铝板上的实验结果表明，提出的改进电磁声换能器(ElectromagneticAcousticTransducer,EMAT)可以产生和接收具有高信噪比的单一A₀模态，并可以有效地满足成像要求。何存富等研制了一种高信噪比且能够通过自激自收的方式激励和接收表面波的电磁声换能器，并分析了此电磁声换能器高信噪比的内部机制以及与信噪比相关的参数分析。杨理践等研究和阐述了回折线圈的导线角度与电磁声换能器的换能效率之间的关系。目前，能在板中激励出全向型单一S₀模态导波的电磁声换能器报道较少。

发明内容

本发明旨在设计一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，在360°方向上具有较为类似的指向性，其模态单一性要优于传统电磁声换能器，利用这种全向型换能器能够实现对板结构的结构健康监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，包括铷铁硼磁铁1，磁集中器2，柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3。其特征在于：钕铁硼磁铁1为圆柱形永磁体；磁集中器2可看作是由上部分的圆柱体和下部分4个圆环柱组成；磁集中器2的圆柱形顶面与钕铁硼磁铁1相吸，接触面重合；柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3置于磁集中器2的下端，磁集中器2的底面与柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3重合。柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3放置在铝板上，磁集中器2和钕铁硼磁铁1固定在回折线圈3正上方。

所述的全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：钕铁硼磁铁1为圆柱体，沿轴向方向极化，使磁场线沿轴向(顺时针或逆时针)方向传递，在磁铁的径向上越靠近磁铁两端，磁场沿水平方向传递的磁场分量就越多。

所述的全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：磁集中器2的材料为铁氧体，可看作是由上部分的圆柱体和下部分的4个圆环柱组成，磁集中器2上部分的圆柱体直径与钕铁硼磁铁1的直径相等，下部分的同心圆环柱间距的间距均相等；磁集中器2的圆柱底面与钕铁硼磁铁1的圆柱底面相吸合；在加入磁集中器后，由于磁集中器对磁场的引导和集中作用，可以减少在钕铁硼磁铁1在磁铁的径向上的磁铁两端较多的磁场水平方向分量。

所述的全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3，采用双层布线方式，使得同一圆形线圈簇上的导线中电流同向(顺时针或逆时针)，相邻两圆形线圈簇上导线电流方向相反。柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3中相邻两圆形线圈簇的中心距为l₁，等于设计的全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器理论中心频率对应的半波长λ/2。

本发明可以获得如下有益效果：

1、钕铁硼磁铁1在磁集中器2的引导和集中作用下，改变了靠近钕铁硼磁铁1两端的磁场方向，使得两端的磁场水平方向分量减少从而改善了换能器的模态单一性；

2、钕铁硼磁铁1的圆柱底面与磁集中器2的圆柱底面直径相等，两者相互吸合并完全重合，保证了圆柱形磁铁在各个方向产生的磁场一致，证了换能器激励能量的周向一致性；

3、柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3，采用双层布线方式，提高换能器所激励出信号的幅值；

4、柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3，每层由多簇线圈组成。相邻两圆形线圈簇的中心距为l₂等于设计的电磁声换能器理论中心频率对应的S₀模态的半波长λ/2；通过改变参数l₂，可以设计出不同中心频率的阵列式全向型S₀模态电磁声换能器；

5、磁集中器2放置在柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3上，磁集中器2的底面与柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3重合，使得磁场分布更加均匀，保证了换能器激励能量的周向一致性；

6、柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3，基于相长干涉原理，相邻两层间的线圈间距l₁等于设计的电磁声换能器理论中心频率对应的S₀模态的半波长λ/2，换能器满足相长干涉的原理，从而提高了换能器所激励信号的幅值；

7、换能器具有较好的全向性和较好的频率响应特性。

附图说明

图1全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器分解示意图；

图2铷铁硼磁铁示意图；

图3磁集中器示意图：a)为磁集中器的主视图，b)为磁集中器的俯视图；

图4柔性电路板中圆形阵列式回折线圈示意图：a)为线圈上层，b)为线圈下层；

图5a)和b)分别为1mm厚铝板的超声导波群速度与相速度频散曲线；

图6全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器实验***示意图；

图7传统电磁声换能器实验***示意图；

图8传统电磁声换能器在激励频率为541kHz时的接收信号；

图9全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器在激励频率为541kHz时的接收信号；

图10全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的频率特性；

图11全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器全向性测试实验的换能器布置示意图；

图12全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器在不同角度检测到的S₀模态幅值归一化；

图13缺陷检测实验示意图；

图14用传统电磁声换能器进行缺陷检测时接收到的信号；

图15用全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器进行缺陷检测时接收到的信号；

图中：1、钕铁硼磁铁，2、磁集中器，3、柔性电路板中的多簇圆形回折线圈，4、高能脉冲激励接收装置RPR4000，5、数字示波器，6、激励端阻抗匹配模块，7、接收端阻抗匹配模块，8、全向型磁集中器式兰姆波电磁声激励换能器，9、全向型磁集中器式兰姆波电磁声接收换能器，10、铝板，11、传统电磁声激励换能器，12、传统电磁声接收换能器。

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。

基于洛伦兹力效应，设计了一种全向型磁集中器式电磁声换能器，利用该换能器在铝板上激励出模态单一周向一致的S₀模态导波。

全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器结构示意图如图1所示，包括钕铁硼磁铁1、磁集中器2、柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3。检测对象为铝板，规格为1000×1000×1(单位：mm)。图5为上述铝板的超声导波群速度和相速度频散曲线。当波长λ确定时，可以唯一确定产生的S₀模态兰姆波的频率。使钕铁硼磁铁1与磁集中器2的圆柱形底面吸合并完全重合，磁集中器2的底面与柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3重合。

所述的钕铁硼磁体1如图2所示，圆柱形磁体底面直径d₁为41.5mm，高h₁为20mm。

所述的磁集中器2如图3所示，a)为磁集中器的主视图，b)为磁集中器的俯视图；磁集中器2的上部分为圆柱体，底面直径d₂为41.5mm，高h₂为4.5mm，下部分由4个同心圆环柱构成，圆环柱h₃高5mm，最内侧圆环的内径d₃与外径d₄分别为7mm、11.5mm，相邻两个圆环内径之差均相等为10mm，每个圆环的外径与内径之差也均相等为4.5mm。

所述的柔性电路板中的多簇圆形回折线圈3如图4所示，导线宽度为0.2mm，采用圆形回折布线方式，双层布线，每层四个共八个圆形回折线圈。每个圆形回折线圈都由多簇线圈组成，为了使全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器所激励出的S₀模态满足相长干涉，相邻两簇圆形回折线圈的中心距设计为波长的一半，相邻两簇圆形回折线圈的中心距设计为5mm，即产生的信号的波长为10mm，根据1mm铝板的频散曲线可得理论中心频率也就是激励频率为541kHz，因此圆形回折线圈的半径依次为7mm、17mm、27mm、37mm。每个圆形回折线圈之间通过导线进行连接。

实验***如图6所示，包括高能脉冲激励接收装置RPR40004，数字示波器5，激励端阻抗匹配模块6，接收端阻抗匹配模块7，激励换能器8，接收换能器9，铝板10。RPR40004能够产生高能激励信号，数字示波器5用于信号的观测和存储；阻抗匹配模块6、7的作用是使换能器线圈获取最大能量，提高换能器换能效率。

1)模态单一性测试

根据选用的参数波长λ，确定全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器结构，设计出全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的理论中心频率f_c为541kHz。图7为传统电磁声换能器实验***示意图，采用传统的电磁超声换能器，采用一激一收的方式实验。图6是全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器实验***示意图，磁集中器2与钕铁硼磁铁相吸合，按照要求放置于回折线圈3上，采用一激一收的方式实验。两套实验***中，除换能器不一样外，其他条件均一致。实验中激励信号为汉宁窗调制的五周期正弦波，激励频率为541kHz，激励换能器距离接收换能器200mm，激励换能器距离铝板左端面330mm，接收换能器距离铝板右端面470mm，激励与接收换能器距离铝板后端面300mm。实验结果如图8和9所示，图8和9分别为传统电磁声换能器和全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器所接收到的信号，图8中可以分辨5个回波波包，波包13为换能器激励时产生的串扰信号，与激励信号的时间几乎一致；波包14、15预测为直达波信号，波包16、17左端面反射回波，前端面反射回波。利用时间飞行法(TimeofFlight,ToF)，计算可得在图8中波包14的波速为5405m/s，与频率541kHz的S₀模态的理论群速度5365m/s十分接近，相对误差为0.7％，波包15的波速为2941m/s，与频率541kHz的A₀模态的理论群速度2959m/s十分接近，相对误差为0.6％。在图9中，可以分辨出4个明显的回波波包，18为换能器激励信号产生的串扰信号，由时间飞行法计算得可以确定图9中各个波包的模态，19为S₀模态直达波信号，20和21分别为左端面反射回波，前端面反射回波。

为了验证磁集中器对于换能器的模态单一性的改善，计算图8和9中A0模态幅值所占比重，经计算可得：传统电磁声换能器直达波中的A₀模态幅值占A₀模态与S₀模态总幅值的14％，全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器直达波中的A₀模态被很好地屏蔽。因此，由图8和9可以看出，加入磁集中器后可以很好地屏蔽不需要的A₀模态。

2)频率响应特性测试

为了测试全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的频率响应特性，观察其理论中心频率与实际中心频率的相对误差从而判定换能器的设计是否合理，对全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器进行了频率响应特性实验，实验***示意图如图6所示，频率响应特性结果如图10所示。

实验采用的激励信号为汉宁窗调制的五周期正弦信号，频率范围441-641kHz，步长10kHz。采集各个频率下的直达波幅值，并做归一化处理，频率响应特性实验结果见图10。在图10中，黑色圆圈为实验数据，即在各个频率下的直达波的归一化幅值，曲线为各个实验数据的一阶高斯拟合，由图10可以看出全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的实际中心频率为535kHz，与换能器的理论中心频率541kHz基本吻合，相对误差为1.1％。

3)全向性测试

为了验证全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的全向性是否良好从而判定换能器的设计是否合理，进行了全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的声场指向性实验研究，声场指向性实验的换能器布置示意图如图11所示，固定激励换能器，并以激励换能器所在位置为圆心，r₁为200mm的圆弧上摆放接收换能器，接收换能器的摆放规则为从0°到180°以5°为间隔分别摆放，激励信号为频率为541kHz的汉宁窗调制的五周期正弦信号，采集在各个摆放角度下的接收换能器的接收信号并做归一化处理，从而观察全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的声场指向性。

图12为全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器在不同角度检测到的S₀模态直达波的归一化幅值，由图12可以看出，换能器在各个角度的归一化幅值均在0.9到1.0之间，因此，所研制的全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器的全向性较好。该试验验证了设计的阵列式全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器可激励出沿360°方向传播的S₀模态导波。

4)缺陷检测测试

图13为缺陷检测实验装置示意图，其中激励信号为汉宁窗调制的五周期正弦信号，激励信号的频率为541kHz，激励换能器与接收换能器的中心距为220mm，激励换能器距离铝板左端面375mm，接收换能器距离缺陷105mm，缺陷距离铝板右端面300mm，缺陷、激励换能器和接收换能器均距铝板后端面300mm，缺陷尺寸为：长15mm，宽1.5mm，深1mm。实验结果如图14和图15所示。

传统电磁声换能器和全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器所接收到的信号如图14和15所示。在图14中，信号23为串扰信号。由时间飞行法可以算出24、25、26、27、28信号依次为：S₀模态直达波、缺陷反射回波、左端面反射回波、A₀模态缺陷反射回波和前端面反射回波。在图15中，29为串扰信号，根据时间飞行法可得30、31、32、33信号依次为S₀模态直达波、缺陷反射回波、左端面反射回波和前端面反射回波。值得注意的是，由于传统电磁声换能器的模态单一性较差，即存在部分的A₀模态，这部分A₀模态会使接收到的信号的复杂程度增加，不利于信号的分析以及缺陷的定位，因此图14中的信号与图15相比较为复杂，即存在A₀模态以及A₀模态的缺陷反射回波，另外，A₀模态的存在也会是缺陷信号分析困难，造成较大的缺陷定位误差，经计算可得：缺陷反射回波的理论到达时间为80μs，传统电磁声换能器缺陷反射回波的实际到达时间为65μs，相对误差为19％，全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器缺陷反射回波的实际到达时间为78μs，相对误差为1.3％。因此，加入磁集中器可以改善换能器所激励出的信号的模态单一性，从而减少缺陷信号的分析难度以及误差。

Claims

1.一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，包括铷铁硼磁铁(1)，磁集中器(2)，柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)；其特征在于：钕铁硼磁铁(1)为圆柱形永磁体；磁集中器(2)是由上部分的圆柱体和下部分四个圆环柱组成；磁集中器(2)的圆柱形顶面与钕铁硼磁铁(1)相吸，接触面重合；柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)置于磁集中器(2)的下端，磁集中器(2)的底面与柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)重合；柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)放置在铝板上，磁集中器(2)和钕铁硼磁铁(1)固定在回折线圈(3)正上方；

钕铁硼磁铁(1)在磁集中器(2)的引导和集中作用下，改变了靠近钕铁硼磁铁(1)两端的磁场方向，使得两端的磁场水平方向分量减少从而改善了换能器的模态单一性；

钕铁硼磁铁(1)的圆柱底面与磁集中器(2)的圆柱底面直径相等，两者相互吸合并完全重合，保证了圆柱形磁铁在各个方向产生的磁场一致，证实了传感器激励能量的周向一致性；

柔性电路板中扇形阵列式回折线圈(3)，采用双层布线方式，提高传感器的性能。

2.如权利要求1所述的一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)，每层由多簇线圈组成；相邻两圆形线圈簇的中心距为l₂等于设计的电磁声换能器理论中心频率对应的S₀模态的半波长λ/2；通过改变参数l₂，设计出不同中心频率的阵列式全向型S₀模态电磁声换能器。

3.如权利要求1所述的一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：磁集中器(2)放置在柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)上，磁集中器(2)的底面与柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)重合，使得磁场分布更加均匀，保证了传感器激励能量的周向一致性。

4.如权利要求1所述的一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的多簇圆形回折线圈(3)，基于相长干涉原理，相邻两层间的线圈间距l₁等于设计的电磁声换能器理论中心频率对应的S₀模态的半波长λ/2，换能器满足相长干涉的原理，从而提高换能器所激励信号的幅值。

5.如权利要求1所述的一种全向型磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：换能器具有全向性和频率响应特性。