一种产生SH0导波的周期电磁铁阵列电磁声换能器

摘要

本发明公开了一种产生SH0模态导波的周期电磁铁阵列电磁声换能器，属于超声无损检测领域。该传感器由柔性电路板、电磁铁阵列、传感器壳体及塑料垫片四部分组成。柔性电路板为集成于柔性电路板上的跑道型线圈串联组成。电磁铁由工字型磁轭及漆包线绕制的螺线管线圈组成。电磁铁以其螺线管线圈中的电流方向反向交错式阵列排布。基于洛伦兹力效应，可在板中实现SH0模态导波的激励。该传感器的频率与相邻两电磁铁中心线的距离相关，通过改变阵列排布间隔可以实现SH0模态导波的频率控制，实现板结构的无损检测。

说明书

技术领域

本发明设计一种产生SH

背景技术

由金属原材料经过铸造、锻造或轧制而成的金属板材被广泛应用于汽车船舶制造、建筑工程及航空航天领域。如汽车引擎壳体、高铁车体与车内承载件及飞机蒙皮等，均需要大量的金属板材，尤其以不锈钢与铝合金板材应用最为广泛。然而，金属板材在生产加工、运输、使用等过程中不可避免的会产生裂纹、穿孔、腐蚀等不同种类的缺陷，严重威胁到制件的安全，可能会造成重大经济损失与人员伤亡。因此，对金属板材结构进行无损检测具有重要意义。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明设计了一种可用于金属薄板缺陷无损检测用的周期电磁铁阵列传感器，本发明所设计的传感器为电磁超声换能器，能实现非接触，无需耦合剂等功能。

该传感器在金属板材结构表面放置，通过电磁超声洛伦兹力原理，直接在板材内部激励SH

本发明的技术方案是：一种产生SH

电磁铁阵列由多个电磁铁(3)并列组成，电磁铁(3)由工型磁轭(5)和密绕线圈(6)组成，密绕线圈(6)密绕在工型磁轭(5)上；电磁铁阵列卡入电磁铁卡槽(7)中；跑道型线圈(9)印刷在FPC柔性电路板(2)上，FPC柔性电路板(2)插入FPC柔性电路板卡槽(8)中；塑料垫片(4)卡在电磁铁卡槽(7)起到控制电磁铁(3)间距的作用。板材缺陷(11)为金属板材(10)上的结构，跑道型线圈(9)正对板材缺陷(11)。

上述方案中，所述跑道型线圈(9)为每层n匝，m层串联组成，直线部分长度为Lmm，宽度为Dmm，线之间的间距为Gmm，线宽为Kmm，采用印刷柔性电路板FPC方式制作。

上述方案中，所述密绕线圈(6)为h毫米粗细的铜制漆包线绕制。

上述方案中，所述电磁铁(3)由密绕线圈(6)密绕p匝在工型磁轭(5)上组成，电磁铁磁场方向为密绕线圈(6)绕制方向，即水平方向。

上述方案中，由六块电磁铁(3)顺次并列排布，组成如图1所示结构，相邻电磁铁的绕制方向相反，每块电磁铁的磁场方向成周期交错排列，每块电磁铁的长度等于跑道线圈的总宽度。

上述方案中，所述塑料垫片(4)为塑料制成的厚度xmm的薄片，共q片。其宽度等同于电磁铁(3)的宽度，其高度略高于电磁铁(3)的高度。其起到的作用是，通过调节塑料垫片的位置可以改变相邻电磁铁的距离，从而改变所激励SH

上述方案中，所述金属板材(10)为薄铝板或薄钢板，薄铝板为非铁磁性材料，导电性良好；薄钢板为铁磁性材料，导磁性良好。

上述方案中，所述板材缺陷(11)为实验室环境下人工制备，其长度小于板材长度的1％，宽度小于板材宽度的0.1％。

上述方案中，所述一种产生SH

S1、将印刷柔性电路板跑道型线圈沿长度方向插入FPC柔性电路板卡槽(8)中，以跑道型线圈直线区域处于电磁铁卡槽(7)的正下方。

S2、将电磁铁(3)以相邻电磁铁绕制方向相反交错排列后插入电磁铁卡槽(7)中形成图1所示结构，使电磁铁阵列左右两腿磁极覆盖跑道型线圈的直线区域，且电磁铁阵列的中心线与跑道型线圈的中心线对齐。

S3、将该传感器以一激一收或自激自收形式放在金属板材(10)表面，并通过调节塑料垫片的位置对传感器的中心频率进行控制。

S4、将直流电或脉冲方波电流加载到电磁铁的密绕线圈以使电磁铁形成相邻磁场方向相反、呈交错排布的永磁场或脉冲磁场。

S5、用汉宁窗调制的正弦信号加载到激励端的跑道线圈中，若电磁铁为直流加载，则直接将调制正弦信号加载到跑道线圈上；若电磁铁为脉冲方波加载，则需要令脉冲方波的高电平持续时间等于汉宁窗调制正弦信号的周期，且二者同时触发。此时传感器通过洛伦兹力机理可以在板中产生SH

S6、通过示波器或采集卡对自激自收传感器或采用一激一收形式的接收传感器中的回波信号进行采集。此时，如果板材中没有缺陷，则回波信号为SH

S7、若回波信号中存在缺陷回波信号，则可通过首先调整塑料垫片位置调节SH

本发明的一种产生SH

1、本发明设计的传感器可以直接在板材中产生SH

2、本发明设计的传感器为电磁声换能器，具有无需耦合剂，可以进行非接触检测的特点。较之传统的压电检测手段，具有操作简单，节约经济与时间成本的优势之处。

3、本发明设计的传感器跑道线圈由四层跑道线圈串联，提高了线圈中的电流密度。且由于跑道线圈为印刷柔性电路板制作，虽然为4层线圈，但其厚度仅为0.18mm，提高了在套管内壁集肤深度内的电涡流密度。电涡流密度的提高增强了洛伦兹力，因此，该线圈的设计较于传统的单层线圈电磁超声传感器而言提高了换能效率。

4、本发明设计的传感器采用电磁铁作为感应磁场的提供者，较之传统的永磁铁电磁超声传感器而言，本传感器检测铁磁性材料制成的板材时，避免了永磁铁吸附在板材上无法取下或是取下紧紧吸附板材的永磁铁时对板材产生划痕的情况出现。具有检测方便，耗时低，降低检测人员被磁铁夹伤风险等优点。

5、本发明设计的传感器采用电磁铁作为感应磁场的提供者，较之传统的永磁铁电磁超声传感器而言，在野外进行检测时，传统永磁铁电磁声传感器易吸附大量铁屑，不易清理且易影响检测结果。采用电磁铁可以有效避免这种情况的发生，同时SH

6、本发明设计的传感器中的电磁铁采用阵列结构，较之单一电磁铁激励SH

7、本发明设计的传感器激励频率只与电磁铁间的间隔有关，通过改变塑料垫片的位置可以改变激励频率，无需更换线圈，具有结构简单便于更改频率的优点。

附图说明

图1周期阵列电磁铁传感器整体结构简图；

图2工型磁轭及其绕制成电磁铁的结构图；

图3传感器壳体结构简图；

图4跑道型线圈示意图

图5金属板材及缺陷示意图

图6周期电磁铁阵列传感器检测系统图

图7金属板材SH

图中：1、传感器壳体 2、FPC柔性电路板 3、电磁铁 4、塑料垫片 5、工型磁轭 6、密绕线圈 7、电磁铁卡槽 8、FPC柔性电路板卡槽 9、跑道型线圈 10、金属板材 11、板材缺陷12、RPR4000 13、接收阻抗匹配网络 14、激励阻抗匹配网络 15、电磁铁偏置磁场Bs 16、激励传感器 17、线圈感应涡流Je 18、函数发生器 19、示波器 20、功率放大器 21、SH

具体实施例

下面结合附图对本发明作进一步的说明，所举实例仅为该发明的某一特定尺寸与特点实验。

图1所示为周期阵列电磁铁传感器整体结构简图，主要由跑道线圈、电磁铁阵列、传感器壳体及塑料垫片四部分组成。柔性电路板为集成于柔性电路板上的跑道型线圈串联组成。电磁铁由工字型磁轭及漆包线绕制的螺线管线圈组成。电磁铁以其螺线管线圈中的电流方向反向交错式阵列排布。将柔性电路板中的跑道型线圈放置于待测板型试件表面，将阵列排布的电磁铁放置于跑道型线圈上方。基于洛伦兹力效应，在板中实现SH

本例中，图4所示跑道型线圈(9)每层20匝，共4层串联组成。其直线部分长度为70mm，左右两侧直线跑道宽度均为5mm，等于电磁铁左右两腿宽度。线之间的间距为0.25mm，线宽0.15mm。

本例中，图6所示意金属板材为尺寸为1000*10000*1mm薄铝板。

本例中，图6所示意电磁铁磁轭材料为工业纯铁、绕线材料为0.4mm铜制漆包线，绕线匝数为125匝。

相邻电磁铁绕线方向相反成周期交错排布的电磁铁提供垂直于铝板的交错脉冲偏置磁场Bs(15)，跑道型线圈在铝板表面集肤深度内产生感应涡流Je(17)，感应涡流受到脉冲偏置磁场的作用产生沿洛伦兹力F(23)，从而在铝板中激发出振动方向与传播方向垂直的SH

将激励传感器(16)通过激励阻抗匹配网络(14)进行阻抗匹配后与RPR4000(12)的输出端相连，将接收传感器(22)通过接收阻抗匹配网络(13)进行阻抗匹配后与RPR4000的输入端相连。在将RPR4000的两个监视器分别连接示波器(19)以接收信号。将函数发生器(18)分别连接RPR4000的外部触发与功率放大器(20)的输入端。将功率放大器的输出端连接至激励与接收传感器的电磁铁线圈上。函数发生器激励占空比为20％的脉冲方波从而控制电磁铁励磁与跑道型线圈触发同时开始，此时方波的高电平持续时间，等于汉宁窗的周期。由RPR4000激励频率为155KHz的五周期汉宁窗调制的正弦信号，此时示波器上能接收到激励传感器产生的SH

图7为在无缺陷薄铝板中的SH