一种全向型电磁铁式水平剪切模态电磁声传感器

摘要

本发明公开了一种全向型电磁铁式水平剪切模态电磁声传感器，属于超声无损检测领域。一种全向型电磁铁式水平剪切模态电磁声传感器，包括电磁铁、线圈、绕线底板和环形镍片；其特征在于：电磁铁是锰锌铁氧体，形状是吸盘式，在中心柱状部分缠绕励磁线圈，通电后的磁场方向为从中心向外径向分布；环形镍片置于环形绕线底板上表面，线圈穿过环形有机玻璃片上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片缠绕包裹起来；利用研制的全向型水平剪切模态电磁声传感器及其阵列结合成像算法可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。

说明书

技术领域

本发明为一种全向型电磁铁式水平剪切模态电磁声传感器，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SH

背景技术

金属板材结构被广泛的应用于航空航天、土木、机械等多个领域。在生产和使用过程中，金属板结构不可避免会产生损伤，大大降低材料的使用寿命。为了保证金属板结构使用的安全性，有必要对其进行无损检测。作为一种快速、高效的无损检测方法，超声导波技术已广泛应用于多种工程结构(如板、管和杆)的无损评价和健康检测。超声导波检测试验需要基于导波的频散、多模态和衰减等传播特性选择合适的检测模态和频率范围。由于最低阶水平剪切模态SH

目前，常用的激励超声导波的传感器主要有两种，一种是基于材料压电效应的压电传感器(Piezoeletric Transducer,PZT)，另一种是基于电磁耦合效应的电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)。压电传感器频率带宽较窄，容易激励出多个导波模态，且较难激励出SH模态导波；而20世纪60年代出现的EMAT不仅具有与被测试件非接触、无需耦合介质，可适用于高温高速检测的优点，而且其结构可设计性较强。EMAT主要包括线圈和磁铁两部分，通过改变线圈排布与偏置磁场方向，可以设计出激励不同模态导波的传感器。1999年，Hirotsugu Ogi等利用不等间距的蛇形线圈和永磁铁，设计了一种线聚焦SV波电磁超声换能器。2004年，S.H.Cho等设计制作了一种方向可调的磁致伸缩传感器，用于非铁磁性金属和非金属的监测。2005年，Paul D.Wilcox等利用永磁铁和盘状线圈设计了一种在非铁磁性波导中激励Lamb波电磁超声换能器，此换能器在轴向具有相同的指向性。2010年，焦敬品等基于磁致伸缩效应设计制作了一种SH

发明内容

本发明旨在设计一种全向型水平剪切模态电磁声传感器，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，利用这种全向型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。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

全向型水平剪切模态电磁声传感器，包括电磁铁1、线圈2、绕线底板3、环形镍片4；其特征在于：电磁铁1的材料是锰锌铁氧体，形状是吸盘式，在中心柱状部分缠绕励磁线圈，通电后的磁场方向为从中心向外径向分布；环形镍片4置于环形绕线底板3上表面，线圈2穿过环形有机玻璃片上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片缠绕包裹起来。

所述的全向型的水平剪切模态电磁声传感器，所述的电磁铁1形状为吸盘式，在中心柱状部分缠绕励磁线圈，通电后的磁场方向为从中心向外径向分布。通过吸盘式电磁铁1的独特结构，在镍片4周围产生方向沿径向辐射的偏置静磁场分量。通电线圈在镍片周围产生方向主要沿环形向分布的动磁场分量，则电磁铁产生的偏置静磁场和通电线圈产生动磁场都产生沿径向分布的磁场分量。

所述的线圈2，以环形有机玻璃片作为绕线底板3，环形有机玻璃片内圈边缘加工一圈等间距的圆弧槽，数目都为2n，圆孔和圆弧槽的分布沿径向一一对应，将分布在环形有机玻璃片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。具体单层线圈绕线方式如图5-3所示，环形镍片置于环形有机玻璃片上表面，线圈穿过环形有机玻璃片上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片缠绕包裹起来；每一单元的圆孔记为N

本发明可以获得如下有益效果：

1、所述的电磁铁1形状为吸盘式，在中心柱状部分缠绕励磁线圈，通电后的磁场方向为从中心向外径向分布。通过吸盘式电磁铁1的独特结构，在镍片4周围产生方向沿径向辐射的偏置静磁场分量；

2、线圈2采用独特的绕线方式：穿过环形有机玻璃片上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片缠绕包裹起来。在镍片周围产生方向主要沿环形向分布的动磁场分量；

3、为了提高通电线圈产生的动磁场能量，在镍片上绕制双匝线圈。

附图说明

图1为全向型电磁铁式换能器结构示意图；

图2为吸盘式电磁铁示意图；

图3为镍片上绕制单匝线圈的示意图；

图4镍片上绕制双匝线圈的示意图；

图5为1mm厚钢板的超声导波群速度与相速度频散曲线；a)为相速度，b)为群速度。

图6为实验系统；

图7为全向型水平剪切模态电磁声传感器在钢板中的接收信号；

图8为全向型水平剪切模态电磁声传感器的频率特性；

图9为全向性验证实验布置示意图；

图10为全向型水平剪切模态电磁声传感器在不同角度检测到SH

图中：1、电磁铁，2、线圈，3、绕线底板，4、镍片，5、任意函数发生器，6、高能脉冲激励接收装置RPR5000，7、功率放大器，8、前置放大器，9、数字示波器，10、接收端阻抗匹配模块，11、激励换能器，12、接收换能，13、钢板。

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。

基于磁致伸缩机理，设计了一种全向型电磁铁式水平剪切模态电磁声传感器，利用该传感器在钢板上激励出模态单一周向一致的SH

全向型水平剪切模态电磁声传感器结构示意图如图1所示，包括电磁铁1、线圈2、绕线底板3、环形镍片4。检测对象为钢板，规格为1000×1000×1(单位：mm)。图5为上述钢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水平剪切波的频率。将锰锌铁氧体电磁铁1的中心柱状部分缠绕励磁线圈，通电后的磁场方向为从中心向外径向分布；环形镍片4置于环形绕线底板3上表面，线圈2穿过环形有机玻璃片上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片缠绕包裹起来。

所述的电磁铁1形状为吸盘式，在中心柱状部分缠绕励磁线圈，通电后的磁场方向为从中心向外径向分布。通过吸盘式电磁铁1的独特结构，在镍片4周围产生方向沿径向辐射的偏置静磁场分量。通电线圈在镍片周围产生方向主要沿环形向分布的动磁场分量，则电磁铁产生的偏置静磁场和通电线圈产生动磁场都产生沿径向分布的磁场分量。

所述的线圈2，以环形有机玻璃片作为绕线底板3，环形有机玻璃片内圈边缘加工一圈等间距的圆弧槽，数目都为2n，圆孔和圆弧槽的分布沿径向一一对应，将分布在环形有机玻璃片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。具体单层线圈绕线方式如图5-3所示，环形镍片置于环形有机玻璃片上表面，线圈穿过环形有机玻璃片上不同单元的圆孔和圆弧槽，将环形镍片缠绕包裹起来；每一单元的圆孔记为N

为了使圆环形镍片尽可能地贴合待测板，选择镍片厚度为0.1mm。圆环形镍片内外径大小与双匝OSH-EMAT的理论中心频率有关，圆环形镍片内半径r

式中v

λ——传感器理论中心频率对应SH

设计圆环形镍片外半径r

1)频率特性测试

根据选用的参数波长λ，确定全向型水平剪切模态电磁声传感器结构，设计出全向型水平剪切模态电磁声传感器的理论中心频率f

为了测试研制的全向型电磁铁式SH

2)全向性测试

为了测试设计的全向型电磁铁式SH

图10为全向型电磁铁式水平剪切模态电磁声传感器在不同角度检测到的SH