基于一發(fā)一收法的全向性Lamb 波單體磁致伸縮傳感器的制造方法
【專利摘要】基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，屬于超聲導(dǎo)波無損檢測領(lǐng)域。該傳感器包括圓柱狀銣鐵硼磁鐵、圓形鎳片、印刷四層線圈的FPC，將設(shè)計的傳感器中圓形鎳片粘貼在待測板結(jié)構(gòu)表面，印刷四層的FPC線圈和圓柱狀銣鐵硼磁鐵依次置于圓形鎳片正上方。印刷四層的FPC線圈的其中兩層線圈用于激勵信號，另外兩層用于接收信號，具體實(shí)施中，通過設(shè)計的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器在非鐵磁性材料鋁板中有效激勵和接收低階的對稱Lamb波S0模態(tài)，減少了板結(jié)構(gòu)檢測時使用傳感器的數(shù)量以及安裝工序，使檢測信號簡單明了、便于分析，降低了檢測成本。
【專利說明】基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，屬于超聲無損檢測領(lǐng)域，可在板結(jié)構(gòu)中激勵和接收全向性Lamb波。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電磁超聲技術(shù)諸多優(yōu)勢的日益彰顯，該技術(shù)已成為國內(nèi)的一個研究熱點(diǎn)，電磁聲傳感器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)作為該技術(shù)核心裝置，利用電磁耦合機(jī)理產(chǎn)生超聲波，因?yàn)闊o需與被測物接觸，EMAT將傳統(tǒng)的超聲無損檢測技術(shù)擴(kuò)展到了高溫、高速和在線檢測中。EMAT的結(jié)構(gòu)主要由包括線圈和磁鐵組成，具有非接觸、無需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)可設(shè)計性很高，改變線圈和磁鐵的組合形式，可以激發(fā)多種類型且模態(tài)單一的超聲導(dǎo)波，如Lamb波、表面波和SH波等。
[0003]EMAT的工作機(jī)制有兩種，一種是基于洛倫茲力，當(dāng)載有交變激勵電流的線圈靠近被測金屬表面時，將在金屬內(nèi)感應(yīng)出潤流，若此時存在一個偏置靜磁場，由于洛倫茲機(jī)制將在金屬中產(chǎn)生交變的作用力，這種變化的力將激發(fā)出超聲波，如基于洛倫茲力機(jī)制的全向性Lamb波傳感器；另一種是基于磁致伸縮效應(yīng)，僅適用鐵磁質(zhì)或磁性材料的檢測，利用載有交變激勵電流的線圈產(chǎn)生動磁場與偏置靜磁場共同作用產(chǎn)生磁致伸縮力，使鐵磁性材料體積發(fā)生變化,弓I起材料內(nèi)部的振動，并最終以超聲波形式將振動向外傳播,而且，同一個EMAT為一個可逆?zhèn)鞲衅?，可用來接收超聲波。若檢測對象為非、弱鐵磁性材料結(jié)構(gòu)時，可將磁致伸縮常數(shù)較高鐵磁性材料薄片作為載體，粘接或者固定在檢測結(jié)構(gòu)表面，鐵磁性材料薄片由于磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的變形和振動傳遞給待測結(jié)構(gòu)，不僅可以有效的激勵出超聲導(dǎo)波，還可以極大提高接收信號的能量及信噪比。
[0004]本發(fā)明旨在設(shè)計一種基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，基于磁致伸縮機(jī)制，采用鐵磁性材料薄片作為載體，產(chǎn)生全向性的超聲Lamb波，其性能要優(yōu)于窄帶和無指向性的傳感器，將激勵線圈和接收線圈印刷在柔性電路板(FlexiblePrinted Circuit, FPC)上,柔性線圈的安裝可以根據(jù)檢測對象表面形狀做出調(diào)整。采用基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，能有效提高檢測信號的能量，減少了傳感器數(shù)量，使得檢測信號簡單，易于分析，為利用這種基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器及其陣列來實(shí)現(xiàn)對板結(jié)構(gòu)無參考的大范圍、高效率的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和無損評價奠定了基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下設(shè)計方案:
[0006]基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，包括圓柱狀銣鐵硼磁鐵1，圓形鎳片2和FPC線圈3。特征在于:所述的圓柱狀銣鐵硼磁鐵1，圓形鎳片2和FPC線圈3，三者形心在垂直方向上重合，F(xiàn)PC線圈3置于圓形鎳片2上表面，圓柱狀銣鐵硼磁鐵I置于距離FPC線圈3正上方一定高度。[0007]所述的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，其特征在于:采用柔性的電路板來印刷FPC線圈3，所印刷的FPC線圈3共有4層，每一層呈環(huán)形的螺旋型布線，F(xiàn)PC線圈3使用兩根獨(dú)立的導(dǎo)線繞制而成，F(xiàn)PC線圈3中上面兩層線圈纏繞方式為:將導(dǎo)線從外圈繞到內(nèi)圈，經(jīng)過中心的小孔再由內(nèi)圈沿著同一個旋轉(zhuǎn)方向繞到外圈，形成一個螺旋纏繞的雙層線圈。FPC線圈3中下面兩層線圈纏繞方式與上面兩層線圈的纏繞方式相同。FPC線圈3中上面兩層線圈與下面兩層線圈之間相互絕緣，而且一個作為激勵線圈來激勵信號，另外一個作為接收線圈來接收信號。
[0008]所述的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器,其特征在于:圓柱狀銣鐵硼磁鐵I提離距離即圓柱狀銣鐵硼磁鐵I的底面到FPC線圈3表面的距離范圍為5mm_I5mmο
[0009]本發(fā)明通過環(huán)氧樹脂膠將圓形鎳片2粘接在板結(jié)構(gòu)表面，F(xiàn)PC線圈3、圓柱狀銣鐵硼磁鐵I依次置于其上，保證圓柱狀銣鐵硼磁鐵1，圓形鎳片2和FPC線圈3三者形心在垂直方向上重合。將圓柱狀銣鐵硼磁鐵I提離FPC線圈3 —定距離，在圓形鎳片2周圍產(chǎn)生方向主要沿徑向輻射的偏置靜磁場分量；當(dāng)FPC線圈3中激勵線圈上通有交變電流，則圓形鎳片2周圍產(chǎn)生方向主要沿徑向分布的動磁場分量，則圓柱狀銣鐵硼磁鐵2產(chǎn)生的偏置靜磁場和通電線圈產(chǎn)生動磁場都產(chǎn)生沿徑向分布的磁場分量，基于磁致伸縮效應(yīng)，鐵磁性材料圓形鎳片2產(chǎn)生拉伸變形，帶動板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和振動，從而在板結(jié)構(gòu)中激勵出全向性的Lamb波?；谀娲胖律炜s效應(yīng),傳播的Lamb波會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生變形引起磁通密度變化，由于法拉第電磁感應(yīng)定理，這種變化的磁通密度使FPC線圈3中接收線圈感應(yīng)到一個電場，從而該線圈接收到經(jīng)過端面或者缺陷發(fā)射的Lamb波信號。
[0010]本發(fā)明取得如下有益效果:
[0011]1、利用圓柱狀銣鐵硼磁鐵I提離一定距離，產(chǎn)生一個輻射狀的偏置靜磁場；
[0012]2、采用柔性的FPC來印刷線圈，使得線圈排布整齊一致，使產(chǎn)生的動磁場更加均勻，印刷四層的FPC線圈3厚度卻不超過0.5mm,能減小線圈提離距離，一定程度上能提高信號能量。而且FPC線圈3具有柔性的特征，便于在待測結(jié)構(gòu)上布置。
[0013]3、以FPC線圈3的上面兩層線圈與下面兩層線圈中其中一個作為激勵線圈，另外一個作為接收線圈，形成單體傳感器，減少了傳感器數(shù)量，安裝工序，使得檢測信號簡單明了，易于分析。
[0014]4、改變圓形鎳片的直徑，可以調(diào)整基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器的中心頻率；
[0015]5、利用粘接在板結(jié)構(gòu)表面鎳片的磁致伸縮效應(yīng)，基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器可以在不同材料屬性的板結(jié)構(gòu)中激勵出全向性Lamb波。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2試驗(yàn)系統(tǒng)；
[0018]圖3基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器在鋁板上布置示意圖；
[0019]圖4激勵頻率從250kHz增加到450kHz時(步長為50kHz)接收信號；[0020]圖51mm厚鋁板超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線，圓點(diǎn)為試驗(yàn)測得的波速值；
[0021]圖6激勵頻率為350kHz時的接收信號。
[0022]圖中:1、圓柱狀銣鐵硼磁鐵，2、圓形鎳片，3、FPC線圈，4、高能超聲激勵接收裝置RAM5000，5、計算機(jī)，6、示波器，7、能量衰減模塊，8、前置放大模塊，9、激勵端阻抗匹配模塊，
10、接收端阻抗匹配模塊，11、基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，12、鋁板。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0024]基于磁致伸縮效應(yīng)，設(shè)計了基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，利用該傳感器在板結(jié)構(gòu)上激勵和接收到全向性Lamb波。
[0025]基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:包括圓柱狀銣鐵硼磁鐵1，圓形鎳片2和FPC線圈3。特征在于:所述的圓柱狀銣鐵硼磁鐵1，圓形鎳片2和FPC線圈3，三者形心在垂直方向上重合，F(xiàn)PC線圈3置于圓形鎳片2上表面，圓柱狀銣鐵硼磁鐵I置于距離FPC線圈3正上方一定高度。
[0026]所述的FPC線圈3見如圖1，采用柔性的電路板來印刷FPC線圈3，所印刷的FPC線圈3共有4層，每一層呈環(huán)形的螺旋型布線，F(xiàn)PC線圈3使用兩根獨(dú)立的導(dǎo)線繞制而成，F(xiàn)PC線圈3中上面兩層線圈纏繞方式為:將導(dǎo)線從外圈繞到內(nèi)圈，經(jīng)過中心的小孔再由內(nèi)圈沿著同一個旋轉(zhuǎn)方向繞到外圈，形成一個螺旋纏繞的雙層線圈。FPC線圈3中下面兩層線圈纏繞方式與上面兩層線圈的纏繞方式相同。FPC線圈3中上面兩層線圈與下面兩層線圈之間相互絕緣，本實(shí)例選用上面兩層線圈作為激勵線圈來激勵信號，下面兩層線圈作為接收
線圈來接收信號。印刷線圈外徑D為24mm,線圈內(nèi)徑y(tǒng)為12mm,印刷線寬為0.2mm,線間距
為0.2臟。
[0027]所述的伽鐵砸圓柱磁鐵I見圖1，磁鐵尺寸為直徑X厚度=14X5(單位:mm),通過控制提離距離，提供輻射狀偏置靜磁場，本實(shí)例選用銣鐵硼圓柱磁鐵I的提離距離為Ilmm0
[0028]所述的圓形鎳片2，見圖1，需粘貼在板結(jié)構(gòu)表面，本實(shí)例選用鎳片厚度為0.1mm。本實(shí)例選用鎳片外徑尺寸D = 24_。
[0029]試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，包括高能超聲激勵接收裝置RAM50004，計算機(jī)5，示波器6，能量衰減模塊7，前置放大模塊8，阻抗匹配模塊9和10，基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11，檢測對象鋁板12。計算機(jī)5用來控制RAM50004的運(yùn)行，來產(chǎn)生高能激勵信號，示波器6用于信號的觀測和存儲，同時配置能量衰減模塊7控制高能輸出信號的能量，前置放大模塊8用來放大檢測到的微弱信號，在設(shè)計的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11的激勵端和接收端前分別添加了阻抗匹配模塊9和10，可以減少激勵信號傳輸中的無功分量，提高接收信號信噪比，基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11用于激勵和接收超聲導(dǎo)波的，檢測對象鋁板12的規(guī)格為長X寬X厚=1000X 1000X I (單位:mm)，材質(zhì)為純鋁，密度為2700kg/m3，泊松比為0.3。基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11在鋁板12上布置示意圖如圖3所示，以鋁板12左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11在鋁板12上坐標(biāo)值為(305，395)。
[0030]根據(jù)選用的參數(shù)，確定基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11，采用如圖2所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，首先通過環(huán)氧樹脂膠將圓形鎳片2粘接在鋁板表面，將印刷四層的FPC線圈3和銣鐵硼圓柱磁鐵I依次置于其上，選擇激勵信號為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5個周期正弦波，激勵頻率從250kHz增加到450kHz時(步長為50kHz)接收信號如圖4所示，不同激勵頻率下波形中的第一個波包為射頻信號，與激勵信號觸發(fā)時間幾乎一致，第二個波包為首次端面回波，即距離傳感器305mm的最近的左端面的反射回波。多次測試結(jié)果表明，使用射頻信號包絡(luò)中間位置時間點(diǎn)作為信號起始時間，使得計算的結(jié)果跟加準(zhǔn)確。本次試驗(yàn)條件下，傳感器從激勵出超聲導(dǎo)波到首次接收到鋁板左端面反射回波的傳播路程為305X2=710_，結(jié)合不同頻率點(diǎn)接收信號中從射頻信號包絡(luò)中間位置時間點(diǎn)到鋁板左端面反射回波時間點(diǎn)的時間長，基于時間飛行法(Time of Flight，ToF)，得到不同頻率下所產(chǎn)生模態(tài)的波速，則從250kHz到450Hz步長為50kHz，對應(yīng)波速依次為5333m/s，5330m/s，5310m/s，5275m/s，5267m/s。圖5為檢測對象即Imm厚鋁板12超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線，圓點(diǎn)為試驗(yàn)測得的波速值；可以看出所研制的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11能有效激勵和接收Lamb波Stl模態(tài)。
[0031]圖6為所研制的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11在激勵頻率為350kHz時的接收信號。射頻信號包絡(luò)波峰時間50 μ s作為起始點(diǎn)位置，根據(jù)上述利用第2個波包(鋁板左端面反射回波)計算得到激勵頻率在350kHz時Stl模態(tài)實(shí)際波速5310m/s，來反推后續(xù)依次位于197μ s、275y s、306y s的第3、4、5個波包的傳播路程分別為781mm、1195mm和1359mm。與實(shí)際產(chǎn)生的波到下端面、上端面、右端面?zhèn)鞑ヂ烦?90mm、1210mm和1390mm相比，相對誤差分別為1.1%U.2%和2.2%，可以確定第3、4、5個波包依次為鋁板下端面的反射回波，上端面的反射回波和右端面的反射回波，進(jìn)一步驗(yàn)證了所研制的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器11能產(chǎn)生Stl模態(tài)，而且只有單一的Stl模態(tài)產(chǎn)生。由于傳感器結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對稱，而且從圖6可以看出所研制的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器能有效的接收到鋁板4個不同的端面反射回波，驗(yàn)證了研制的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器能激勵出全向性的Lamb波Stl模態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器，包括圓柱狀銣鐵硼磁鐵(I)，圓形鎳片(2)和FPC線圈(3);特征在于:所述的圓柱狀銣鐵硼磁鐵(I)，圓形鎳片(2)和FPC線圈(3)，三者形心在垂直方向上重合，F(xiàn)PC線圈(3)置于圓形鎳片(2)上表面，圓柱狀銣鐵硼磁鐵(I)置于距離FPC線圈(3)正上方一定高度。
2.如權(quán)利要求1所述的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器,其特征在于:采用柔性的電路板來印刷FPC線圈(3)，所印刷的FPC線圈(3)共有4層，每一層呈環(huán)形的螺旋型布線，F(xiàn)PC線圈(3)使用兩根獨(dú)立的導(dǎo)線繞制而成，F(xiàn)PC線圈(3)中上面兩層線圈纏繞方式為:將導(dǎo)線從外圈繞到內(nèi)圈，經(jīng)過中心的小孔再由內(nèi)圈沿著同一個旋轉(zhuǎn)方向繞到外圈，形成一個螺旋纏繞的雙層線圈。FPC線圈(3)中下面兩層線圈纏繞方式與上面兩層線圈的纏繞方式相同；FPC線圈(3)中上面兩層線圈與下面兩層線圈之間相互絕緣，而且一個作為激勵線圈來激勵信號，另外一個作為接收線圈來接收信號。
3.如權(quán)利要求1所述的基于一發(fā)一收法的全向性Lamb波單體磁致伸縮傳感器,其特征在于:圓柱狀銣鐵硼磁鐵(I)提離距離即圓柱狀銣鐵硼磁鐵(I)的底面到FPC線圈(3)表面的距離范圍為5mm-15mm。
【文檔編號】G01N29/34GK104028445SQ201410259676
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】劉增華, 樊軍偉, 胡亞男, 何存富, 吳斌 申請人:北京工業(yè)大學(xué)