一種水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器；所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有磁致伸縮傳感器換能效率低，激勵的信號幅值小、模態(tài)單一性差的問題。采取的技術(shù)方案是：包括由非鐵磁性材料制成的待測量板；還包括雙層線圈、兩塊磁鐵和鎳帶；鎳帶固定設(shè)置在待測量板上；雙層線圈設(shè)置在鎳帶上，且與鎳帶緊密接觸；兩塊磁鐵固定設(shè)置在待測量板上，兩塊磁鐵分別位于鎳帶的相對應(yīng)兩側(cè)，且與鎳帶緊密接觸；兩塊磁鐵相對的兩個面上的磁極相反。優(yōu)點：本實用新型的傳感器換能效率和信噪比高，激勵的信號幅值更大、能量集中性更好、模態(tài)更加單一。
【專利說明】一種水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種傳感器，具體的說是一種水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器，可 在板結(jié)構(gòu)中激勵出單一的s%模態(tài)導(dǎo)波；屬于超聲無損檢測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 超聲導(dǎo)波技術(shù)是一種新興的無損檢測新技術(shù)，其具有檢測范圍大、效率高、衰減小 等優(yōu)點，對于結(jié)構(gòu)表面缺陷和內(nèi)部缺陷都相當(dāng)敏感，可實現(xiàn)板、殼、管道、桿等結(jié)構(gòu)的有效檢 測，近年來受到人們的廣泛關(guān)注。水平剪切（Shear Horizontal, SH)波是超聲導(dǎo)波類型之 一。由于超聲導(dǎo)波的傳播特性（如頻散、多模態(tài)和衰減等）直接關(guān)系其檢測效果。基于導(dǎo) 波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性，選擇合適的檢測模態(tài)和頻率范圍相當(dāng)重要。由于最低階水平剪切 模態(tài)SHo在板結(jié)構(gòu)中傳播過程中的非頻散特性，使得S&模態(tài)對板結(jié)構(gòu)無損檢測具有一定優(yōu) 勢。
[0003] 目前，常用的激勵超聲導(dǎo)波主要兩種方式，一種方式是基于材料壓電效應(yīng)的壓電 傳感器。壓電傳感器在激勵接收超聲波時，通過耦合劑與被測件接觸，而且往往需要對試件 表面進(jìn)行預(yù)處理，因此檢測效率較低；而且壓電傳感器頻率帶寬相對較窄，容易激勵出多個 導(dǎo)波模態(tài)，在缺陷信息提取上有一定難度。另一種方式是基于電磁耦合機(jī)理的電磁聲傳感 器（Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)，無需接觸和使用稱合劑，可直接在導(dǎo) 體或鐵磁性材料中激勵接收超聲波，具有與被測試件非接觸、無需耦合介質(zhì)、對被測件表面 要求不高、重復(fù)性好、適于高溫、高速檢測等優(yōu)點。
[0004] 電磁聲傳感器一般主要包括磁鐵和線圈兩部分。通過改變磁鐵和線圈的結(jié)構(gòu)形 式，可設(shè)計出不同類型的電磁聲傳感器。1999年，H.0gi等利用不等間距的蛇形線圈和永 磁鐵，設(shè)計了一種線聚焦SV波電磁聲傳感器。2004年，S. H. Cho, K. H. Sun等設(shè)計制作了一 種方向可調(diào)的磁致伸縮傳感器，用于非鐵磁性金屬和非金屬的檢測。2005年，P. D. Wilcox 和M. J. S. Lowe等用永磁鐵和盤狀線圈設(shè)計了一種在非鐵磁性波導(dǎo)中激勵Lamb波電磁聲 傳感器，此傳感器在周向具有相同的指向性。1979年，R.B. Thompson等利用回折線圈在鐵 磁性材料中產(chǎn)生水平剪切模態(tài)S&。1990年，R. B. Thompson等采用周期永磁鐵（Periodic Permanent Magnet, PPM)構(gòu)成的EMAT在錯板中激勵出水平剪切模態(tài)SHq。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有磁致伸縮傳感器換能效率低，激勵 的信號幅值小、模態(tài)單一性差的問題。
[0006] 本實用新型的設(shè)計思想是，基于鐵磁性材料鎳帶的磁致伸縮效應(yīng)，將磁致伸縮變 形耦合進(jìn)入待檢測的非鐵磁性材料（如鋁）板，在非鐵磁性材料（如鋁）板中有效激勵出 單一的SH0模態(tài)導(dǎo)波，實現(xiàn)非鐵磁性材料（如鋁）板中的缺陷檢測。
[0007] 本實用新型的目的是設(shè)計一種換能效率和信噪比高，激勵的信號幅值更大、能量 集中性更好、模態(tài)更加單一的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器，包括，由非鐵磁性材料制成的待測量板；包括 雙層線圈、兩塊磁鐵和鎳帶；
[0010] 所述鎳帶固定設(shè)置在待測量板上；
[0011] 所述雙層線圈設(shè)置在鎳帶上，且與鎳帶緊密接觸；
[0012] 所述兩塊磁鐵固定設(shè)置在待測量板上，所述兩塊磁鐵分別位于鎳帶的相對應(yīng)兩 偵牝且與鎳帶緊密接觸；所述兩塊磁鐵相對的兩個面上的磁極相反；
[0013] 其中，所述雙層線圈包括集成在柔性電路板的上表面上的上層線圈和集成在柔性 電路板的下表面上的下層線圈；所述上層線圈穿過柔性電路板與下層線圈相連；所述上層 線圈和下層線圈相對應(yīng)位置處的電流方向一致；所述上層線圈和下層線圈均采用陣列式回 折布線方式，并且導(dǎo)線呈成簇型布置；所述每相鄰兩簇線圈之間的中心間距D等于設(shè)計的 磁致伸縮傳感器理論中心頻率對應(yīng)的半波長，即D = λ /2。
[0014] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述鎳帶的尺寸與雙層線圈的尺寸一致；所述鎳帶邊緣的厚度小于 鎳帶中心的厚度。本實用新型所述的鎳帶的尺寸與雙層線圈的尺寸一致；鎳帶邊緣的厚度 小于鎳帶中心的厚度，其目的是：鎳帶的邊緣打磨變薄，使鎳帶與鋁板接觸邊界有一個過渡 區(qū)域，可以減少導(dǎo)波在鎳帶內(nèi)部來回反射的可能，減弱了磁致伸縮型傳感器常見的拖尾現(xiàn) 象。
[0015] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述磁鐵為銣鐵硼磁鐵。
[0016] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述待測量板為鋁板。
[0017] 本實用新型中所述的陣列式回折布線方式，為現(xiàn)有技術(shù)中的線圈布線方式，其具 體的方法本實用新型不作詳細(xì)的說明。
[0018] 本實用新型的工作原理是：
[0019] 當(dāng)向雙層線圈1通入電流時，會在其周圍產(chǎn)生平行于鋁板表面方向的動磁場，同 時置于鎳帶3兩側(cè)的銣鐵硼磁鐵2會產(chǎn)生與之垂直的靜磁場，基于磁致伸縮效應(yīng)，緊貼鋁板 外表面布置的鎳帶3產(chǎn)生剪切變形，并將這種剪切運動傳遞給鋁板，在鋁板中有效地激勵 出S&模態(tài)導(dǎo)波。
[0020] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：
[0021] 1、柔性電路板中包含雙層線圈1，每相鄰兩簇線圈間距D等于設(shè)計的磁致伸縮傳 感器理論中心頻率對應(yīng)的S&模態(tài)的半波長，D = λ /2,通過改變相鄰兩簇線圈間距D，可以 設(shè)計出不同中心頻率的S&模態(tài)磁致伸縮傳感器。
[0022] 2、柔性電路板中的雙層線圈1，使導(dǎo)線呈成簇型布置，相比傳統(tǒng)回折線圈結(jié)構(gòu)，雙 層線圈1產(chǎn)生的動磁場強(qiáng)度得到增強(qiáng)，從而大大提高了信號能量和信噪比。
[0023] 3、采用粘貼等其他方式將鐵磁性材料鎳帶3固定在板材表面，基于磁致伸縮效 應(yīng)，可以在不同材料屬性的板材中激勵出S%模態(tài)導(dǎo)波。
[0024] 4、本實用新型的傳感器換能效率和信噪比高，激勵的信號幅值更大、能量集中性 更好、模態(tài)更加單一。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器安裝簡圖。
[0026] 圖2雙層線圈示意圖。
[0027] 圖3銣鐵硼磁鐵示意圖。
[0028] 圖4鎳帶示意圖。
[0029] 圖5 1mm厚鋁板相速度頻散曲線。
[0030] 圖6磁致伸縮傳感器檢測鋁板缺陷試驗系統(tǒng)示意圖。
[0031] 圖7磁致伸縮傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。
[0032] 圖8磁致伸縮傳感器檢測帶03mm圓形通透缺陷鋁板信號波形圖。
[0033] 圖中：1、雙層線圈，2、銣鐵硼磁鐵，3、鎳帶，4、高能超聲激勵接收裝置RAM-5000， 5、計算機(jī)，6、數(shù)字示波器，7、雙工器，8、阻抗匹配模塊，9、磁致伸縮傳感器，10、鋁板，11、位 于鋁板上直徑3mm圓形通透缺陷。

【具體實施方式】
[0034] 下面對本實用新型技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本實用新型的保護(hù)范圍不局限于 所述實施例。
[0035] 為使本實用新型的內(nèi)容更加明顯易懂，以下結(jié)合附圖1-圖8和【具體實施方式】做進(jìn) 一步的描述。
[0036] 為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施 例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本 實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0037] 實施例：
[0038] 如圖1，為本實用新型的安裝簡圖；包括雙層線圈1，兩個銣鐵硼磁鐵2,鎳帶3。檢 測對象為鋁板10,規(guī)格為1000X1000X1 (單位：mm)，密度為2. 7g/cm3,泊松比為0. 33。圖 5給出了上述參數(shù)下，鋁板中SH模態(tài)的相速度頻散曲線。
[0039] 本實施例中，使用環(huán)氧樹脂膠將鎳帶3粘接鋁板10表面，集成在柔性電路板中的 雙層線圈1放置在鎳帶3上方，兩個銣鐵硼磁鐵2置于鎳帶3兩側(cè)。
[0040] 所述的雙層線圈1，如圖2所示，雙層線圈1包括集成在柔性電路板的上表面上 的上層線圈和集成在柔性電路板的下表面上的下層線圈；上層線圈穿過柔性電路板與下層 線圈相連；上層線圈和下層線圈相對應(yīng)位置處的電流方向一致；所述上層線圈和下層線圈 均采用陣列式回折布線方式，并且導(dǎo)線呈成簇型布置；線圈的有效尺寸為32X20mm。線寬 0. 2mm，線間距0. 3mm，線圈長度32mm，寬度為20mm，每相鄰兩簇線圈中心間距D等于設(shè)計的 水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器理論中心頻率對應(yīng)的SHo模態(tài)的半波長D = λ /2。
[0041] 本實施例中的傳感器每相鄰兩簇線圈中心間距D = 5mm，對應(yīng)的水平剪切模態(tài)磁 致伸縮傳感器的理論中心頻率為260kHz。
[0042] 所述的銣鐵硼磁鐵2如圖3所示，形貌為長方體，沿兩側(cè)面極化；磁鐵的長L為 22mm，磁鐵的寬d和高h(yuǎn)分別為5mm和10mm。銣鐵硼磁鐵2位置分布如圖1所示，在鎳帶3 表面產(chǎn)生水平方向分布靜磁場。
[0043] 所述的鎳帶3如圖4所示，粘貼在檢測對象鋁板10上，鎳帶3的尺寸與線圈1的 有效尺寸一致，長度為32_，寬度20_，厚度為0. 1_，并將鎳帶的邊緣進(jìn)行打磨變薄。
[0044] 利用參數(shù)確定后的磁致伸縮傳感器，提供了一種使用S%模態(tài)檢測鋁板缺陷的方 法：
[0045] 圖6為基于水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感檢測鋁板中缺陷試驗系統(tǒng)示意圖，包括高 能超聲激勵接收裝置RAM-50004、計算機(jī)5、數(shù)字示波器6、雙工器7、阻抗匹配模塊8、磁致伸 縮傳感器9、檢測對象鋁板10。
[0046] 計算機(jī)5用來控制RAM-50004的運行，產(chǎn)生高能超聲信號；數(shù)字示波器5用于信號 的觀測和存儲，雙工器7的作用是實現(xiàn)傳感器的自激自收。
[0047] 為了使傳感器線圈從激勵電源獲取最大能量，增強(qiáng)傳感器換能效率，在傳感器前 添加了阻抗匹配模塊8。磁致伸縮傳感器9置于檢測對象鋁板10距左端面400mm處，圓形 缺陷11直徑為3mm，與傳感器之間的距離為300mm。
[0048] 利用RAM-50004產(chǎn)生高能量信號激勵水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器9,在帶有缺 陷的鋁板10中激勵出最低階水平剪切模態(tài)S4，根據(jù)波傳播的路程，可以預(yù)測其依次接收到 缺陷反射回波，左端面反射回波，右端面反射回波。
[0049] 首先根據(jù)上述參數(shù)所確定的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)， 試驗驗證研制的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器能有效產(chǎn)生最低階水平剪 切模態(tài)S&。激勵信號為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波，圖8為激勵頻率在260kHz時接收信 號波形，可以分辨4個回波波包，波包12為傳感器激勵時產(chǎn)生串?dāng)_信號，與激勵信號的時間 幾乎一致；波包14幅值較大，現(xiàn)預(yù)測其為距離傳感器較近的左端面反射回波，利用時間飛 行法（Time of Flight, ToF)，計算波包14的實際傳播速度或群速度vg = 2d/t = 3076. 9m/ s。由理論頻散曲線圖5可知，SH0模態(tài)在鋁板10中理論相速度3130. Om/s，由于最低階水 平剪切模態(tài)S&沒有頻散，群速度和相速度相同，都為3130. Om/s，與通過試驗計算得到實際 傳播速度\相比，相對誤差為1.7%，因此可以確定波包14為左端面反射回波，并進(jìn)一步確 定設(shè)計的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器可以激勵出最低階水平剪切模態(tài) SH0。
[0050] 接著，根據(jù)上述參數(shù)所確定的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器結(jié) 構(gòu)，試驗測試得到研制的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器的中心頻率。激 勵信號依然為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波，將激勵頻率以步長10kHz從200kHz增加到 320kHz，提取各個頻率左端面反射回波的峰值，得出基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸 縮傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線如圖7所示，試驗數(shù)據(jù)用圓圈表示。通過曲線擬合，可以看出 基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器的實際中心頻率為260kHz，與上述參數(shù)所確 定的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器理論中心頻率f。為260kHz -致。
[0051] 最后，根據(jù)上述參數(shù)所確定的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器結(jié) 構(gòu)，試驗驗證研制的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器能有效檢測鋁板中存在 的缺陷。通過分析圖8為激勵頻率在260kHz時接收信號中波包13和波包15,利用波包14 計算出的鋁板10中SH0模態(tài)的實際傳播速度v g(3076. 9m/s)，來反推波包13和波包15的 傳播的路程分別為587. 6mm和1223. 0mm。與實際缺陷回波的傳播路程600mm和右端面回波 的傳播路程1200mm相比，相對誤差分別為2%和1. 9%，可以確定波包13為缺陷回波，波包 15為右端面的反射回波，與之前預(yù)測的基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器依次 接收到的波包的傳播路徑相一致。
[0052] 通過試驗驗證本發(fā)明基于雙層線圈的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器可以有效激 勵出信噪比較高的最低階水平剪切模態(tài)s%，可快速有效地對鋁板中的缺陷進(jìn)行檢測，且定 位精度較高，檢測過程方便快捷。
[0053] 如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)表示和表述了本實用新型，但其不得 解釋為對本實用新型自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本實用新型的精神和范圍 前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1. 一種水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器，包括，由非鐵磁性材料制成的待測量板（?ο); 其特征在于，包括雙層線圈（1)、兩塊磁鐵（2)和鎳帶（3); 所述鎳帶（3)固定設(shè)置在待測量板（10)上； 所述雙層線圈（1)設(shè)置在鎳帶（3)上，且與鎳帶（3)緊密接觸； 所述兩塊磁鐵（2)固定設(shè)置在待測量板（10)上，所述兩塊磁鐵（2)分別位于鎳帶（3) 的相對應(yīng)兩側(cè)，且與鎳帶（3)緊密接觸；所述兩塊磁鐵（2)相對的兩個面上的磁極相反； 其中，所述雙層線圈（1)包括集成在柔性電路板的上表面上的上層線圈和集成在柔性 電路板的下表面上的下層線圈；所述上層線圈穿過柔性電路板與下層線圈相連；所述上層 線圈和下層線圈相對應(yīng)位置處的電流方向一致； 所述上層線圈和下層線圈均采用陣列式回折布線方式，并且導(dǎo)線呈成簇型布置；所述 每相鄰兩簇線圈之間的中心間距D等于設(shè)計的磁致伸縮傳感器理論中心頻率對應(yīng)的半波 長，艮卩D= λ/2。
2. 如權(quán)利要求1所述的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器，其特征在于，所述鎳帶（3)的尺 寸與雙層線圈（1)的尺寸一致；所述鎳帶（3)邊緣的厚度小于鎳帶（3)中心的厚度。
3. 如權(quán)利要求1所述的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器，其特征在于，所述磁鐵（2)為銣 鐵砸磁鐵。
4. 如權(quán)利要求1所述的水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器，其特征在于，所述待測量板 (10)為錯板。
【文檔編號】B06B1/08GK204052095SQ201420514855
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】劉增華, 胡亞男, 樊軍偉, 何存富, 吳斌, 李先鋒 申請人:北京工業(yè)大學(xué), 南京博盛工達(dá)檢測技術(shù)有限公司