專利名稱：一種多主頻組合的sh0模態電磁聲傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于無損檢測領域，具體涉及一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器 (EMAT, Electromagnetic Acoustic Transducer)。
背景技術：
水平剪切波(SH波)是在板類結構中傳播的一種超聲導波，其傳播特性在導波檢測方面是十分誘人的。SH在板中只產生平行于板面的剪切方向振動，當遇到與其質點振動方向相一致的界面發生反射時，SH波不發生模態轉換。此外，SH波的零階模態不頻散，且傳播速度較低，同等儀器條件下具有較高的空間分辨力。因而SH波被廣泛應用于板的各類缺陷檢測以及結構健康監測中。EMAT是具有周期性分布結構的超聲傳感器，非常便于產生面內位移，因此常被用于在試件內產生SH波。其特點在于，傳感器總是選擇性地激勵或接收波長與其分布周期相一致的模態。通過線圈形態與固置磁場的分布搭配可以在試件表面激勵出不同方向的位移。因此，線圈形態和固置磁場的設計是EMAT設計的關鍵。圖I為常用的SH波EMAT。線圈為了提供產生SH波的剪切振動，SH波EMAT的線圈通常采用回折型線圈，當線圈中通入交變的電流時，在鐵磁性試件的表面產生交變的動磁場，該動磁場與由固置磁鐵產生的靜磁場交互作用，在試件表面或近表面層中產生剪切的振動并向線圈延伸的方向(圖中的左右方向)傳播，即形成了 SH波。線圈寬度決定了傳感器的孔徑，從而決定了傳感器所激勵出的聲波的聲束寬度。 當線圈寬度越大時，傳感器所激勵出的聲束越集中，傳感器指向性越好；當線圈寬度越小時，傳感器所激勵出的聲束越發散，同等距離下傳感器所覆蓋的區域越大。不過線圈寬度的設計應同時考慮傳感器指向性的需求和由增大線圈寬度所帶來的偏置磁鐵的遠離(即偏置磁場強度的就降低)。線圈周期決定了傳感器所能激勵和接收的聲波的波長，聲波的波長即為線圈周期。線圈中相鄰的兩根線段中的電流方向相反，其間距應為波長的一半。當被檢材料確定時，線圈周期則對應了其所能激勵和接收的聲波的頻率。正是由于線圈的周期性排布，實現了 EMAT的模態選擇性。線圈周期數越大，傳感器所能激勵出的聲波能量越大，但同時會時激勵出信號的時域寬度加長，從而降低了檢測的時域分辨力。當遇到相聚較近的缺陷時，信號會相互疊加、難以分辨。磁鐵EMAT通常采用永磁鐵來提供偏置磁場。這種方式簡單便捷，但在實際應用中存在不足。當傳感器頻率較低(線圈周期較大)時，為了提供均勻分布的磁場，需選用體積較大的磁鐵。這將導致傳感器過于笨重,而檢測對象為鐵磁性材料時回不便于移動。以上線圈和磁鐵的設計導致了常用SH波EMAT在接收信號幅值、時域分辨力和傳感器靈活性上的不足。

發明內容
為了解決現有的EMAT接收信號幅值、時域分辨力和傳感器靈活性上的缺點，一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器。該傳感器由信號輸入BNC接頭I、信號輸出BNC接頭2、脈沖電磁鐵供電BNC接頭
3、磁鐵固定板4、保護外殼5、脈沖電磁鐵6和回折型線圈7組成，如圖2中所示。回折型線圈7置于保護殼5底面凹槽內，保護殼內部置有脈沖電磁鐵6，其上為磁鐵固定板4。在保護外殼的最上端為保護外殼的蓋板，其上固定有信號輸入BNC接頭I、信號輸出BNC接頭2 和脈沖電磁鐵供電BNC接頭3。所述的磁鐵固定板4，目的在于固定住兩塊電磁鐵，以確保在強磁場的作用下，兩電磁鐵不會吸合。所述的保護外殼5為整個傳感器提供保護。信號輸入BNC接頭1，信號輸出BNC接頭2和脈沖電磁鐵供電BNC接頭3置于保護外殼頂端。磁鐵固定板4與脈沖電磁鐵6置于保護外殼內部，回折型線圈固定于保護外殼底端的凹槽內，如圖3中所示。為了表征外殼內部各元件的分布，圖3中的保護外殼為簡化模型，實際保護外殼應包含特殊設計的凹坑、凹槽以便于固定脈沖電磁鐵與回折型線圈。所述的脈沖電磁鐵6，為具有方形鐵芯的脈沖電磁鐵，要求磁場方向在磁鐵的正下方均勻且方向垂直向下/向上，兩脈沖電磁鐵所產生的磁場的方向相反，如圖3中所示。工作時，在脈沖電磁鐵的線圈中激勵一個脈沖信號，其寬度應大于激勵信號。兩脈沖電磁鐵會在試件表面形成一個方向由一脈沖電磁鐵指向另一脈沖電磁鐵的偏置磁場。脈沖電磁鐵的匝數與通電電流應根據所需的偏置磁場強度進行設計。所述的回折型線圈7固定于保護外殼5底端的凹槽內。所述的回折型線圈7的線圈周期并不相等，而是按照一定的規律變化，線圈印制于印刷電路板上，上表層與下表層印制的線圈首尾對齊，但其分布規律相反，如圖4所示。普通回折型線圈的傳感器的工作原理如圖5所示，此類傳感器利用的是材料的磁致伸縮效應。永磁鐵或電磁鐵在試件表面形成偏置磁場Btl,當線圈中通入電流時，通電導線會在試件表面感應出動磁場Bm,動磁場與偏置磁場正交,符合最大剪應力的產生方式，兩者的合磁場為Bh。若材料為負磁致伸縮材料(如鎳等)時，在偏置磁場的影響下，材料的晶格被壓縮，如圖5中中圖所示。此時，若引入通電導線所產生的動磁場，則晶格會如圖5中左右兩圖所示。當回折型線圈中通入交變的電流時，便產生了往復的剪切振動，從而形成SH 波。回折型線圈中兩相鄰導線的電流方向相反，其產生的動磁場方向相反，因而產生的聲波的半波長總與此間隔相一致。而本發明中采用的是多主頻組合的SHO模態線圈，在普通回折型線圈的原理上進行了改進，其原理如圖6所示。多主頻組合的SHO模態回折型線圈的線圈周期并不相等，由于線圈總是選擇激勵波長與線圈周期相對應的聲波，因此不等間距的線圈會在試件內激勵出不同波長的SHO模態。由于SHO模態不頻散，各頻率的SH波傳播速度一致，因此只需在設計激勵和接收線圈時使不同線圈周期分布的先后順序相對應，即可完成對線圈的頻率調制。各頻率的SH波在試件內部獨立傳播，而激勵和接收線圈的分布相一致(一激一收模式時，米用兩塊PCB板上同向分布的兩線圈，自激自收模式時，米用同一塊PCB板上反向分布的兩線圈，如圖6所示)。因此，各頻率SH波的傳播距離是相等的，從而傳播時間也相等。 時域上，各頻率SH波會在相同的時間點疊加。本發明具有以下優點，I)各頻率的SH波在同一時刻疊加，大大增加了接收信號的幅值，且在增大幅值的同時縮短信號的時域寬度，可以獲得較高的時域分辨力；2)與等周期的線圈EMAT相比，本發明可同時關注多個頻率點的信息，通過信號后處理，可以替代利用多個不同頻率的EMAT進行掃頻；3)由于傳感器的頻帶可根據設計調整，且可在時域內壓縮信號寬度提高信號幅值，因而對激勵信號的要求較低，采用脈沖激勵或正弦波激勵即可。這大大降低了對檢測儀器的要求。4)由于傳感器采用脈沖電磁鐵來提供偏置磁場，因而在未通電時傳感器不會吸附鐵磁性材料，大大提高了傳感器的靈活性。以下結合


和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。

圖I :常見SH波回折型線圈EMAT的結構圖
圖2 :傳感器裝配圖
圖3 :傳感器內部結構圖
圖4 :線圈結構示意圖
圖5 :回折型線圈工作原理圖
圖6 :傳感器工作原理圖
圖7 :自激自收檢測系統示意圖
圖8 :一激一收檢測系統不意圖
圖9 :多主頻組合的SHO模態EMAT實驗自激自收信號圖
圖10:多主頻組合的SHO模態EMAT實驗一激一收信號圖
圖中，I-信號輸入BNC接頭，2-信號輸出BNC接頭，3-脈沖電磁鐵供電BNC接頭，
4-磁鐵固定板，5-保護外殼，6-脈沖電磁鐵，7-回折型線圈。
具體實施例方式本發明的具體實施步驟包括一種在材質為磁致伸縮材料或表面覆有磁致伸縮材料的板中，激勵產生單一多主頻組合的SHO波的電磁聲傳感器，由信號輸入BNC接頭I、信號輸出BNC接頭2、脈沖電磁鐵供電BNC接頭3、磁鐵固定板4、保護外殼5、脈沖電磁鐵6和回折型線圈7組成。加工和裝配過程保護外殼5為整個傳感器的外封和支架，長70mm，寬50mm，高15mm，由工程塑料加工而成，上頂部厚3mm,其上加工有BNC接頭孔,底端開有長65mm,寬45mm的Imm深凹槽以固定回折型線圈電路板，在接線處開有通孔，便于線圈與BNC接頭接線。裝入圖2中回折型線圈7，其幾何尺寸為長65mm，寬45mm，厚O. 5mm的PCB電路板，在電路板的中心區域有形如回折型線圈，線圈間隔相鄰兩導線間隔，其電流方向相反自5_ 變化至2mm,共13段。裝入脈沖電磁鐵6,脈沖電磁鐵6由長60mm,寬IOmm,高IOmm的長條形鐵芯外繞阻數為20的繞組構成。裝入磁鐵固定板。將BNC接頭固定于保護外殼頂蓋，連接信號輸入BNC接頭I和回折型線圈7的下表層接線端，連接信號輸出BNC接頭2和回折型線圈7下表層接線端，連接脈沖電磁鐵供電BNC接頭3和脈沖電磁鐵6的繞組。將裝有BNC接頭保護外殼的蓋板通過外殼4個頂角的螺紋孔固定于保護外殼上。使用方法典型檢測系統如圖7和圖8中所示，由信號發生器、功率放大器、傳感器、前置放大器和數字示波器組成，其中圖7為自激自收檢測系統示意，圖8為一激一收檢測系統示意。當采用自激自收布置時，信號發生器產生一個脈寬為I μ s的矩形脈沖，通過功率放大器后，輸入傳感器中，傳感器放置于一塊長約lm、寬120_、厚Imm的鎳板上。聲波在板寬方向往復傳播，接收的端面回波經由傳感器接收，經由功率放大器內部的轉換電路輸出到數字示波器進行顯示。當采用一激一收布置時，信號發生器產生一個脈寬為I μ s的矩形脈沖，通過功率放大器后，輸入激勵傳感器中，接收傳感器位于距激勵傳感器約300mm處，接收的信號經由前置放大輸出到數字示波器進行顯示。圖9和圖10即為多主頻組合的SHO模態EMAT采用自激自收和一激一收模式時的接收信號。可以看到，當接收線圈的分布于激勵線圈的分布相一致時(包含自激自收模式的偶次回波和一激一收模式)，信號在時域內被壓縮，幅值更大，時域分辨力較好，實現了本發明的設計思路。
權利要求
1.一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器，由信號輸入BNC接頭(I)，信號輸出BNC 接頭(2)，脈沖電磁鐵供電BNC接頭(3)、磁鐵固定板(4)、保護外殼(5)、脈沖電磁鐵(6)和回折型線圈(7)組成；回折型線圈(7)置于保護殼(5)底面凹槽內，保護殼內部置有脈沖電磁鐵￠)，其上為磁鐵固定板(4);在保護外殼的最上端為保護外殼的蓋板，蓋板上固定有信號輸入BNC接頭(I)，信號輸出BNC接頭(2)，脈沖電磁鐵供電BNC接頭(3)。信號輸入BNC接頭(1)，信號輸出BNC接頭(2)分別接入回折型線圈上下面的接線端，脈沖電磁鐵供電BNC接頭(3)連接到脈沖電磁鐵的繞組；用以提供豎直方向的偏置磁場的脈沖電磁鐵(6)為產生磁場方向相反的長條形電磁鐵，兩脈沖電磁鐵不吸合。
2.根據權利要求I中所述的一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器,其特征在于 所述的保護外殼(5)為工程塑料。
3.根據權利要求I中所述的一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器,其特征在于 所述的脈沖電磁鐵(6)為具有長條形鐵芯的脈沖電磁鐵，要求磁場方向在磁鐵的正下方均勻且方向垂直向下或向上。工作時，在脈沖電磁鐵的線圈中激勵一個脈沖信號，其寬度應大于回折型線圈(7)的激勵信號。
4.根據權利要求I中的所述的一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器,其特征在于 所述的回折型線圈(7)的線圈周期不相等，線圈印制于印刷電路板上，上表層與下表層印制的線圈首尾對齊，但其分布規律相反。
5.根據權利要求I中的所述的一種多主頻組合的SHO模態電磁聲傳感器,其特征在于其裝配過程為，在保護外殼(5)底端裝入回折型線圈(7)，在保護外殼(5)內裝入電磁鐵(6)，裝入磁鐵固定板(4)以固定磁鐵；將BNC接頭固定于保護外殼頂蓋，連接BNC接頭和回折型線圈(7)的信號線以及BNC接頭和脈沖電磁鐵(6)的繞組；將裝有BNC接頭保護外殼(5)的頂板通過外殼4個頂角的螺紋孔固定于保護外殼上。
全文摘要
一種多主頻組合的SH0模態電磁聲傳感器，屬于無損檢測領域。本發明由信號輸入BNC接頭，信號輸出BNC接頭，脈沖電磁鐵供電BNC接頭、磁鐵固定板、保護外殼、脈沖電磁鐵和回折型線圈組成；回折型線圈置于保護殼底面凹槽內，保護殼內部置有脈沖電磁鐵，其上為磁鐵固定板；在保護外殼的最上端為保護外殼的蓋板，蓋板上固定有信號輸入BNC接頭，信號輸出BNC接頭，脈沖電磁鐵供電BNC接頭。信號輸入BNC接頭，信號輸出BNC接頭分別接入回折型線圈上下面的接線端，脈沖電磁鐵供電BNC接頭連接到脈沖電磁鐵的繞組。與等周期的線圈EMAT相比，本發明可同時關注多個頻率點的信息，可以替代利用多個不同頻率的EMAT進行掃頻。
文檔編號G01N29/34GK102608220SQ20121000488
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者何存富, 吳斌, 李楊, 鄭陽 申請人:北京工業大學