一种纯净SH1波激励与接收探头的制作方法

本发明涉及超声导波无损检测技术领域，更具体地，涉及一种纯净sh1波激励与接收探头。

背景技术：

高频体波测厚和低频导波扫查是检测腐蚀缺陷的两种常规手段，但两者互有利弊：一是体波测厚法虽然检测灵敏度高，但扫查范围小，检测周期长，并不适用于大尺寸工件的全面检测；二是导波扫查法虽然检测范围大，但灵敏度较低，无法有效识别微小缺陷，而且为克服波包扩散对检测精度的影响，该方法对导波的非频散特性要求很高。基于此，近年来有学者提出一种是介于上述两种常规检测手段之间的折中方法，采用高频频散导波检测腐蚀缺陷。与低频导波检测法极力抑制导波的频散效应不同，高频散导波检测法通过测量导波传播时间的变化来判断其传播路径上是否存在缺陷，因此导波的频散效应有利于提高频散模态对壁厚减薄缺陷的灵敏度。

用于腐蚀缺陷检测的高频频散导波主要有a0、s0、sh1三种模态。相较而言，sh1波具有频散特性简单、不易受波导周围介质干扰并且接收信号易于处理等优点，因此，基于高频散sh1模态的管道的腐蚀缺陷检测技术受到越来越多的关注。然而，根据频散曲线，激励频散sh1模态必然会伴随有非频散sh0模态的产生。因此，在实际工程应用中，激励出纯净的频散sh1模态十分困难，这对sh1模态在腐蚀缺陷检测应用方面的推广造成了一定的阻碍。

nurmaliah在其论文《modeconversionbehaviorofshguidedwaveinataperedplate》中研究了腐蚀缺陷对频散sh1模态导波传播特性的影响，发现sh1模态导波在缺陷区域很容易转化为sh0模态，检测过程中要获得纯净的sh1模态导波十分困难。cn105021715b公开了一种阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，通过阵列式全向型水平剪切模态磁致伸缩传感器，可在铝板中激励出单一的sh0模态导波，但无法激励出高频频散sh1模态，难以实现对腐蚀缺陷的高灵敏度检测。

技术实现要素：

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种纯净sh1波激励与接收探头，可以在sh波收发换能过程中完全抑制sh0模态，实现激励和接收纯净sh1模态导波。

一种纯净sh1波激励与接收探头，包括板状结构件，所述板状结构件上表面和下表面设有螺旋方向相反的跑道型线圈，所述板状结构件上方和下方各设一组永磁铁，两组所述永磁铁相对于板状结构件对称且磁极排列方向相同。

进一步的，所述板状结构件上方和下方设置的永磁铁数量相同，每组永磁铁中的多个永磁铁极性交错布置。

进一步的，一组所述永磁铁中的永磁铁排列成一排。

进一步的，所述永磁铁为钕铁硼磁铁。

进一步的，所述板状结构件上表面和下表面上设置的跑道型线圈中电流加载方向相反。

进一步的，所述板状结构件上表面和下表面上设置的跑道型线圈相对于板状结构件对称。

进一步的，一组永磁铁中相邻永磁铁的间距相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种纯净sh1波激励与接收探头，利用板状结构件上、下表面周期性永磁铁阵列磁性同向对称布置，结合板状结构件上、下表面跑道型线圈电流反向加载，能有效滤除对称sh0模态导波，并增强反对称sh1模态导波，实现纯净sh1模态导波的激励和接收，进而提高sh1模态高频散导波对壁厚减薄类腐蚀缺陷的检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是单永磁铁阵列和双永磁铁阵列激励的稳态磁场分布图。

图3是单永磁铁阵列和双永磁铁阵列的稳态磁场沿板厚方向分布图。

图4是单磁铁单线圈、双磁铁单线圈和双磁铁双线圈三种不同结构配置下基于洛伦兹力机理激励sh波的3d时域仿真模型。

图5是图4所示三种不同结构配置的激励信号时域图。

其中：1、上永磁铁组；2、上表面跑道型线圈；3、板状结构件；4-下永磁铁组；5-下表面跑道型线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，一种纯净sh1波激励与接收探头，包括板状结构件3，板状结构件3上表面和下表面设有螺旋方向相反的跑道型线圈，分别是上表面跑道型线圈2和下表面跑道型线圈板5，板状结构件3上方和下方各设一组永磁铁，分别是上永磁铁组1和下永磁铁组4。两组永磁铁相对于板状结构件3对称且磁极排列方向相同。板状结构件3上方和下方设置的永磁铁数量相同，每组永磁铁中的多个永磁铁极性交错布置。一组永磁铁中的永磁铁排列成一排。永磁铁为钕铁硼磁铁。板状结构件3上表面和下表面上设置的跑道型线圈相对于板状结构件3对称。板状结构件3上表面和下表面上设置的跑道型线圈中电流加载方向相反。一组永磁铁中相邻永磁铁的间距相同。

本发明中，在板状结构件3上方或下方设置一组永磁铁为单周期性永磁铁阵列，在板状结构件3上方和下方设置两组相对于板状结构件3对称的永磁铁组为双周期性永磁铁阵列。

如图2所示，在为单周期性永磁铁阵列和双周期性永磁铁阵列的稳态磁场分布图，图2(a)为单周期性永磁铁阵列产生的稳态磁场，图2(b)为双周期性永磁铁阵列产生的稳态磁场，从图中可以看出，图2(b)中的磁力线更容易沿垂直方向分布。

如图3所示，为本发明的一个实施例，图3(a)为单周期性单线圈永磁铁阵列，具体的说，为板状结构件3上方或下方各设一组永磁铁，相应的板状结构件3上表面或下表面上设置跑道型线圈。图3(b)为双周期性单线圈永磁铁阵列，具体的说，具体的说，为板状结构件3上方和下方各设一组永磁铁，板状结构件3上表面或下表面上设置跑道型线圈。图3(c)为双周期性双线圈永磁铁阵列，具体的说，为板状结构件3上方和下方各设一组永磁铁，板状结构件3上表面和下表面上设置跑道型线圈。激励频率为700khz时，单周期性永磁铁阵列和双周期性永磁铁阵列激励作用下铝板趋肤深度处(距铝板上表面约0.1mm)的磁通量密度。分析可见，在趋肤深度处，单周期性永磁铁阵列的垂直偏置磁场强度为bys＝0.48t，双周期性永磁铁阵列的垂直偏置磁场强度为byd＝0.58t，增加了21％；单周期性永磁铁阵列的水平偏置磁场强度为bxs＝0.10t，双周期性永磁铁阵列的水平偏置磁场强度为bxd＝0.05t，减小了50％。因此，采用双周期性永磁铁阵列可增强趋肤层处的垂直偏置磁场强度并减小水平偏置磁场强度，从而提高周期性永磁铁的换能效率。另外，由图3可知，从铝板上表面到铝板中位面，单周期性永磁铁阵列的垂直偏置磁场强度bys从0.5t减小到0.2t，减小了80％；双周期性永磁铁阵列的垂直偏置磁场强度bys从0.6t减小到0.4t，减小了33％。因此，单周期性永磁铁阵列相比，双周期性永磁铁阵列的垂直偏置磁场在板厚方向的分布更加均匀，有利于抑制噪声，提高激励信号的信噪比。

如图4所示，令板状结构件3上表面或下表面上设置的跑道型线圈为单线圈，板状结构件3上表面和下表面均设置的跑道型线圈为双线圈，图4为单周期性单线圈永磁铁阵列、双周期性单线圈永磁铁阵列、双周期性双线圈永磁铁阵列三种不同配置的永磁铁阵列。图5是对应图4三种不同结构的激励信号时域图。由于采用双周期性永磁铁阵列能增大趋肤层的垂直偏置磁场，因此采用双周期性永磁铁单线圈激励产生的信号幅值较单周期性永磁铁单线圈激励的信号幅值增加了约20％，而采用双周期性永磁铁双线圈激励产生的信号幅值则较单周期性永磁铁单线圈激励的信号幅值增加了约100％。可见，相较于单周期性永磁铁阵列探头激励，双周期性永磁铁阵列对称布置的探头可以显著提高激励信号的幅值。此外，从图5所示激励信号还可发现，单周期性永磁铁单线圈、双周期性永磁铁单线圈激励时均存在sh0模态和sh1模态的波包分离现象，而采用双周期性永磁铁双线圈激励时，仅存在纯净的sh1模态波包。这即说明，采用单周期性永磁铁阵列探头激励无法有效抑制对称模态的产生，而在质点振动位移线性叠加效应和垂直偏置磁场增强效应的双重作用下，采用本发明的双周期性永磁铁阵列对称布置探头不但能有效抑制sh0对称模态的产生，而且显著增强了sh1模态激励信号幅值。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。