一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声导波发射器，特别涉及一种多层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，属于无损检测探头换能器领域。
【背景技术】
[0002]石化行业的管道、储罐等装置在运行过程中不可避免地会出现腐蚀、磨损、疲劳裂纹等缺陷，对装置的运行带来了极大的安全隐患。传统的漏磁、涡流、射线等检测方法虽然可以实现管道、储罐等装置的无损检测，但是其检测覆盖范围小，难以满足长距离大范围工程结构的无损检测需要。
[0003]超声导波是一种长距离无损检测技术，具有单点激励、检测范围广，检测效率高，可以实现全截面覆盖等优点，因此在石化行业的管道、储罐等装置的无损检测中有着广泛的应用。管道中的T(0，I)模态和板结构中SHO模态因其频散小而广泛使用，这两种模态都是剪切模态，且剪切模态超声导波具有不扩散到流体介质的优点，因此剪切模态成为目前超声导波检测中的重要模态。剪切模态超声导波检测采用的发射器有压电式、磁致伸缩式等，其中磁致伸缩剪切模态超声导波发射器具有结构紧凑，环境适应性强等优点，在超声导波检测中具有良好的应用前景。
[0004]常规的磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的结构和原理可以参考申请号为US8358126B2的美国发明专利，磁致伸缩剪切模态超声导波发射器以线圈产生的电磁场作为激励磁场，以永磁体的磁场作为偏置磁场，激励磁场与偏置磁场正交布置在磁致伸缩薄片材料上，由磁致伸缩效应产生剪切模态超声导波。
[0005]申请号为201210125086.1的发明专利以PCB基板上的回折线圈产生激励磁场，以铁镍合金带预磁化的剩余磁场作为偏置磁场，通过磁致伸缩效应产生剪切模态超声导波。该超声导波发射器在结构上更加紧凑，实现了超声导波发射器小型化。
[0006]管状结构中的Τ(0，I)模态和板状结构中的SH(0，I)模态因其频散小，检测信号信噪比高，是导波检测中最为常用的模态，采用剪切模态的发射器是产生T(0，I)模态和SH(0，I)模态最直接的方式，而提高导波发射器的换能效率就可以直接改善超声导波信号的信噪比，进而提高缺陷的辨识能力，提高导波发射器的输出功率就可增大检测距离。为提高磁致伸缩超声导波发射器换能效率和输出功率，申请号为201210125086.1的发明专利提出了多分裂的回折线圈方案，申请号为201410096364.4的发明专利提出了多层回折线圈方案，其本质都是通过提高回折线圈等效安匝数达到增强激励电磁场，在磁致伸缩薄片材料上获得较大的磁致伸缩微应变的目标。
[0007]但是上述发明换能材料采用的都是单片磁致伸缩薄片材料结构，通常选用厚度约
0.1mm的乳制镍合金薄片材料或铁钴合金薄片材料。磁致伸缩薄片材料的磁致伸缩效应具有饱和特性，即激励磁场强度超过某个阈值后，激励磁场强度增大将不会引起磁致伸缩微应变增大。因此当单片磁致伸缩薄片材料处于饱和点时，上述技术方案无法达到增大磁致伸缩微应变的目标。
[0008]为了突破磁致伸缩薄片材料饱和特性对磁致伸缩剪切模态超声导波发射器微应变输出的限制，本发明提出了一种多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，采用磁致伸缩微应变叠加原理实现超声导波发射器输出功率的提升。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的技术问题是提供一种多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器，能够克服磁致伸缩薄片材料的磁致伸缩效应饱和特性对超声导波发射器微应变输出的限制，提升超声导波发射器的输出功率。
[0010]本发明通过如下技术方案予以实现:
[0011]本发明包括塑料外壳、背衬阻尼层和多层磁致伸缩薄层结构，磁致伸缩薄层结构包含两个正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料，两个正交式线圈通电提供磁致伸缩薄片材料所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，多层磁致伸缩薄层结构通过作为耦合剂的环氧树脂上下粘结形成多层堆叠结构，多层堆叠结构的四周围和顶面通过塑料外壳包裹封装，多层堆叠结构的底面连接被测物体进行检测，多层堆叠结构的顶面与塑料外壳内顶面之间设有用于衰减反方向微应变的背衬阻尼层，发射器顶部为阻尼背衬;每一层磁致伸缩薄层结构中的磁致伸缩薄片材料通过魏德曼效应产生剪切微应变，经线性叠加形成多层堆叠磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的总输出微应变。
[0012]堆叠结构的层数根据超声导波发射器所需的发射功率决定，N层堆叠式磁致伸缩剪切模态超声导波发射器的输出应变是单层磁致伸缩薄片材料应变的N倍。
[0013]所述的两个正交缠绕式线圈包含相互正交缠绕在磁致伸缩薄片材料上的直流偏置线圈和动态交流线圈，通电的直流偏置线圈和动态交流线圈分别提供磁致伸缩材料魏德曼效应所需的静态偏置磁场和动态交流磁场，使得每一层薄层结构中的磁致伸缩材料都将产生剪切微应变，并通过控制两个正交缠绕式线圈的通电电压和电流方向，使得相邻的两层磁致伸缩薄片材料产生转向一致且相位相差90度剪切微应变，最后在所述导波发射器的输出端实现线性叠加，背衬阻尼层使反方向的微应变衰减。
[0014]相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构之间和多层堆叠结构最底部的磁致伸缩薄层结构底面均设有用环氧树脂形成的环氧树脂耦合层，多层堆叠结构最顶部的磁致伸缩薄层结构顶面与塑料外壳之间设有背衬阻尼层。
[0015]所述所有磁致伸缩薄层结构中的直流偏置线圈和动态交流线圈缠绕方向相互相反交替布置。
[0016]所述的两个正交缠绕式线圈中，直流偏置线圈的通电电压波形为脉宽调制方波，提供直流偏置磁场;动态交流线圈的通电电压波形为谐波式脉冲群，提供动态交流磁场;直流偏置线圈通电电压的脉冲上升沿比动态交流线圈通电电压上升沿提前，直流偏置线圈通电电压的脉冲下降沿比动态交流线圈通电电压下降沿延后。
[0017]上下相邻的两个所述磁致伸缩薄层结构中，两个正交缠绕式线圈的通电电流交替互换，即上层磁致伸缩薄层结构中的直流偏置线圈与下层磁致伸缩薄层结构中的动态交流线圈通电电流方向相反，上层磁致伸缩薄层结构中动态交流线圈在下层磁致伸缩薄层结构中的直流偏置线圈通电电流相同，使得两个正交缠绕式线圈产生的两个磁场方向相互垂直，上下相邻磁致伸缩薄层结构中磁致伸缩薄片材料磁畴偏转转向一致相位相差90度。
[0018]所述的磁致伸缩材料采用Fe-N1、Fe_Co、Fe_Ga、NiMnGa或Terf enol-D等磁致伸缩薄层材料，厚度为0.05-1.0mm。
[0019]所述的两个正交缠绕式线圈缠绕在磁致伸缩薄片材料上，环氧树脂将正交缠绕式线圈和磁致伸缩薄片材料粘结成一体，同时具有良好的超声导波耦合特性。
[0020]所述的背衬阻尼层由环氧树脂和钨粉配制而成。
[0021 ]所述的磁致伸缩薄片材料为正方形。
[0022]本发明的主要有益效果有:
[0023]本发明采用正交缠绕线圈提供磁致伸缩魏德曼效应所需的直流偏置磁场和动态交流磁场，磁致伸缩薄片材料将产生剪切微应变，通过增加堆叠薄层结构层数，
[0024]同时通过各层正交缠绕线圈驱动电压方式和时序的设计，在多层磁致伸缩薄层结构中产生螺旋状磁场分布，使相邻层的磁致伸缩薄片材料产生转向一致且相位相差90度的剪切微应变，
[0025]将各层磁致伸缩薄片材