专利名称：一种周向一致单一S0模态Lamb波电磁声传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于无损检测领域，具体涉及一种周向一致单一 SO模态Lamb波电磁声传感器(EMAT，Electromagnetic Acoustic Transducer)。
背景技术：
超声Lamb波是在板类结构中存在的一种超声导波，是无损检测及结构健康监测的常用技术之一，在大型工业结构如工业管道、储罐、船舶、航天器、风力发电机及铁轨等的完整性检测中有广泛的应用。近年来，还常应用于各种复合材料板及板的组合结构，如焊接板、粘接板和铆接板等，的无损检测中，使其在工业领域中具有更加重要的意义。超声导波传感器的设计有三个关键问题首先，激励源振动位移形式。常用的超声Lamb波检测模态为零阶反对称模态(AO 模态)和零阶对称模态(so模态)。这两种模态的激励对于传感器有不同的要求激励AO 模态时，要求激励源离面位移占主导，利用常用的压电传感器可以很容易地实现；激励SO 模态时，要求激励源面内位移占主导，较难实现。由于AO模态的易激励性，工程上常用其进行检测，但是AO模态衰减大，对板表面的附着物很敏感，无法对整个板厚方向实现一致的灵敏度，在很多检测过程中并不适用。而SO模态即使在板表面有负载时其衰减也较小，且其为对称模态，通过适当选择检测频率，可以对板的厚度方向实现均勻检测，即在整个板厚方向具有一致的灵敏度，因此对于很多检测对象，SO模态是最好的检测模态。因而如何设计传感器，使其激励过程中面内位移占主导，成为激励对称模态Lamb波的关键问题。其次，波动场分布。传统的超声导波传感器一般具有波束指向性，即主能量分布于某一特定的方向上。此种传感器对于利用单一传感器进行板结构B扫描成像而言，非常适用，解决的是一维问题，但对于高效、快速且应用更加广泛的板结构的阵列成像和结构健康监测技术而言，由于属于二维的定位问题，则往往需要周向一致激励接收超声导波的传感
ο最后，单一模态的激励。由于超声导波本身具有多模态、频散等特性，对于检测不利，所以需要在传感器的设计过程中尽量抑制多模态的产生，选用频散较小的模态和频率范围。目前常用的超声导波传感器有压电传感器、压电晶片、磁致伸缩式传感器、EMAT 和激光传感器等。压电传感器和压电晶片是最常用的两种，它们的特点是便用制造，主要的缺点在于需要耦合剂，很难激励对称模态且激励出的模态也不单一，另外此两种传感器激励出的超声导波具有波束指向性，耦合剂的存在还使得测量出的最终结果依赖于耦合条件，误差较大。磁致伸缩式传感器利用材料的磁致伸缩效应及其逆效应进行工作，可以激励出较大的面内位移，可以用于水平剪切波的激发，但很难实现周向一致的Lamb波的激励。 EMAT传感器是利用通电线圈在其正下方的导体材料中产生镜像涡流，在固定磁场的作用下，由于洛仑兹力的作用，在板中耦合产生超声导波，因而很容易产生面内位移，且通过控制线圈的形状，可激发出周向一致的SO模态Lamb波。同时，它是一种非接触式的传感器，无需耦合剂即可在结构中激励产生出Lamb波，对于不平整的的表面、弯曲的表面或是存在腐蚀坑的表面亦适用。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服了以上常用传感器的缺点，实现了一种在板中周向一致激励接收单一 SO模态Lamb波的电磁声传感器。该传感器由BNC接头⑴(刺刀螺母连接器)、保护外壳O)、阻抗匹配电路(3)、导线(4)、磁铁(5)、端部保护壳(6)、环形线圈(7)、垫片(8)和支撑套(9，10)组成，如图1中所示。保护外壳(2)下端开口，端部保护壳(6)在保护外壳O)的开口处与其相连，环形线圈(7)置于端部保护壳(6)内，其上置有垫片(8)，，磁铁(5)置于环形线圈(7)的正上方， 一个支撑套(9)置于磁铁( 上，一个支撑套(9)上设置有阻抗匹配电路(3)，另一个支撑套(10)置于保护外壳O)的上顶端与阻抗匹配电路⑶之间，支撑套(9、10)将阻抗匹配电路(3)固定住，阻抗匹配电路(3)与环形线圈(7)通过置于保护外壳O)方槽中的导线 ⑷相连，再通过两根导线与BNC接头⑴相连。所述的保护外壳(2)为整个传感器提供保护。一个BNC接头⑴置于保护外壳顶端，用于信号的输入输出，保护外壳(2)上开有方槽用于放置连接环形线圈(7)与阻抗匹配电路(3)的导线0)，如图2中所示。所述的环形线圈(7)置于端部保护壳(6)内。所述的端部保护壳(6)端面外侧加工有螺纹，端部保护壳通过此螺纹与保护外壳(2)相连，可以方便地拆装，更换线圈。所述的磁铁(5)，为实心圆柱形磁铁，要求磁场方向在磁铁的正下方均勻且方向垂直向下。所述的阻抗匹配电路(3)，在200kHz时将线圈的输出阻抗匹配为50 Ω。所述的支撑套(9，10)共两个，用于固定磁铁(5)和阻抗匹配电路(3)，外径与保护外壳O)的内径相等。应用上述的周向一致激励接收单一 SO模态Lamb波的电磁声传感器的检测系统， 由计算机、任意函数发生器、功率放大器、传感器、前置放大器和数据采集卡组成，计算机与任意函数发生器相连，控制其产生窄频调制信号，任意函数发生器与功率放大器相连，功率放大器与激励传感器相连，在板中激励产生SO模态Lamb波，接收传感器与前置放大器相连，前置放大器与数据采集卡相连，数据采集卡连接入计算机。激励传感器与接收传感器置于待检测钢板上。传感器的工作原理如图5中所示，传感器激励过程通电的环形线圈在其正下方的导体板上产生镜像涡流，此涡流存在区域近似与环形线圈一致，电流方向与环形线圈中电流方向一致，假设固定磁场的方向如图5中所示垂直向下，若环形线圈中通有交流电时， 此涡流的方向也交替变换，由于洛仑兹力的作用，涡流中的每一个带电微粒将开始振动，整个环形区域的微粒的振动形成了以环形线圈中心为圆心的环形扩散传播的Lamb波，同时由于环形线圈的对称性，传播开的Lamb波在各个方向是均勻的。由于振动源的以面内位移上绝对主导，将激励产生对称模态的Lamb波，如果激励频率选择在一阶对称和反对称模态 Lamb波的截止频率之下，此时板中将只可能存在AO和SO两个模态，因而此传感器激励出来的模态SO模态占绝对主导。传感器接收过程当结构中存在SO模态的Lamb波时，其面内位移占主导，振动微粒运动方向与磁场方向垂直，切割磁感线产生感应电流，此感应电流耦合和线圈，即为接收的振动信号，当结构中存在AO模态的Lamb波时，其离面位移占主导，振动微粒运动方向与磁场方向平行，并不产生感应电流，因而传感器接收过程对AO模态不敏感。本实用新型具有的有益效果是，一种激励产生单一零阶对称模态，即SO模态的 Lamb波，此传感器在360度的方向上具有一致的激励灵敏度与接收灵敏度，且为非接触式传感器，无需耦合剂即可在结构中激励产生出Lamb波，对于不平整的表面、弯曲的表面或是存在腐蚀坑的表面亦适用。
图1 :周向一致单一 SO模态Lamb波电磁声传感器的结构示意图；图2 保护外壳截面示意图；图3 电磁声传感器中环形线圈的结构示意图；图4 周向一致单一 SO模态Lamb波电磁声传感器的中支撑套的截面视图；图5 周向一致单一 SO模态Lamb波电磁声传感器工作原理图；图6 利用本实用新型中的传感器的典型检测系统结构图；图7 典型单激单收检测系统中的激励信号图；图8 典型单激单收检测系统中的原始接收信号图。图中，I-BNC接头，2-保护外壳，3-阻抗匹配电路，4-导线，5-磁铁，6-端部保护壳，7-环形线圈，8-垫圈，9-支撑套，10-支撑套。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对于本实用新型作进一步说明如图1所示，本实用新型的传感器由BNC接头(1)(刺刀螺母连接器)、保护外壳 (2)、阻抗匹配电路(3)、导线(4)、磁铁(5)、端部保护壳(6)、环形线圈(7)、垫片(8)和支撑套(9，10)组成，如图1中所示。保护外壳(2)下端开口，端部保护壳(6)在保护外壳(2) 的开口处与其相连，环形线圈(7)置于端部保护壳(6)内，其上置有垫片(8)，，磁铁(5)置于环形线圈(7)的正上方，一个支撑套(9)置于磁铁(5)上，一个支撑套(9)上设置有阻抗匹配电路(3)，另一个支撑套(10)置于保护外壳(2)的上顶端与阻抗匹配电路(3)之间，支撑套(9、10)将阻抗匹配电路(3)固定住，阻抗匹配电路(3)与环形线圈(7)通过置于保护外壳(2)方槽中的导线(4)相连，再通过两根导线与BNC接头(1)相连。所述的保护外壳(2)为整个传感器提供保护。一个BNC接头⑴置于保护外壳顶端，用于信号的输入输出，保护外壳(2)上开有方槽用于放置连接环形线圈(7)与阻抗匹配电路(3)的导线0)，如图2中所示。所述的环形线圈(7)置于端部保护壳(6)内。所述的端部保护壳(6)端面外侧加工有螺纹，端部保护壳通过此螺纹与保护外壳(2)相连，可以方便地拆装，更换线圈。所述的磁铁(5)，为实心圆柱形磁铁，要求磁场方向在磁铁的正下方均勻且方向垂直向下。所述的阻抗匹配电路(3)，在200kHz时将线圈的输出阻抗匹配为50 Ω。[0033]所述的支撑套(9，10)共两个，用于固定磁铁(5)和阻抗匹配电路(3)，外径与保护外壳O)的内径相等。一种本实用新型所述的周向一致单一 SO模态Lamb波电磁声传感器的加工和装配过程保护外壳为整个传感器的外封和支架，外直径40mm，内直径35mm，高50mm，工程塑料加工而成，上顶部厚5mm，其上加工有BNC接头孔，底部全开口，端部加工有螺纹，跟端部保护壳配合。装入图1中支撑套10，其几何尺寸为外直径35mm，内直径24mm，高10mm，工程塑料加工而成。装入BNC接头，连接BNC接头与阻抗匹配电路间的信号线及阻抗匹配电路与环形线圈间的信号线。装入阻抗匹配电路，此电路在200kHz时将线圈的输出阻抗匹配为50 Ω，印刷于圆形PCB电路板上，电路板直径35mm，将与环形线圈连接的导线压入保护外壳侧部的方槽中。装入图1中支撑套9，几何尺寸与支撑套10同。装入磁铁，磁铁几何尺寸为直径33mm，高20mm，圆柱形。将环形线圈装入端部保护壳中，环形线圈如图3中所示，外圈直径^mm，内圈直径 10mm，环形线圈印于印刷电路板上下表面，各M圈，上下表面的环形线圈通过中心的通孔相连接，绕线方向相反。将垫圈置于环形线圈上部，用于固定线圈，磁铁与线圈之间留有3mm 的空隙。端部保护壳端面外直径40mm，底部厚2mm，凸台外直径35mm，内直径31mm，凸台外侧加工有螺纹，端部保护壳通过此螺纹与保护外壳相连，可以方便地拆装，更换线圈。使用方法应用本实用新型的典型检测系统如图6中所示，由计算机、任意函数发生器、功率放大器、传感器、前置放大器和数据采集卡组成，计算机与任意函数发生器相连，控制其产生窄频调制信号，任意函数发生器与功率放大器相连，功率放大器与激励传感器相连，在板中激励产生SO模态Lamb波，接收传感器与前置放大器相连，前置放大器与数据采集卡相连，数据采集卡连接入计算机。激励传感器与接收传感器置于待检测钢板上。计算机控制任意函数发生器产生窄频调制信号，通过功率放大器后，信号放大为20 60V，为防止环形线圈烧坏，功率放大器输出信号最大值为60V。功率放大器输出信号，直接输入激励传感器， 在板中激励产生SO模态Lamb波，接收传感器接受到Lamb波信号后，输入给前置放大器，由于传感器输出电压一般在几十个微伏，前置放大器放大倍数需为一万倍以上，前置放大器输出信号接入数据采集卡，再导入计算机，即可完成单激单收的检测，一组典型检测信号如图7中所示，两个相距为560mm的传感器，采用上述典型检测系统，在3mm厚铝板中的检测信号，图7第一幅图为激励信号图，激励信号为中心频率为200kHz汉宁窗调制的5个周期的正弦波信号，图8第二幅图为原始接收信号图，第一个直达波信号即为SO模态波包信号。
权利要求1.一种周向一致单一 SO模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于其包括有BNC接头(1)、保护外壳(2)、阻抗匹配电路(3)、导线(4)、磁铁(5)、端部保护壳(6)、环形线圈(7)、 垫片⑶和支撑套(9，10)。保护外壳(2)下端开口，端部保护壳(6)在保护外壳(2)的开口处与其相连，环形线圈(7)置于端部保护壳(6)内，其上置有垫片(8)，，磁铁(5)置于环形线圈(7)的正上方，一个支撑套(9)置于磁铁(5)上，一个支撑套(9)上设置有阻抗匹配电路(3)，另一个支撑套(10)置于保护外壳(2)的上顶端与阻抗匹配电路(3)之间，支撑套 (9、10)将阻抗匹配电路(3)固定住，阻抗匹配电路(3)与环形线圈(7)通过置于保护外壳(2)方槽中的导线(4)相连，再通过两根导线与BNC接头(1)相连。
2.根据权利要求1所述的所述的一种周向一致单一SO模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于所述的端部保护壳(6)端面外侧加工有螺纹，端部保护壳通过此螺纹与保护外壳( 相连，可以方便地拆装，更换线圈。
3.根据权利要求1所述的所述的一种周向一致单一SO模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于所述的磁铁(5)，为实心圆柱形磁铁，要求磁场方向在磁铁的正下方均勻且方向垂直向下。
4.根据权利要求1所述的所述的一种周向一致单一SO模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于所述的阻抗匹配电路(3)在200kHz时将环形线圈(7)的输出阻抗匹配为50 Ω。
5.根据权利要求1所述的所述的一种周向一致单一SO模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于所述的用于固定磁铁(5)和阻抗匹配电路(3)支撑套(9，10)共两个，外径与保护外壳⑵的内径相等。
6.应用权利要求1所述的周向一致激励接收单一SO模态Lamb波的电磁声传感器的检测系统，其特征在于由计算机、任意函数发生器、功率放大器、传感器、前置放大器和数据采集卡组成，计算机与任意函数发生器相连，控制其产生窄频调制信号，任意函数发生器与功率放大器相连，功率放大器与激励传感器相连，在板中激励产生SO模态Lamb波，接收传感器与前置放大器相连，前置放大器与数据采集卡相连，数据采集卡连接入计算机；激励传感器与接收传感器置于待检测钢板上。
专利摘要一种周向一致单一S0模态Lamb波电磁声传感器，属于无损检测领域。该传感器保护外壳下端开口，端部保护壳在保护外壳的开口处与其相连，环形线圈置于端部保护壳内，其上置有垫片，磁铁置于环形线圈的正上方，一个支撑套置于磁铁上，一个支撑套上设置有阻抗匹配电路，另一个支撑套置于保护外壳的上顶端与阻抗匹配电路之间，支撑套将阻抗匹配电路固定住，阻抗匹配电路与环形线圈通过置于保护外壳方槽中的导线相连，再通过两根导线与BNC接头相连。本传感器在360度的方向上具有一致的激励灵敏度与接收灵敏度，且为非接触式传感器，无需耦合剂即可在结构中激励产生出Lamb波，对于不平整的表面、弯曲的、存在腐蚀坑的表面都适用。
文档编号G01N29/24GK202216942SQ20112035463
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者何存富, 吴斌, 周进节, 李杨, 郑阳 申请人:北京工业大学