模态Lamb波电磁声传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明为一种全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器，属于超声无损检测领域，其可在板结构中激励全向型的单一 Atl模态Lamb波。
【背景技术】
[0002]金属板材作为一种基本的工业原材料，被广泛的应用于航空航天、土木、机械等领域。但目前金属板材在生产过程中不可避免的存在裂纹、分层、夹杂等缺陷，所以利用无损检测技术对其进行质量检测是非常有必要的。超声导波技术是一种新兴的无损检测新技术，相比传统的检测方法，其具有检测范围大、效率高、衰减小等优点，对于结构表面缺陷和内部缺陷都相当敏感，因此超声导波技术广泛应用于多类工程结构的无损评价和健康监测。Lamb波是在板结构中传播的超声导波，常用的Lamb波检测模态主要包括零阶反对称模态(Atl模态)和零阶对称模态(Stl模态)两种。与S C1模态相比，A C1模态的质点振动位移以离面位移为主，且波长更短，故其对板中的缺陷更为敏感，适用于板结构中缺陷的精确检测。
[0003]目前，常用的超声Lamb波传感器主要有压电传感器(PZT)和电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)两种。在使用压电传感器时，必须要在被测试件表面涂抹纯净均匀的耦合剂，由于耦合剂的介入使得压电超声技术的应用受到了一些限制，例如不适合用于高温、高速、表面粗糙试件的检测，再如检测的盲区比较大，检测效率底等。与压电传感器相比，EMAT具有非接触、无需耦合介质、对被测件表面要求不高、方便产生各种模态超声导波等诸多优点，可应用于高温、有隔离层等特殊场合。
[0004]电磁声传感器一般主要包括磁铁和线圈两部分。通过改变磁铁和线圈的结构形式，可设计出不同类型的电磁声传感器。1997年，Guo等利用回折线圈和方形永磁体，设计出一种指向性Atl模态电磁声传感器，并进行了铝板中凹槽缺陷的检测试验，得出了 Lamb波的散射场模型。指向性传感器是指其波束具有一定的方向性，即主能量分布于某一特定方向。而全向型传感器在360°方向上具有相同的指向性，因此利用全向型传感器及其阵列能够实现板结构的大范围、高效率的检测。2010年，焦敬品等基于洛伦兹力原理，利用螺旋线圈和圆柱形永磁体，设计出一种全向型Stl模态电磁声传感器。2013年，刘增华等基于磁致伸缩效应，设计并制作一种全向型Stl模态磁致伸缩传感器，并进一步利用研制的传感器组成稀疏传感器阵列，实现了铝板中缺陷的定位与成像。2014年，黄松岭等利用螺旋形回折线圈和圆柱形永磁铁，设计出一种全向型Atl模态电磁声传感器，但该传感器激励导波的能量和信噪比较低，且模态单一性问题有待提高。
【发明内容】
[0005]本发明旨在设-H种全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器，在360°方向上具有相同的指向性，其性能要优于窄带和无指向性的传感器，利用这种全向型传感器及其阵列结合成像算法能够实现对板结构的大范围、高效率的结构健康监测和无损评价(StructuralHealth Monitoring, SHM&Nondestructive Evaluat1n, NDE)。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案:
[0007]全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁1，环形铷铁硼磁铁2，支撑套3，柔性电路板中螺旋形回折线圈4;具体而言，圆柱状铷铁硼磁铁I安装在支撑套3中，支撑套3嵌套在环形铷铁硼磁铁2内，且三者形心完全重合；柔性电路板中螺旋形回折线圈4置于环形铷铁硼磁铁2的下端，并与之紧密接触。
[0008]所述的全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于:圆柱状铷铁硼磁铁1、环形铷铁硼磁铁2均沿厚度方向极化，二者组成同心磁铁对，且同一端处极性相反。
[0009]所述的全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于:支撑套3的材料为有机玻璃，其形貌为一个同心圆环，用于磁铁的安装与定位。
[0010]所述的全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于:柔性电路板中螺旋形回折线圈4，采用双层螺旋形回折式布线方式，使得相邻两根导线中电流方向相反，每相邻两根导线间距为1，螺旋形回折线圈的内径d为导线间距I的3倍。
[0011]本发明可以获得如下有益效果:
[0012]1、圆柱状铷铁硼磁铁I嵌套在环形铷铁硼磁铁2内部，组成同心磁铁对，且两磁铁在同一端处极性相反，可提供沿磁铁径向分布的静磁场；
[0013]2、使用支撑套3对磁铁1、2进行安装定位，保证了两个磁铁的同心度，使得磁场分布更加均匀，保证了传感器激励能量的周向一致性；
[0014]3、柔性电路板中螺旋形回折线圈4，相邻两根导线间距I等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的Atl模态的半波长λ/2，通过改变相邻两根导线间距1，可以设计出不同中心频率的全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器；
[0015]4、柔性电路板中螺旋形回折线圈4，采用双层布线方式，提高了传感器的性能；
[0016]5、所设计的电磁声传感器可在导电性材料板中激励出周向一致的单一 Atl模态Lamb波，实现板结构的非接触检测。
【附图说明】
[0017]图1为全向型Aci模态Lamb波电磁声传感器结构示意图；
[0018]图2a为Imm厚铝板的群速度频散曲线；
[0019]图2b为Imm厚铝板的相速度频散曲线；
[0020]图3为全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器检测铝板缺陷试验系统示意图；
[0021]图4为激励频率为390kHz时接收信号波形图；
[0022]图5为全向型Atl模态Lamb波电磁声传感器的频率响应特性曲线；
[0023]图6为全向型测试试验的传感器布置示意图；
[0024]图7为全向型Atl模态电磁声传感器在不同角度检测到A 模态Lamb波归一化幅值。
[0025]图中:1、圆柱状铷铁硼磁铁，2、环形铷铁硼磁铁，3、支撑套，4、螺旋形回折线圈，5、高能超声激励接收装置RAM5000，6、计算机，7、数字示波器，8、激励端阻抗匹配模块，9、接收端阻抗匹配模块，10、前置放大模块，11、激励传感器，12、接收传感器，13、铝板，14、圆形通透缺陷，15、波包a，16、波包b，17、波包C，18、波包d，19、波包e。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
[0027]如图1，为本发明全向型Aci模态Lamb波电磁声传感器结构示意图；包括圆柱状铷铁硼磁铁1，环形铷铁硼磁铁2，支撑套3，双层螺旋形回折线圈4。圆柱状铷铁硼磁铁1、环形铷铁硼磁铁2组成同心磁铁对，且同一端处极性相反，可产生沿磁铁径向均匀分布的静磁场。双层螺旋形回折线圈4置于同心磁铁对底端，并与之紧密接触。
[0028]所述的圆柱状铷铁硼磁铁I如图1所示，沿厚度方向极化，其直径D1S 6_，厚度!^为 10mnin
[0029]所述的环形铷铁硼磁铁2如图1所示，沿厚度方向极化，其外径仏为40mm，内径d 2为 24mm，厚度 112为 10mm。
[0030]所述的支撑套3如图1所示，材料为有机玻璃，用于圆柱状铷铁硼磁铁1、环形铷铁硼磁铁2的安装与定位，其外径D3等于环形铷铁硼磁铁2的内径d 2为24_，其内径d 3等于圆柱状铷铁硼磁铁I的外径D1S 6mm，厚度h