一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器。多个磁致伸缩薄片阵元均由各自的磁致伸缩薄片、直流偏置线圈和交流线圈组成，两线圈正交缠绕在磁致伸缩薄片上，各阵元的线圈端经各自接口与总接口连接；交流线圈经线路切换装置能与功率放大电路模块相连；或经线路切换装置能与信号调理方法电路模块相连；交流线圈作为检测线圈，直流偏置线圈提供直流偏置磁场，多个磁致伸缩薄片阵元组成一维线阵。调节各磁致伸缩薄片阵元的激励时间，实现SH导波模式的精确控制，结合扫频技术，可实现SH导波模式全面扫查，反之控制各阵元的接收时间延时，可选择性接收某种SH模式的导波信号，本发明间距可动态调节，实现SH导波模式的精确控制和全面扫查。
【专利说明】
一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器
技术领域
[0001]本发明涉及导波换能器，尤其是涉及一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器。 【背景技术】
[0002]超声导波是一种长距离无损检测技术，具有检测范围广，检测效率高，可以实现全截面覆盖等优点，因此在管道、杆、钢轨、板等结构的无损检测中有着广泛的应用。按激励方式，超声导波换能器主要有压电式、磁致伸缩式、电磁超声式和激光超声等，压电式导波换能器从结构分为斜入射式和梳状阵列式两种，斜入射式导波换能器是压电纵波探头以一定角度入射至结构表面，根据斯涅耳定律，得到结构内弹性波的相速度，在频率-相速度坐标系下，斜入射式导波换能器的输出特性表现为一水平直线，即该直线与频散曲线的交叉点是可选择的工作点；梳状阵列式导波换能器输出弹性波的波长是恒定的，其输出特性表现为一通过零点的斜线，该斜线与频散曲线的交叉点是可选择的工作点。因此斜入射式和梳状阵列式导波换能器都只能输出有限的固定模式的导波，无法实现频散曲线上导波模式的全面扫查。
[0003]近年来以FeN1、FeCo合金作为换能元件的磁致伸缩薄片式换能器 (Magnetostrictive Patch Transducer，简称MPT)在导波无损检测领域越来越受到关注， 其突出的优点是:灵敏度高、检测距离更远、耐久性好、操作简单、成本低，MPT相比压电式和电磁超声能产生更纯净的剪切模态，具有更大的剪切力输出，使其在管道的T(0，1)模态和板状结构的SH0模态无损检测中获得了广泛应用。然而目前的磁致伸缩薄片式换能器只能输出固定模式的导波，难以输出高阶模式的SH(水平剪切)导波，无法实现导波模式的全面扫查。
[0004]不同频率不同模式的导波有不同的波结构，即存在不同的位移场分布，因此不同频率和不同模式的导波对各种缺陷有不同的敏感程度。开发具有模式扫查功能的导波换能器，在频散曲线空间里尽可能激发出更多更纯净的导波模式，才能充分发挥导波检测的优势和潜力。
【发明内容】
[0005]为了突破磁致伸缩薄片换能器只能输出固定模式导波的限制，本发明的目的在于提供一种磁致伸缩相控阵SH(水平剪切)导波换能器，能够实现SH导波模式的精确控制和全面扫查。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:本发明包括:基底，多个结构相同的磁致伸缩薄片阵元，绝缘层和总接口；多个磁致伸缩薄片阵元均由各自的磁致伸缩薄片、直流偏置线圈和交流线圈组成，直流偏置线圈和交流线圈正交缠绕在磁致伸缩薄片上，用环氧树脂粘结在基底上，基底上面覆盖有绝缘层，各阵元的线圈端经各自接口用电缆与总接口连接;交流线圈经线路切换装置能与功率放大电路模块相连;交流线圈或经线路切换装置能与信号调理方法电路模块相连;交流线圈作为检测线圈，直流偏置线圈提供直流偏置磁场，多个磁致伸缩薄片阵元组成一维线阵形式。
[0007]所述磁致伸缩薄片阵元的宽度为1?10mm，长宽比大于8,各磁致伸缩薄片阵元之间的间距为阵元宽度的2?3倍，一维线性阵元的个数为4?16,剪切波沿阵元宽度方向传播。
[0008]所述基底材料为聚酯胶片或聚酰亚胺胶片。
[0009]所述磁致伸缩薄片其厚度为0.05-0.5mm的Fe_N1、Fe_Co、Fe_Ga、NiMnGa或 Terfenol-D磁致伸缩材料。
[0010]本发明具有的有益效果是:本发明通过多个结构相同的磁致伸缩薄片阵元组成磁致伸缩相控阵SH导波换能器，通过环氧树脂粘结在具有良好导波耦合特性的基底材料上，调节一维线阵上的各磁致伸缩薄片阵元的激励时间，实现SH导波模式的精确控制，结合扫频技术，可实现SH导波模式全面扫查，反之控制各阵元的接收时间延时，可选择性接收某种SH模式的导波信号，该方法本质上是基于相控阵的思想使传统的固定间距的梳状阵列导波换能器变为间距可动态调节，实现 SH导波模式的精确控制和全面扫查。【附图说明】
[0011]图1是本发明结构主视示意图。
[0012]图2是图1的俯视图。
[0013]图3是磁致伸缩薄片阵元结构示意图。
[0014]图4是8mm厚度的平钢板的相速度频散曲线及斜入射式导波换能器与梳状阵列式导波换能器输出特性示意图。
[0015]图5是本发明精确输出某高阶模式导波过程示意图。
[0016]图中:1、磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器，2、基底，3、磁致伸缩薄片阵元，4、 绝缘层，5、总接口，6、电缆，7、磁致伸缩薄片，8、直流偏置线圈，9、交流线圈，10、线路切换装置，11、功率放大电路模块，12、信号调理放大电路模块。r是磁致伸缩薄片阵元3的宽度，Z 是磁致伸缩薄片阵元3的长度，s是磁致伸缩薄片阵元3之间的间距。【具体实施方式】[〇〇17]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0018]如图1、图2所示，本发明的磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器1，包括:基底2,多个结构相同的磁致伸缩薄片阵元3 (图中为八个阵元)，绝缘层4和总接口 5。多个磁致伸缩薄片阵元组成一维线阵形式，通过调节各磁致伸缩薄片阵元的激励时间，实现SH导波模式的精确控制，结合扫频技术，可实现SH导波模式全面扫查，反之控制各阵元的接收时间延时， 可精确接收某种SH模式的导波信号。
[0019]如图2所示，所述磁致伸缩薄片阵元3的宽度r为1?10mm;长宽比U/ r)大于8,即 L彡8r ;各磁致伸缩薄片阵元3之间的间距s为阵元宽度r的2倍，S卩s =2r ;—维线性阵元的个数为4?16,剪切波沿阵元宽度方向传播。
[0020]如图3所示，多个磁致伸缩薄片阵元3均由各自的磁致伸缩薄片7、直流偏置线圈8和交流线圈9组成，直流偏置线圈8和交流线圈9正交缠绕在磁致伸缩薄片7上，用环氧树脂粘结在基底2上，基底2上面覆盖有绝缘层4,各阵元的线圈端经各自接口用电缆6与总接口 5 连接;交流线圈9经线路切换装置10能与功率放大电路模块11相连;交流线圈9或经线路切换装置10能与信号调理方法电路模块12相连;交流线圈9作为检测线圈，直流偏置线圈8提供直流偏置磁场，多个磁致伸缩薄片阵元组成一维线阵形式。两组通电线圈分别提供魏德曼效应所需的直流偏置磁场和动态交流磁场，磁致伸缩薄片阵元在魏德曼效应作用下产生剪切应变。[〇〇21] 功率放大电路模块11的型号为:LVC5050或RPR-4000。[〇〇22] 信号调理放大电路模块12型号为:SRS SR560或HB-851A。
[0023]所述基底1材料为具有良好导波耦合特性的聚酯胶片或聚酰亚胺胶片。
[0024]所述磁致伸缩薄片 7 其厚度为 0.05-0.5mi49Fe-N1、Fe-Co、Fe-Ga、NiMnGaS Terfenol-D磁致伸缩材料。环氧树脂将磁致伸缩薄片阵元与基底材料粘结成一体，基底材料通过环氧树脂或可重复使用的横波耦合剂与被检测结构相连，磁致伸缩薄片阵元产生的剪切应变通过基底材料和环氧树脂或横波耦合剂最终传递至被检测结构内部。
[0025]如图4所示，斜入射式导波换能器的输出特性在频率-相速度坐标系下表现为一水平线，即其相速度为恒定值G，其大小根据斯涅耳定律确定，水平线与频散曲线相交点是可选择的导波工作模式。梳状阵列式导波换能器的输出特性在频厚积-相速度坐标系下表现为一斜线/，其倾斜角〃=atan ( h)，即输出导波的波长为恒定值Ao， 斜线与频散曲线相交点是可选择的导波工作模式。可以看出斜入射式导波换能器和梳状阵列式导波换能器的导波工作模式选择范围有限，且非常不灵活。
[0026]如图5所示，磁致伸缩相控阵SH导波换能器参数设计过程为:首先根据板结构几何、材料参数，计算工作频率范围内的相速度频散曲线，包含模态SH0、SH1、SH2、SH3、SH4、 SH5,选取相速度-频率平面空间上的对角线，由心=〇7 //，确定磁致伸缩阵元的间距s = 七，C/70 =七/ ;相控阵列导波换能器的输出特性为曲线C/7 =/1(9(1 + (3? ?々/，如图5所示， 若已知频散曲线上某点(目标模态)的频率为乃，相速度为，由4，又1 =心+ A 2=七 +(5? ? r,可推出 CjOi = CjO(9(l+ 因此 7=((3^/(37(9-1)//^ ;阵元①的延时时间为0,阵元②的延时时间为r，阵元③的延时时间为2 r，以此类推，阵元⑧的延时时间为7 r ;若需激励的工作点在对角线的右下方，则延时时间r为负值，表示阵元⑧的延时延时为0， 阵元⑦的延时延时为r，以此类推。若事先不知道结构准确的频散曲线，可以参照上述方法，通过扫频及阵元延时时间参数调整，实现导波模式的盲扫。
[0027]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器，其特征在于，包括:基底(2)，多个结构相 同的磁致伸缩薄片阵元(3)，绝缘层(4)和总接口(5);多个磁致伸缩薄片阵元(3)均由各自的磁致伸缩薄片(7)、直流偏置线圈(8)和交流线 圈(9)组成，直流偏置线圈(8)和交流线圈(9)正交缠绕在磁致伸缩薄片(7)上，用环氧树脂 粘结在基底(2)上，基底(2)上面覆盖有绝缘层(4)，各阵元的线圈端经各自接口用电缆(6) 与总接口(5)连接;交流线圈(9)经线路切换装置(10)能与功率放大电路模块(11)相连;交 流线圈(9)或经线路切换装置(10)能与信号调理方法电路模块(12)相连;交流线圈(9)作为 检测线圈，直流偏置线圈(8)提供直流偏置磁场，多个磁致伸缩薄片阵元组成一维线阵形 式。2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器，其特征在于:所述 磁致伸缩薄片阵元(3)的宽度为1?10mm，长宽比大于8,各磁致伸缩薄片阵元(3)之间的间 距为阵元宽度的2?3倍，一维线性阵元的个数为4?16,剪切波沿阵元宽度方向传播。3.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器，其特征在于:所述 基底(1)材料为聚酯胶片或聚酰亚胺胶片。4.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器，其特征在于:所述 磁致伸缩薄片(7)其厚度为 0.05-0.5mm 的 Fe_N1、Fe-Co、Fe_Ga、NiMnGaSTerfenoH^|^:H$ 缩材料。
【文档编号】G01N29/24GK106093209SQ201610359784
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】唐志峰, 姜晓勇, 吕福在, 张小伟
【申请人】浙江大学