[發明專利]一種多主頻組合的SH0模態電磁聲傳感器

無效

• 申請號: 201210004883.4
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102608220A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 吳斌;李楊;鄭陽;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明屬于無損檢測領域，具體涉及一種多主頻組合的SH0模態電磁聲傳感器(EMAT，Electromagnetic?Acoustic?Transducer)。

背景技術

水平剪切波(SH波)是在板類結構中傳播的一種超聲導波，其傳播特性在導波檢測方面是十分誘人的。SH在板中只產生平行于板面的剪切方向振動，當遇到與其質點振動方向相一致的界面發生反射時，SH波不發生模態轉換。此外，SH波的零階模態不頻散，且傳播速度較低，同等儀器條件下具有較高的空間分辨力。因而SH波被廣泛應用于板的各類缺陷檢測以及結構健康監測中。

EMAT是具有周期性分布結構的超聲傳感器，非常便于產生面內位移，因此常被用于在試件內產生SH波。其特點在于，傳感器總是選擇性地激勵或接收波長與其分布周期相一致的模態。通過線圈形態與固置磁場的分布搭配可以在試件表面激勵出不同方向的位移。因此，線圈形態和固置磁場的設計是EMAT設計的關鍵。圖1為常用的SH波EMAT。

線圈：

為了提供產生SH波的剪切振動，SH波EMAT的線圈通常采用回折型線圈，當線圈中通入交變的電流時，在鐵磁性試件的表面產生交變的動磁場，該動磁場與由固置磁鐵產生的靜磁場交互作用，在試件表面或近表面層中產生剪切的振動并向線圈延伸的方向(圖中的左右方向)傳播，即形成了SH波。

線圈寬度決定了傳感器的孔徑，從而決定了傳感器所激勵出的聲波的聲束寬度。當線圈寬度越大時，傳感器所激勵出的聲束越集中，傳感器指向性越好；當線圈寬度越小時，傳感器所激勵出的聲束越發散，同等距離下傳感器所覆蓋的區域越大。不過線圈寬度的設計應同時考慮傳感器指向性的需求和由增大線圈寬度所帶來的偏置磁鐵的遠離(即偏置磁場強度的就降低)。

線圈周期決定了傳感器所能激勵和接收的聲波的波長，聲波的波長即為線圈周期。線圈中相鄰的兩根線段中的電流方向相反，其間距應為波長的一半。當被檢材料確定時，線圈周期則對應了其所能激勵和接收的聲波的頻率。正是由于線圈的周期性排布，實現了EMAT的模態選擇性。

線圈周期數越大，傳感器所能激勵出的聲波能量越大，但同時會時激勵出信號的時域寬度加長，從而降低了檢測的時域分辨力。當遇到相聚較近的缺陷時，信號會相互疊加、難以分辨。

磁鐵：

EMAT通常采用永磁鐵來提供偏置磁場。這種方式簡單便捷，但在實際應用中存在不足。當傳感器頻率較低(線圈周期較大)時，為了提供均勻分布的磁場，需選用體積較大的磁鐵。這將導致傳感器過于笨重，而檢測對象為鐵磁性材料時回不便于移動。

以上線圈和磁鐵的設計導致了常用SH波EMAT在接收信號幅值、時域分辨力和傳感器靈活性上的不足。

發明內容

為了解決現有的EMAT接收信號幅值、時域分辨力和傳感器靈活性上的缺點，一種多主頻組合的SH0模態電磁聲傳感器。

該傳感器由信號輸入BNC接頭1、信號輸出BNC接頭2、脈沖電磁鐵供電BNC接頭3、磁鐵固定板4、保護外殼5、脈沖電磁鐵6和回折型線圈7組成，如圖2中所示。回折型線圈7置于保護殼5底面凹槽內，保護殼內部置有脈沖電磁鐵6，其上為磁鐵固定板4。在保護外殼的最上端為保護外殼的蓋板，其上固定有信號輸入BNC接頭1、信號輸出BNC接頭2和脈沖電磁鐵供電BNC接頭3。

所述的磁鐵固定板4，目的在于固定住兩塊電磁鐵，以確保在強磁場的作用下，兩電磁鐵不會吸合。

所述的保護外殼5為整個傳感器提供保護。信號輸入BNC接頭1，信號輸出BNC接頭2和脈沖電磁鐵供電BNC接頭3置于保護外殼頂端。磁鐵固定板4與脈沖電磁鐵6置于保護外殼內部，回折型線圈固定于保護外殼底端的凹槽內，如圖3中所示。為了表征外殼內部各元件的分布，圖3中的保護外殼為簡化模型，實際保護外殼應包含特殊設計的凹坑、凹槽以便于固定脈沖電磁鐵與回折型線圈。

所述的脈沖電磁鐵6，為具有方形鐵芯的脈沖電磁鐵，要求磁場方向在磁鐵的正下方均勻且方向垂直向下/向上，兩脈沖電磁鐵所產生的磁場的方向相反，如圖3中所示。工作時，在脈沖電磁鐵的線圈中激勵一個脈沖信號，其寬度應大于激勵信號。兩脈沖電磁鐵會在試件表面形成一個方向由一脈沖電磁鐵指向另一脈沖電磁鐵的偏置磁場。脈沖電磁鐵的匝數與通電電流應根據所需的偏置磁場強度進行設計。

所述的回折型線圈7固定于保護外殼5底端的凹槽內。所述的回折型線圈7的線圈周期并不相等，而是按照一定的規律變化，線圈印制于印刷電路板上，上表層與下表層印制的線圈首尾對齊，但其分布規律相反，如圖4所示。