[發明專利]一種基于陣列磁鐵電磁超聲的彈性常數測量方法

有效

• 申請號: 201910670312.6
• 申請日: 2019-07-24
• 公開（公告）號: CN110487908B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 劉海波;李亞鵬;劉天然;李特;劉彥坤;王永青
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種基于陣列磁鐵電磁超聲的彈性常數測量方法，其特征是，該方法首先設計，并制作平面海爾貝克磁鐵陣列；其次，基于磁鐵陣列特征，設計不同結構柔性印刷線圈；集成與組裝陣列磁鐵電磁超聲，最后，利用陣列磁鐵電磁超聲，測量被測點處縱波與橫波回波聲時，完成材料彈性常數計算；方法的具體步驟如下：

第一步，平面海爾貝克陣列磁鐵設計

基于線性海爾貝克磁鐵陣列(A)特征，磁場強度分為強弱兩側，在線性海爾貝克磁鐵陣列中心區域(A1)主要分布垂直方向磁場，在線性海爾貝克磁鐵陣列鄰近區域(A2)分布水平方向磁場；創新設計平面海爾貝克磁鐵陣列(C)，平面海爾貝克磁鐵陣列(C)采用n·n個立方永磁鐵通過樹脂膠粘結而成；采用兩個線性磁鐵陣列正交布置，組成正交分布式磁鐵陣列(B)，并增大垂直磁場在正交分布式磁鐵陣列中心區域(B1)的分布面積；為保證正交分布式磁鐵陣列鄰近區域(B2)具有高強度磁場，在正交分布式磁鐵陣列(B)最外側一周采用相反方向的線性磁鐵陣列；剩下其余位置采用永磁鐵按照對稱方式布置，以此提高水平與垂直磁場強度；

該平面海爾貝克磁鐵陣列(C)與線性海爾貝克磁鐵陣列(A)具有相同的特性，其磁場強度分為強弱兩側，在磁場的強側，首先，平面海爾貝克磁鐵陣列中心區域(C1)具有高強度磁場且方向垂直；然后，隨著逐漸遠離中心區域，在平面海爾貝克磁鐵陣列鄰近區域(C2)磁場方向變為水平；最后，磁場方向仍然是垂直的，但當它們到達邊緣時，磁場變為相反方向；

第二步，柔性印刷線圈設計

根據電磁超聲橫波和縱波產生機理，一個小型方形線圈(a)占據平面海爾貝克磁鐵陣列垂直磁場區域時，會激發橫波；當方形環形線圈(b)覆蓋水平磁場區域時，會激發縱波；為了同時產生縱波和橫波，普通方形線圈(c)需要同時覆蓋垂直磁場區域和水平磁場區域；因此，設計了三種不同的線圈：只覆蓋平面海爾貝克磁鐵陣列中心區域(C1)的小型方形線圈(a)，只覆蓋平面海爾貝克磁鐵陣列鄰近區域(C2)的方形環形線圈(b)，覆蓋平面海爾貝克磁鐵陣列中心區域(C1)和平面海爾貝克磁鐵陣列鄰近區域(C2)的普通方形線圈(c)；

第三步，陣列磁鐵電磁超聲集成與組裝

陣列磁鐵電磁超聲由外殼(1)、平面海爾貝克磁鐵陣列(C)、柔性線圈印刷板(3)和MMCX連接口(2)組成；外殼(1)由鋁合金材料制成，保證平面海爾貝克磁鐵陣列(C)的高磁通密度；MMCX連接口(2)焊接在柔性線圈印刷板(3)上，與三根同軸電纜連接，并用樹脂膠粘結固定；三根同軸電纜也用樹脂膠固定在鋁合金外殼(1)上，保證測量過程中不因重力等其它因素使連接處松脫；

在柔性線圈印刷板(3)中，將小型方形線圈(a)置于最底層，使測量時提離距離變小，方形環形線圈(b)置于中間層，普通方形線圈(c)置于最頂層，使三種線圈在整個裝置集成過程中具有合適的提離距離分配，保證三個線圈在被測材料表面產生的渦流都具有較高強度；

第四步，材料彈性常數測量

將集成組裝后的陣列磁鐵電磁超聲(12)經過雙工器(7)與終端電阻(8)和脈沖發生器(4)相連接，并通過功率放大器(9)與示波器(10)相連接以顯示超聲信號，示波器(10)通過USB線(11)與PC端(5)連接采集并存儲數據，為減少陣列磁鐵電磁超聲(12)與脈沖發生器(4)之間失配，阻抗匹配網絡(6)連接在陣列磁鐵電磁超聲(12)與雙工器(7)之間；陣列磁鐵電磁超聲(12)放置在被測材料(13)上方，使陣列磁鐵電磁超聲(12)激勵的超聲信號沿板厚方向傳播并從板的底部反射，一系列回波信號重新被陣列磁鐵電磁超聲(12)接收；

超聲測量彈性常數通過測量橫波與縱波速度來實現；對于多晶金屬一般為各向同性材料，用兩個彈性常數確定其彈性性能，這兩個彈性常數是拉梅常數(λ,μ)或楊氏模量E和泊松比ν，它們與橫波和縱波速度的關系是，

式中，c_s為橫波速度，c_l為縱波速度，ρ為材料密度；

為計算超聲速度，需測量縱波回波和橫波回波的傳播時間；然而，根據公式(1)和公式(2)，被測材料泊松比接近1/3時，縱波速度約為橫波速度的2倍，接收信號中的第二縱波回波和第一橫波回波發生重疊現象；因此，縱波回波的傳播時間由第一縱波回波和第三縱波回波確定，橫波回波的傳播時間由第一橫波回波和第二橫波回波確定；利用縱波回波和橫波回波得到傳播時間之后，根據被測材料已知板厚計算這兩種波型的傳播速度，并根據公式(1)和公式(2)計算材料的彈性常數。