一种水平剪切模态磁致伸缩传感器制造技术

本实用新型专利技术公开一种水平剪切模态磁致伸缩传感器；所要解决的技术问题是：针对现有磁致伸缩传感器换能效率低，激励的信号幅值小、模态单一性差的问题。采取的技术方案是：包括由非铁磁性材料制成的待测量板；还包括双层线圈、两块磁铁和镍带；镍带固定设置在待测量板上；双层线圈设置在镍带上，且与镍带紧密接触；两块磁铁固定设置在待测量板上，两块磁铁分别位于镍带的相对应两侧，且与镍带紧密接触；两块磁铁相对的两个面上的磁极相反。优点：本实用新型专利技术的传感器换能效率和信噪比高，激励的信号幅值更大、能量集中性更好、模态更加单一。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开一种水平剪切模态磁致伸缩传感器；所要解决的技术问题是：针对现有磁致伸缩传感器换能效率低，激励的信号幅值小、模态单一性差的问题。采取的技术方案是：包括由非铁磁性材料制成的待测量板；还包括双层线圈、两块磁铁和镍带；镍带固定设置在待测量板上；双层线圈设置在镍带上，且与镍带紧密接触；两块磁铁固定设置在待测量板上，两块磁铁分别位于镍带的相对应两侧，且与镍带紧密接触；两块磁铁相对的两个面上的磁极相反。优点：本技术的传感器换能效率和信噪比高，激励的信号幅值更大、能量集中性更好、模态更加单一。【专利说明】一种水平剪切模态磁致伸缩传感器
本技术涉及一种传感器，具体的说是一种水平剪切模态磁致伸缩传感器，可 在板结构中激励出单一的s%模态导波；属于超声无损检测领域。
技术介绍
超声导波技术是一种新兴的无损检测新技术，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，可实现板、壳、管道、杆等结构的有效检 测，近年来受到人们的广泛关注。水平剪切（Shear Horizontal, SH)波是超声导波类型之 一。由于超声导波的传播特性（如频散、多模态和衰减等）直接关系其检测效果。基于导 波在结构中的传播特性，选择合适的检测模态和频率范围相当重要。由于最低阶水平剪切 模态SHo在板结构中传播过程中的非频散特性，使得S&模态对板结构无损检测具有一定优 势。 目前，常用的激励超声导波主要两种方式，一种方式是基于材料压电效应的压电 传感器。压电传感器在激励接收超声波时，通过耦合剂与被测件接触，而且往往需要对试件 表面进行预处理，因此检测效率较低；而且压电传感器频率带宽相对较窄，容易激励出多个 导波模态，在缺陷信息提取上有一定难度。另一种方式是基于电磁耦合机理的电磁声传感 器（Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)，无需接触和使用稱合剂，可直接在导 体或铁磁性材料中激励接收超声波，具有与被测试件非接触、无需耦合介质、对被测件表面 要求不高、重复性好、适于高温、高速检测等优点。 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。1999年，H.0gi等利用不等间距的蛇形线圈和永 磁铁，设计了一种线聚焦SV波电磁声传感器。2004年，S. H. Cho, K. H. Sun等设计制作了一 种方向可调的磁致伸缩传感器，用于非铁磁性金属和非金属的检测。2005年，P. D. Wilcox 和M. J. S. Lowe等用永磁铁和盘状线圈设计了一种在非铁磁性波导中激励Lamb波电磁声 传感器，此传感器在周向具有相同的指向性。1979年，R.B. Thompson等利用回折线圈在铁 磁性材料中产生水平剪切模态S&。1990年，R. B. Thompson等采用周期永磁铁（Periodic Permanent Magnet, PPM)构成的EMAT在错板中激励出水平剪切模态SHq。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是：针对现有磁致伸缩传感器换能效率低，激励 的信号幅值小、模态单一性差的问题。 本技术的设计思想是，基于铁磁性材料镍带的磁致伸缩效应，将磁致伸缩变 形耦合进入待检测的非铁磁性材料（如铝）板，在非铁磁性材料（如铝）板中有效激励出 单一的SH0模态导波，实现非铁磁性材料（如铝）板中的缺陷检测。 本技术的目的是设计一种换能效率和信噪比高，激励的信号幅值更大、能量 集中性更好、模态更加单一的水平剪切模态磁致伸缩传感器。 为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是： -种水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括，由非铁磁性材料制成的待测量板；包括 双层线圈、两块磁铁和镍带； 所述镍带固定设置在待测量板上； 所述双层线圈设置在镍带上，且与镍带紧密接触； 所述两块磁铁固定设置在待测量板上，所述两块磁铁分别位于镍带的相对应两 侦牝且与镍带紧密接触；所述两块磁铁相对的两个面上的磁极相反； 其中，所述双层线圈包括集成在柔性电路板的上表面上的上层线圈和集成在柔性 电路板的下表面上的下层线圈；所述上层线圈穿过柔性电路板与下层线圈相连；所述上层 线圈和下层线圈相对应位置处的电流方向一致；所述上层线圈和下层线圈均采用阵列式回 折布线方式，并且导线呈成簇型布置；所述每相邻两簇线圈之间的中心间距D等于设计的 磁致伸缩传感器理论中心频率对应的半波长，即D = λ /2。 进一步优选，所述镍带的尺寸与双层线圈的尺寸一致；所述镍带边缘的厚度小于 镍带中心的厚度。本技术所述的镍带的尺寸与双层线圈的尺寸一致；镍带边缘的厚度 小于镍带中心的厚度，其目的是：镍带的边缘打磨变薄，使镍带与铝板接触边界有一个过渡 区域，可以减少导波在镍带内部来回反射的可能，减弱了磁致伸缩型传感器常见的拖尾现 象。 进一步优选，所述磁铁为铷铁硼磁铁。 进一步优选，所述待测量板为铝板。 本技术中所述的阵列式回折布线方式，为现有技术中的线圈布线方式，其具 体的方法本技术不作详细的说明。 本技术的工作原理是： 当向双层线圈1通入电流时，会在其周围产生平行于铝板表面方向的动磁场，同 时置于镍带3两侧的铷铁硼磁铁2会产生与之垂直的静磁场，基于磁致伸缩效应，紧贴铝板 外表面布置的镍带3产生剪切变形，并将这种剪切运动传递给铝板，在铝板中有效地激励 出S&模态导波。 本技术与现有技术相比，其有益效果是： 1、柔性电路板中包含双层线圈1，每相邻两簇线圈间距D等于设计的磁致伸缩传 感器理论中心频率对应的S&模态的半波长，D = λ /2,通过改变相邻两簇线圈间距D，可以 设计出不同中心频率的S&模态磁致伸缩传感器。 2、柔性电路板中的双层线圈1，使导线呈成簇型布置，相比传统回折线圈结构，双 层线圈1产生的动磁场强度得到增强，从而大大提高了信号能量和信噪比。 3、采用粘贴等其他方式将铁磁性材料镍带3固定在板材表面，基于磁致伸缩效 应，可以在不同材料属性的板材中激励出S%模态导波。 4、本技术的传感器换能效率和信噪比高，激励的信号幅值更大、能量集中性 更好、模态更加单一。 【专利附图】【附图说明】 图1基于双层线圈的水平剪切模态磁致伸缩传感器安装简图。 图2双层线圈示意图。 图3铷铁硼磁铁示意图。 图4镍带示意图。 图5 1mm厚铝板相速度频散曲线。 图6磁致伸缩传感器检测铝板缺陷试验系统示意图。 图7磁致伸缩传感器的频率响应特性曲线。 图8磁致伸缩传感器检测带03mm圆形通透缺陷铝板信号波形图。 图中：1、双层线圈，2、铷铁硼磁铁，3、镍带，4、高能超声激励接收装置RAM-5000， 5、计算机，6、数字示波器，7、双工器，8、阻抗匹配模块，9、磁致伸缩传感器，10、铝板，11、位 于铝板上直径3mm圆形通透缺陷。 【具体实施方式】 下面对本技术技术方案进行详细说明，但是本技术的保护范围不局限于 所述实施例。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水平剪切模态磁致伸缩传感器，包括，由非铁磁性材料制成的待测量板(10)；其特征在于，包括双层线圈(1)、两块磁铁(2)和镍带(3)；所述镍带(3)固定设置在待测量板(10)上；所述双层线圈(1)设置在镍带(3)上，且与镍带(3)紧密接触；所述两块磁铁(2)固定设置在待测量板(10)上，所述两块磁铁(2)分别位于镍带(3)的相对应两侧，且与镍带(3)紧密接触；所述两块磁铁(2)相对的两个面上的磁极相反；其中，所述双层线圈(1)包括集成在柔性电路板的上表面上的上层线圈和集成在柔性电路板的下表面上的下层线圈；所述上层线圈穿过柔性电路板与下层线圈相连；所述上层线圈和下层线圈相对应位置处的电流方向一致；所述上层线圈和下层线圈均采用阵列式回折布线方式，并且导线呈成簇型布置；所述每相邻两簇线圈之间的中心间距D等于设计的磁致伸缩传感器理论中心频率对应的半波长，即D＝λ/2。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增华，胡亚男，樊军伟，何存富，吴斌，李先锋，
申请(专利权)人：北京工业大学，南京博盛工达检测技术有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11