一种基于电磁声传感器的非金属板Lamb波检测方法技术

一种基于电磁声传感器的非金属板Lamb波检测方法，属于超声无损检测领域。实施该方法时采用了全向型电磁声传感器，传感器中螺旋形线圈置于柔性电路板中，圆柱状钕铁硼磁铁置于螺旋形线圈上。该方法结合与传感器线圈形状一致的铜箔，铜箔粘贴在有机玻璃板上，电磁声传感器置于铜箔上，圆柱状钕铁硼磁铁、螺旋形线圈和铜箔紧密接触。当螺旋形线圈通入交变电流时，在铜箔中产生涡流，在圆柱状钕铁硼磁铁提供偏置静磁场的作用下，铜箔中产生交变的洛伦兹力。有机玻璃板与铜箔紧密贴合，洛伦兹力引起板中质点振动，振动在板中以Lamb波的形式进行传播。搭建实验系统，运用该方法在有机玻璃板中实现Lamb波S0模态的激励和接收。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声无损检测领域，主要涉及一种全向型S0模态电磁声传感器结合铜箔，实现以有机玻璃板为例的非金属板Lamb波检测方法。
技术介绍
超声导波沿波导结构传播，衰减较小，能量集中，检测信号可包含整个波导结构中的缺陷信息。超声导波检测技术可实现快速、长距离、大范围检测，更适用于大型板类结构的全面检测。Lamb波传播距离远，衰减小，基于Lamb波的检测技术能够对结构整个横截面进行检测，对多个缺陷的识别能力强，适合用于大型板结构的无损检测和结构健康监测。在运用Lamb波进行缺陷检测时，应注意Lamb波的多模态特性和频散现象。Lamb波多模态特性指的是，在任何给定的激励频率下，至少存在两个模态。Lamb波存在两种模态，即对称模态Sn(Symmetric)和反对称模态An(Anti-symmetric)，其中n为整数。不同模态对不同类型缺陷的敏感度不一样，Lamb波在传播过程中遇到缺陷可能会发生模态转换现象。高阶模态的存在，增加了识别缺陷反射回波的难度，故往往采用低阶的S0模态和A0模态。Lamb波模态的波速随着频率的变化发生改变即频散现象，在时域上表现为波形变宽、幅值减小。电磁声传感器在板结构中用于激励和接收超声导波。电磁声传感器一般有三部分组成：提供偏置静磁场的磁体；产生动磁场或感应涡流的通电线圈；被测试样。电磁声传感器的换能机理主要有基于洛伦兹力机理和基于磁致伸缩机理。基于洛伦兹力机理的电磁声传感器主要适用于检测非铁磁性材料，基于磁 致伸缩机理的电磁声传感器主要适用于检测铁磁性材料。2002年，Murayama R在《Ultrasonics》发表的“Conventional electromagnetic acoustic transducer development for optimum Lamb wave modes”中，研制了一种能在薄钢板中激励出对称模式和反对称模式Lamb波的EMAT。该EMAT采用回折线圈，在频率变化范围为300kHz～2.5MHz下，激励出不同波长的Lamb波。2005年，Wilcox P在《IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》发表的“Omnidirectional guided wave inspection of large metallic plate structures using an EMAT array”中，利用多个全向型S0模态EMAT组成的环形阵列并结合数据融合方法实现了铝板结构的快速扫描成像。目前激励接收Lamb波的电磁声传感器多数用于金属板结构的检测。
技术实现思路
基于洛伦兹力机理的电磁声传感器直接用于非金属板结构，难以在板中激励出Lamb波，本方法目的是采用铜箔实现电磁声传感器用于非金属板。为了实现上述目的，本方法采用如下设计方案：一种基于电磁声传感器的非金属板Lamb波检测方法如图1所示，该检测方法的电磁声传感器检测结构包含一种基于洛伦兹力机理电磁声传感器1和金属箔2，检测对象为非金属板3。电磁声传感器一般包括磁铁和线圈。金属箔粘贴在有机玻璃板上，电磁声传感器1置于金属箔2上，金属箔可根据检测所需大小进行剪裁。当传感器中线圈通入交变电流时，在金属箔中会产生涡流，在磁铁提供静磁场的作用下，金属箔2中产生交变的洛伦兹力。非金属板与金属箔2紧密贴合，洛伦兹力引起板中质点振动，振动在板中以Lamb波的形式进行传播。本方法可取得如下有益效果：将金属箔2贴于非金属板上，电磁声传感器1与金属箔2紧密接触，通过搭建实验检测系统，可在非金属板中产生Lamb波。附图说明图1一种基于电磁声传感器的非金属板Lamb波检测方法示意图；图2电磁声传感器检测结构示意图；图3实验系统；图4：5mm厚有机玻璃板Lamb波频散曲线；图5在激励频率为130kHz时接收信号。图中：1、基于洛伦兹力的电磁声传感器；2、金属箔；3、非金属板试样；4、圆柱状钕铁硼磁铁；5、螺旋形线圈；6、计算机；7、函数发生器；8、高能超声激励接收装置RAM-5000；9、数字示波器；10、功率放大器75A250AM3；11、前置放大模块；12、接收端阻抗匹配模块；13、激励端阻抗匹配模块；14、接收传感器检测结构；15、激励传感器检测结构；16、有机玻璃板试样。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本专利技术的保护范围。本方法中将有机玻璃板作为非金属试样3，电磁声传感器1结合金属箔2，金属箔2为铜箔，可在板中激励出Lamb波的S0模态。所述的电磁声传感器1为全向型S0模态电磁声传感器，结构包括圆柱状钕铁硼磁铁4和螺旋形线圈5，螺旋形线圈5置于柔性电路板中，结构如图2所示。该传感器结构简单，制作成本低。铜箔2一面具有粘贴性贴于有机玻璃板上，螺旋形线圈5置于铜箔2的另一面上，圆柱状钕铁硼磁铁4置于螺旋形 线圈5上，圆柱状钕铁硼磁铁4、螺旋形线圈5和铜箔2紧密接触。本实例选用的圆柱状钕铁硼磁铁4尺寸为直径D1＝25mm，厚度H1＝15mm。圆柱状钕铁硼磁铁4沿上下两侧极化，圆柱状铷铁硼磁铁4形心和螺旋形线圈5形心在垂直方向重合。本实例选用的螺旋形线圈5，采用双层布线，上下两层通电时电流方向变化一致，直径D2＝18mm，导线宽度为0.2mm。螺旋形线圈5共有两层，直径D2等于全向型S0模态电磁声传感器理论中心频率对应的波长λ。通过改变螺旋形线圈2的直径D2可控制该传感器的中心频率。本实例选用铜箔为圆形，一面粘贴在有机玻璃板上；另一面与全向型S0模态电磁声传感器接触。铜箔直径D3＝20mm。搭建实验系统如图3所示，包括计算机6、函数发生器7、高能超声激励接收装置RAM-50008、数字示波器9、功率放大器75A250AM310、前置放大模块11、接收端阻抗匹配模块12、激励端阻抗匹配模块13、接收传感器检测结构14、激励传感器检测结构15、有机玻璃板试样16。计算机6用以控制高能超声激励接收装置RAM-50008，函数发生器7产生低频脉冲信号。高能超声激励接收装置RAM-50008、前置放大模块11、接收端阻抗匹配模块12作为接收端匹配装置用于增强传感器的换能效率。数字示波器9用于观察信号波形，功率放大器75A250AM310能放大信号能量，接收传感器检测结构14和激励传感器检测结构15均为全向型S0模态电磁声传感器加铜箔。有机玻璃板试样16的尺寸：长×宽×厚＝1000×1000×5mm。全向型S0模态电磁声传感器直径D2等于理论中心频率对应的波长λ。本实例设计的D2＝18mm，即λ＝18mm。图4(a)为5mm厚有机玻璃板Lamb波波长-频率曲线，S0模态波长λ＝18mm时对应的频率为126kHz。本实例中激励信号 采用的是5周期Tone burst信号，为了方便设置激励频率参数，设置激励中心频率为f＝130kHz。在图3中，F点对应f＝130kHz，群速度为2064m/s。接下来验证所述的电磁声传感器结合铜箔能在有机玻璃板上产生S0模态。激励和接收传感器两者相距280mm，将激励传感器和接收传感器的螺旋形线圈5接入电路。高能超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁声传感器的非金属板Lamb波检测方法，其特征在于：该检测方法的电磁声传感器检测结构包含一种基于洛伦兹力机理的电磁声传感器(1)和金属箔(2)，待检试样为非金属板(3)；金属箔(2)粘贴在非金属板(3)上，电磁声传感器(1)置于金属箔(2)上，金属箔可根据检测所需大小进行剪裁。电磁声传感器通入交变电流时，在金属箔中会产生涡流，基于洛伦兹力机理，金属箔(2)中产生交变的洛伦兹力；非金属板(3)与金属箔(2)紧密贴合，洛伦兹力引起板中质点振动，振动在板中以Lamb波的形式进行传播。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁声传感器的非金属板Lamb波检测方法，其特征在于：该检测方法的电磁声传感器检测结构包含一种基于洛伦兹力机理的电磁声传感器(1)和金属箔(2)，待检试样为非金属板(3)；金属箔(2)粘贴在非金属板(3)上，电磁声传感器(1)置于金属箔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增华，钟栩文，谢穆文，刘秀成，吕炎，何存富，吴斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11