一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器，包括一个呈一定规律排列的环形线圈和一组沿厚度方向交替极化的扇形磁体组成的永磁体阵列。这种结构形式能够激发全方向360

【技术实现步骤摘要】
一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器


[0001]本专利技术属于无损检测领域，涉及到一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器。

技术介绍

[0002]板材广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶交通等领域，随着服役时间增长，其性能逐渐衰退，急需要发展在线监测方法指导视情运维。基于超声导波的检测方法又以其快速、高效的优点而受到人们的关注。
[0003]电磁超声导波换能器是一种常用的在线监测和无损检测的器件，一般由永磁铁和线圈组成。电磁
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力转化机理通常有洛伦兹力机理和磁致伸缩效应机理。在铁磁材料中通常两种效应都存在，且磁致伸缩效应占主导地位，在导电非铁磁材料中只有洛伦兹力。电磁超声导波换能器依靠电磁效应直接在被测试件上激励出超声波，无须涂抹耦合剂，可以用于表面带包覆材料的结构件检测。传统的电磁超声换能器多个线圈同时激发出相同的应力波，多个应力波叠加向外传播，然后被接收换能器感知。感知信号是多个声源的延时叠加，其时域长度比激励信号长，不利于信号分析。本专利通过脉冲压缩式原理设计激励和接收换能器，可实现接收时域信号的能量集中。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是制作一种能够应用于非铁磁性材质平板检测的基于洛伦兹力的能够产生压缩脉冲效应的全向型电磁导波换能器。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：一种电磁导波换能器，其中包括圆周周期性永磁体阵列、PCB线圈。永磁体阵列由N个钕铁硼扇形磁体，磁体围成一个圆环。磁体均沿厚度方向极化，且相邻磁体的磁极方向相反。。其改进之处在于通过不同直径的PCB线圈的组合使得基于洛伦兹力的全向型电磁超声导波换能器能够产生压缩脉冲效果。
[0006]进一步的，用铜箔绕制环形线圈在垂直磁场的作用下产生洛伦兹力进而产生全向型的SH导波，用以检测平板材料内各个位置的缺陷。
[0007]进一步的，在工作时，向等距的螺旋线圈中通入一个半周期的正弦波信号s(t)，考虑如果通入信号的半波长与螺旋线圈间距相等的情况，其机理如图2所示。在图2所示的线圈结构中，最终得到的接收信号如图3所示。
[0008]进一步的，考虑使用变周期的线圈来代替等距螺旋线圈，线圈结构如图4所示，线圈间距分别为激励信号半波长的1倍、2倍、3倍；激励线圈和接收线圈的间距呈相反的排列方式。从图中接收线圈的表示可以看出，接收到的信号呈现一个脉冲压缩效果，即能量会在某个时间点出现集中，如图5所示。
[0009]进一步的，考虑当线圈间距出现l2+l3＝l5的情况，则会在脉冲压缩能量集中的位置之外再出现一个能量的小高峰。为避免这种情况的出现，设置线圈的间距分别为 l1、l2、
l3···
l4，其中，l2＞l1，l1＞l1+l2，l4＞l1+l3，依此类推，则可避免上述情况的出现。比如，线圈间距分别设置为a、2a、4a、7a、12a、
…
。
[0010]进一步的，上述线圈采用采用柔性印刷电路板技术，使其能够与被测试件能够更好地贴合，检测时能够减少不必要的噪音。
[0011]本专利技术所述换能器具有全放向激发和接收超声波的优势，并且通过脉冲压缩效应实现能量集中从而提高换能效率。最重要的是，该线圈结构相比于现有结构最显著的优势在于，当换能器处于随机环境噪声的影响下时，具有更高的信噪比。因此适用于包括导电和非导电材料在内的各种均匀、各向同性弹性板结构的缺陷检测和健康监测，并大大提高了监测精度及效率。
附图说明
[0012]图1，基于洛伦兹力的全向性激励原理示意图图2，换能器等间距螺旋线圈结构下的原理图3，换能器等间距螺旋线圈结构下所采集到的信号图4，换能器变间距线圈结构下的原理图5，换能器变间距线圈结构下所采集到的信号
具体实施方式
[0013]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0014]如图1所示，由12个沿厚度方向极化交替变化的扇形磁体组成的圆周周期性永磁铁阵列产生一个垂直于板面的垂直磁场。同时，通入交变电流的线圈在板材的趋肤深度内产生感生涡流。根据洛伦兹力产生原理，感应涡流和静磁场作用在铝板上，在换能器的径向上产生洛伦兹力，进而产生全向性的剪切变形，从而激励出全向性SH导波。
[0015]如图2所示，一个等间距螺旋线线圈结构，一个线圈用于激励，另一个线圈用来接收。螺旋线线圈的间距等于激励信号(半周期正弦波信号)的SH导波的半波长。其中，波长λ等于波速C除以频率f，即在图2所示的三个线圈几乎同时激励出半周期的正弦波并向外传播，随着时间的推移，从接收线圈的外侧开始，依次接收到激励信号。最终得到的接收信号如图3所示，信号能量较为分散。
[0016]对于所提出的基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器的线圈结构如图4所示，采用变间距的线圈结构，且激励线圈和接收线圈的间距排列方式相反。从图5可以看出在时刻时，每个线圈都可以接收到对应的信号，即在该时刻接收信号为 x*s(t)，其中n为线圈的圈数，而其余时刻的接收信号均为l*s(t)。可知，随着n的增大，该结构
的脉冲压缩效应越明显。
[0017]同时，为使在其余时刻的接收信号均为l*s(t)，考虑将线圈的间距分别设置为 l1、l2、l2…
l3，其中，l2＞l1，l3＞l1+l2，l4＞l2+l3，依此类推。比如，线圈间距分别设置为 a、2a、4a、7a、12a、
…
。
[0018]上述中，l为两个换能器的间距，C代表是换能器产生的水平剪切波的波速，水平剪切波的波速与板材密度、杨氏模量、泊松比以及板厚有关，当使用SH0模态导波进行检测时，C为定值。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器，其特征在于，包括一个呈一定规律排列的线圈结构。2.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器，其特征在于，一个圆周周期性排列的永磁体阵列、PCB线圈。3.永磁体阵列由N个扇形钕铁硼磁体组成，围成一个圆环(N取12时换能效果较好)，磁铁均是沿厚度方向极化，相邻磁铁的极性相反；其改进之处在于环形线圈在垂直磁场的作用下产生洛伦兹力进而产生全向性的SH导波，接收换能器能够产生压缩脉冲效果，用以检测平板材料内各个位置的缺陷。4.根据权利要求2所述的一种基于洛伦兹力的全向型脉冲压缩式电磁超声导波换能器，其线圈特征在于，激励换能器使用一个变周期的环形线圈，其间距分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆为磊，韩锟，刘贵杰，王树青，高宇清，赵发杰，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：