一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明为一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中分别周向一致地激励和接收较为单一的S。和A。模态Lamb波。
【背景技术】
[0002]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。Lamb波是板中传播的超声导波。频散和多模态是超声导波的主要特性。已有研究结果表明，不同模态导波由于振型和板厚方向能量分布不同，对不同类型缺陷的敏感程度差异较大，如S。模态对厚度方向的缺陷比较敏感，而A。模态对分层和横向铺层裂纹等缺陷比较敏感。因此，采用不同模态的导波进行检测，可提高超声导波技术对待检物体结构健康监测的能力。
[0003]目前，常用的超声Lamb波传感器主要有压电传感器(PZT)和电磁声传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)两种。与压电传感器相比，EMAT 具有非接触、无需耦合介质、对被测件表面要求不高、方便产生各种模态超声导波等诸多优点，可应用于高温、有隔离层等特殊场合。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。Vasile等基于洛伦兹力机理，采用周期永磁铁(Per1dic Permanent Magnet, PPM)构成的EMAT，在招板中激励出水平剪切(Shear Horizontal，SH)模态。焦敬品等基于洛伦兹力原理，利用螺旋线圈和圆柱形永磁体，设计出一种全向型S。模态电磁声传感器。黄松岭等利用螺旋形回折线圈和圆柱形永磁铁，设计出一种全向型A。模态电磁声传感器。迄今为止，能在板结构中分别周向一致地激励出较为单一的S。和A。模态的双模态传感器鲜见报道。
【发明内容】
[0004]本发明旨在设计一种全向型双模态Lamb波电磁声传感器，可在板结构中分别周向一致地激励和接收较为单一的S。和A。模态Lamb波，在保证激励源位置严格不变的情况下，实现利用两个模态Lamb波进行检测，且其在360°方向上具有相同的指向性，其性能要优于窄带和无指向性的传感器，利用这种全向型双模态传感器及其阵列结合成像算法能够实现对板结构的大范围、高效率的结构健康监测和无损评价(Structural HealthMonitoring, SHM&Nondestructive Evaluat1n, NDE)0
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案:
[0006]全向型双模态Lamb波电磁声传感器，包括圆柱状铷铁硼磁铁1、FPC双层线圈
2(即柔性电路板双层线圈)，二者形心在垂直方向重合，FPC双层线圈2置于板结构表面，圆柱状铷铁硼磁铁I置于FPC双层线圈2正上方，并与之紧密接触。
[0007]全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于:FPC双层线圈2为双层布线，分为上下两层，上层为螺旋形线圈3，螺旋形线圈3与圆柱状铷铁硼磁铁I组成全向型S。模态电磁声传感器；下层为环形回折线圈4，环形回折线圈4与圆柱状铷铁硼磁铁I组成全向型A。模态电磁声传感器。
[0008]全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于:FPC双层线圈2的上层螺旋形线圈3的直径为D2等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的S。模态的半波长λ i，通过改变螺旋形线圈3的直径D2可控制S。模态电磁声传感器的中心频率。
[0009]全向型双模态Lamb波电磁声传感器，其特征在于:FPC双层线圈2下层的环形回折线圈4为螺旋形回折式布线方式，使得相邻两根导线中电流方向相反，每相邻两根导线间距为I等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的A。模态的半波长λ 2/2，螺旋形回折线圈的内径d为导线间距I的3倍，通过改变环形回折线圈的间距I可控制A。模态电磁声传感器的中心频率。
[0010]本发明可以获得如下有益效果:
[0011]1、采用FPC印刷线圈，保证线圈排布整齐精致，保证了传感器激励能量的周向一致性。
[0012]2、螺旋形线圈和环形回折线圈集成在同一个FPC线路板的上下两层，与圆柱状铷铁硼磁铁组合可分别激励出全向型的S。模态和A。模态Lamb波，在保证了激励源位置严格不变的情况下，实现了两种模态导波对板结构的检测。
[0013]3、通过调整螺旋型线圈的直径D1和环形回折线圈相邻两根导线间距1，可使得A。模态电磁声传感器与S。模态电磁声传感器中心频率一致。
[0014]4、所设计的电磁声传感器可在导电性材料板中激励出周向一致的Lamb波，实现板结构的检测。
【附图说明】
[0015]图1为全向型双模态Lamb波电磁声传感器结构不意图；
[0016]图2.1为Imm厚铝板的超声导波相速度频散曲线；
[0017]图2.2为Imm厚铝板的超声导波群速度频散曲线；
[0018]图3为全向型双模态Lamb波电磁声传感器检测铝板缺陷试验系统示意图；
[0019]图4为使用S。模态进行检测时接收信号波形图；
[0020]图5为使用A。模态进行检测时接收信号波形图；
[0021]图6为全向型双模态Lamb波电磁声传感器的频率响应特性曲线；
[0022]图7为全向型测试试验的传感器布置示意图；
[0023]图8为全向型双模态电磁声传感器在不同角度检测到Lamb波归一化幅值。
[0024]图中:1、圆柱状铷铁硼磁铁，2、FPC双层线圈，3、螺旋形线圈，4、环形回折线圈、5、高能超声激励接收装置RAM5000，6、计算机，7、数字示波器，8、激励端阻抗匹配模块，9、接收端阻抗匹配模块，10、前置放大模块，11、全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为激励传感器，12、全向型双模态Lamb波电磁声传感器作为接收传感器，13、铝板，14、位于铝板上直径2mm圆形通透缺陷，15、第一波包，16、第二波包，17、第三波包，18、第四波包，19、第五波包，20、第六波包，21、第七波包，22、第八波包。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
[0026]如图1，为本发明全向型双模态Lamb波电磁声传感器结构不意图；包括圆柱状铷铁硼磁铁1、FPC双层线圈2。圆柱状铷铁硼磁铁I置于FPC双层线圈2正上方，沿厚度方向极化，可产生垂直结构表面的静磁场。FPC双层线圈2采用双层布线，上层为螺旋形线圈3，下层为环形回折线圈4。
[0027]所述的圆柱状铷铁硼磁铁I如图1所示，沿厚度方向极化，其直径D为25m，厚度h为 15mmη
[0028]所述的螺旋形线圈3如图1所示，印制于FPC双层线圈2上层，其直径02为23mm，导线宽度为0.2mm，导线间距为0.2mm。螺旋形线圈的直径D2等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的S。模态的半波长λ /2，直径D2= 18.1mm，对应的全向型的S。模态电磁声传感器的理论中心频率为303kHz。
[0029]所述的环形回折线圈4如图1所示，印制于FPC双层线圈2下层，其外径为40mm，内径为6.6mm。导线宽度为0.2mm，相邻两导线中心间距I等于设计的电磁声传感器理论中心频率对应的A。模态的半波长λ 2/2，导线间距I = 2.55mm，对应的全向型的Α。模态电磁声传感器的理论中心频率为304kHz。
[0030]利用参数确定后的电磁声传感器，提供了一种使用A。模态Lamb波检测铝板缺陷的方法:
[0031]图2.1-图2.2为检测对象Imm厚铝板的超声导