专利名称：一种用于板结构缺陷检测的sh0电磁声换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于超声导波无损检测领域，通过磁致伸缩效应激励并接收超声导波SHO水平剪切波，可用于铁磁性材料的板材、型钢以及管道的缺陷检测，特别是板结构缺陷检测。
背景技术：
作为一种快速、高效的无损检测方法，超声导波技术广泛应用于多种工程结构(如板、管和杆)的无损评价和健康监测。常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，难以适用于高温、运动和粗糙表面的检测。20世纪60年代末发展起来的利用电磁耦合产生超声波的方法，可以实现非接触式的超声波缺陷检测。电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT),是电磁超声检测的核心装置，具有换能器与媒质表面非接触、无需加入声耦合剂的特性，可省去对工件表面去油漆、氧化物等处理过程，具有重复性好、检测速度高，适合动态，高温检测等优点，日益受到声学和无损检测各方面人员的关注，经过几十年的发展，电磁超声换能器技术已逐步进入了工业应用阶段。其应用领域从中厚板、火车轮检测及高温测厚，发展到焊缝检测、钢棒检测、钢管检测、铁路钢轨检测、复合材料检测等众多领域。电磁超声换能器的理论基础主要是两种效应，一种是洛伦兹力，另一种是磁致伸缩。当载有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，将在金属内感应出涡流，若此时存在一个静态偏置磁场，由于洛伦兹机制将在金属中产生交变的作用力，这种变化的力将激发出超声波。基于磁致伸缩机制的EMAT仅适用铁磁质或磁性材料的检测，由于磁场的交变作用使磁性材料体积发生变化，从而形成材料内部的振动，并最终以超声波形式将振动向外传播。同时EMAT为一个可逆的换能器，它可用来接收超声波。本实用新型旨在电磁超声换能器的理论基础上，研制一种新型超声导波SHO电磁声换能器，利用磁致伸缩效应，在铁磁性板结构中激励并接收单一模态的SHO水平剪切波，利用缺陷回波判断腐蚀位置及腐蚀程度。SHO波是质点振动都在位于平行于层面的平面中的波，具有在不同厚度板中波速基本不发生变化的特点，波速稳定，无频散，传输系数也远远高于其他波型，衰减弱，利于长距离检测，SHO波受材料表面影响较小，并与裂纹、边界作用基本不发生模态转换，且SHO换能器产生的声场，声束扩散角小，易控制，检测结果不受结构边界的影响，能很好的克服如兰姆波的多模态、频散、边界容易发生模态转换等缺点。理论和实验表明，该新型超声导波SHO电磁声换能器能够对铁磁性材料的板材、型钢以及管道的进行缺陷检测，特别是板结构缺陷的检测，检测过程简单、高效，适应工程现场检测的要求。
发明内容本实用新型的目的是提供一种能够实际应用的SHO电磁声换能器，主要用于铁磁性板结构缺陷检测，进而获得缺陷位置以及缺陷大小，能够对处于不同介质环境中的铁磁性材料板结构进行经济、快捷和有效的检测。本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案为包括镍带1、线圈2、钕铁硼磁铁阵列3、外壳4和接头6 ；外壳4中放置有钕铁硼磁铁阵列3，钕铁硼磁铁阵列3中每一块磁铁的宽度为换能器激励出的SHO波的波长的一半；磁铁阵列3在厚度方向与线圈2一个表面紧密贴合，线圈2引出的导线与嵌于换能器外壳4的接头6连接；在线圈2另一表面贴覆有镍带1。钕铁硼磁铁阵列3阵列中心与线圈2中心重合。所述的换能器外壳4为铜合金或其它电磁屏蔽的金属材料。所述换能器线圈2采用PCB板或手工绕制，成跑道型布线，并可布置多层(一般为正反双面布线)。所述镍带底部面积覆盖线圈及整个磁铁阵列，厚度应尽可能薄。建议厚度^ 0. 15mm。所述SHO电磁声换能器，磁铁阵列3厚度方向为磁化方向，阵列中心与线圈2中心重合。组合后换能器放置在铁磁性板结构上时，线圈2、磁铁阵列3与板结构紧密贴合。本实用新型的使用效果为该换能器在使用时，激励、接收各使用一个换能器，换能器放置在被测铁磁性板上时，线圈、磁铁阵列与工件紧密贴合。通过脉冲函数发生仪激励周期脉冲信号经功率放大后至激励换能器，由磁致伸缩原理产生SHO波，SHO波在铁磁性板中传播遇端面或缺陷返回由接收换能器接收并在示波器上实时显示，通过回波时间及幅值确定端面位置或缺陷大小、位置。换能器与工件接触无需耦合剂，检测简单、高效，可快速实现板结构断面及缺陷检测。
图1是SHO电磁声换能器的产品组装示意图；图2是SHO电磁声换能器的沿图1中A-A剖面结构示意图；图3是SHO电磁声换能器结构分解示意图；图4 :6mm厚^!长扁钢中SH波频散曲线，该曲线表明在0 0. 31MHz频率范围内，可激励单一模态SHO波。SHO波波速恒定与频率无关，理论波速为3260m/s (速度与材料密度、弹性模量等参数有关)无频散现象。因此在设计SHO波换能器时，应选择中心频率在310kHz以下的频率，频率过高则容易激励出SHl模态水平剪切波，使激励信号多模态难以分辨，频率过低则激励SHO波波长较大，检测缺陷的能力受限，建议换能器中心频率选择在 250kHz-3IOkHz 之间。图5 =SHO电磁声换能器检测扁钢缺陷装置示意图；图6 =SHO电磁声换能器检测細长带缺陷扁钢接收波形图；图中1、镍带，2、PCB线圈，3、磁铁阵列，4、换能器外壳，5、螺母，6、BNC接头，7、十字盘头螺钉，8、脉冲函数发生仪，9、激励端阻抗匹配，10、SHO波电磁声激励换能器，11、SHO波电磁声接收换能器，12、接收端阻抗匹配，13、数字示波器，14、计算机，15、扁钢。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的详述，不失一般性，检测对象采用4000X60X5(单位mm)的扁钢板结构(以下简称扁钢)，密度为7. 9g/cm3，泊松比为0. 31。图4给出了上述参数的5mm厚^!长扁钢中SH波频散曲线。检测其他板结构(如铝板)可根据此实例对换能器参数做相应调整。以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本实用新型的保护范围。如图1，图2，图3所示SHO电磁声换能器，主要由镍带1、PCB线圈2、钕铁硼磁铁阵列3、外壳4、BNC接头)构成。外壳4中放置有钕铁硼磁铁阵列3，每一块磁铁的宽度D为换能器激励出的SHO波的波长的一半。磁铁阵列3在厚度方向与线圈2上表面紧密贴合，线圈2引出的导线与嵌于换能器外壳4的接头6连接；在线圈2下表面贴覆有镍带1，并用螺钉7紧固。实例换能器外壳4形状为长方体，长X宽X厚=62 X 48 X 20 (单位mm)，材料为铜合金(黄铜，铜含量>68%)外壳。实例磁铁阵列3的磁铁的宽度D为换能器激励出的SHO波的波长的一半。设计换能器频率270KHz，根据SHO在扁钢中理论波速3260m/s可得，SHO波的波长为12mm，则采用磁铁宽度为6mm。实例换能器线圈2采用PCB板制作，正反双面布线，成跑道型布置、板厚0. 5mm，线圈有效尺寸40mmX20mm。实例覆在换能器外壳4上面的镍带1底部面积覆盖整个磁铁阵列，厚度0. 15mm。所述SHO电磁声换能器，磁铁阵列3厚度方向为磁化方向，阵列中心与PCB板线圈2中心重合。换能器放置在扁钢上时，覆盖有镍带的线圈2、磁铁阵列3与扁钢紧密贴合。根据扁钢的特点，本实施例中对换能器参数进行以下几个方面的选择换能器外壳、PCB线圈参数、阵列磁铁参数和镍带参数。1、换能器外壳设计换能器外壳采用铜合金(黄铜，铜组分含量> 68% )。SHO换能器接收信号常夹杂有空间低频电磁干扰信号，会使信噪比变差，给检测带来了困难，为使SHO换能器不受低频磁场的干扰，可以把该器件置于用金属铜制成的屏蔽壳内，磁力线主要通过磁阻小的屏蔽层，从而保护置于壳内的器件不受外界磁场的影响。铜合金价格低廉，有高的强度、导电性和导热性，加工性能和耐蚀性优良等优点，并满足屏蔽要求，因此换能器外壳4采用铜合金制作。为使磁铁阵列中心与PCB线圈中心紧密相合，换能器结构设计卡槽以保证磁铁及PCB线圈准确定位，并留有空间余量，以便放置阻抗匹配电容。2、PCB线圈参数选择为实现扁钢腐蚀检测专用SHO换能器产生出模态单一、能量大、指向性好的SHO波的功能。结合PCB板制作特点，线圈布置采用跑道型正反双面布置，增加线圈匝数，并使换能器结构紧凑，在线宽与线间距参数选择上，特定频率下，不同线宽及线间距均可以产生单一模态SHO波，而线宽及间距致密则能量越大，考虑PCB板加工工艺，本换能器实例采用线宽0. 2_，线间距0. 2mm，匝数46匝，板长X宽X厚=50 X 30 X 0. 5 (单位mm)的PCB线圈。3、磁铁尺寸的选择根据换能器的设计理论，设计模态单一、能量大、指向性好的SHO波的换能器，磁铁产生的磁力线应均勻的包裹PCB线圈，使产生的磁场均勻稳定并具有足够的静磁场强度，因此磁铁阵列后磁化方向面积应略大于PCB线圈有效面积，阵列中心与PCB线圈中心相合，并且保证组合后换能器放置在扁钢上时，覆盖有镍带的PCB线圈、磁铁与扁钢紧密贴合。由磁铁宽度D为换能器激励出的SHO波的波长的一半，设计换能器频率270KHz，SHO在扁钢导体中得理论波速3260m/s，则SHO波的波长为12mm，即磁铁宽度为6mm。本换能器实例选择长X宽X厚=20X6X10 (单位mm)表面磁场4500高斯的钕铁硼永磁铁十二块。4、镍带参数的选择为了产生信噪比好的信号，激励出单一的SHO波，镍带厚度应尽量薄(厚度(0. 15mm)。面积覆盖整个磁铁阵列。本换能器实例镍带厚度为0. 15mm。此外，本实施例中为了实现更好的信噪比就要实现阻抗匹配。本实施例选择电容为7. 4nF作为SHO波换能器阻抗匹配原件，电路接头采用BNC接头6。利用参数确定后的换能器，提供了一种用SHO波电磁超声无损检测扁钢板结构的方法(1)如图5所示，扁钢15长度方向中心轴线上放置SHO波电磁声激励换能器10和SHO波电磁声接收换能器11。SHO波电磁声激励换能器10和激励端阻抗匹配9相连接，激励端阻抗匹配9和脉冲函数发生仪8相连接，SHO波电磁声接收换能器11与接收端阻抗匹配12相连接，接收端阻抗匹配12和数字示波器13相连接，计算机14和数字示波器13连接。将SHO波电磁声激励换能器置于扁钢右端端头(换能器中心与端面平齐)，SHO波电磁声接收换能器位于距离SHO波电磁声激励换能器0. 5m处，人工缺陷模拟缺陷位于距离扁钢左端Im处。(2)由脉冲函数发生仪8产生一个周期在1 20范围内可调，中心频率在0 IMHz范围内可调的方波信号，在0 IMHz范围内改变频率，激励使SHO波电磁声激励换能器10产生信号能量在此范围内的处于最大值，对应此时的频率为0. 27MHz，则选取为脉冲函数发生仪工作频率。方波信号的强度和增益等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由脉冲函数发生仪产生能量等级10，增益50db，频率为0. 27MHz的5个震荡周期的方波信号；(3)激励信号通过激励端阻抗匹配9激励SHO波电磁声激励换能器10，在带缺陷扁钢15中激励SHO波；(4)激励的SHO波信号在扁钢15中传播，经缺陷和接地网端部反射后，SHO波电磁声接收换能器11通过接收阻抗匹配12，在数字示波器13显示，并通过以太网端口存储到计算机14 ；(5)通过分析接收信号中的反射回波到达接收点的时间，确定扁钢15中缺陷位置。图6中分辨出第一次回波为直达波，波峰时间位置0. 158ms (本次实验条件下以各波包峰值时间作为信号起始及到达时间位置，由于波形图中零点为射频信号起发点，并非峰值时间，实际计算时，取射频信号延后约0. 008ms作为实际起始零点位置，上述波峰时间已经过修正，下同)，第二次回波为扁钢缺陷回波，波峰时间位置1.751ms，第三次回波为缺陷经右端面反射后的二次回波，波峰时间位置2. 070ms，第四次回波为左端面回波，波峰时间位置2. 376ms，第五次回波为左端面回波经右端面的二次回波，波峰时间位置2. 69:3ms。。由第四次右端面回波(波峰明显，便于分辨)及直达波时间差2. 218ms，及所对应距离7000mm，可算出此次实验实际SHO波速为3156m/s，与理论波速相对误差为3. 2%。由实际波速及第二次回波时间反推缺陷位置，(1. 75 Ims X 3156m/s+500mm) /2，测得缺陷距离右侧端面3013mm，与实际距离3000mm相对误差仅为0. 4%。同理，也可通过第三次回波时间验证缺陷位置——距离右侧端面3016mm，与实际距离3000mm相对误差仅为0. 5%。利用SHO波反射回波衰减弱，根据缺陷波包的幅值还能分辨缺陷大小。 通过实验验证，该超声导波SHO换能器可以快速高效的对扁钢缺陷进行检测，并且该换能器成本低，稳定性好而且可以重复使用，测量结果准确度高，可重复性好，检测过程方便快捷，适应实际工程现场检测的要求。
权利要求1.一种用于板结构缺陷检测的SHO电磁声换能器，其特征在于包括镍带(1)、线圈 O)、钕铁硼磁铁阵列(3)、外壳(4)和接头(6)；外壳(4)中放置有钕铁硼磁铁阵列(3)，钕铁硼磁铁阵列(3)中每一块磁铁的宽度为换能器激励出的SHO波的波长的一半；磁铁阵列 ⑶在厚度方向与线圈⑵一个表面紧密贴合，线圈⑵引出的导线与嵌于外壳⑷的接头 (6)连接；在线圈( 另一表面贴覆有镍带(1)。
2.如权利要求1所述的SHO电磁声换能器，其特征在于线圈(2)采用PCB板或手工绕制线圈。
3.如权利要求1所述的SHO电磁声换能器，其特征在于钕铁硼磁铁阵列(3)中心与线圈⑵中心重合。
专利摘要一种用于板结构缺陷检测的SH0电磁声换能器属于无损检测领域，通过磁致伸缩效应激励并接收超声导波SH0(水平剪切)波，可用于铁磁性材料的板材、型钢以及管道的缺陷检测，特别是板结构缺陷检测。所述的SH0电磁声换能器，包括换能器外壳(4)、嵌于换能器外壳里面的磁铁阵列(3)和线圈(2)、覆在线圈表面的镍带(1)、嵌于换能器外壳并与线圈连接的接头(6)。在使用时该换能器收发各需一个。换能器与被检测对象接触无需耦合剂，检测过程简单、高效，适应工程现场检测的要求。
文档编号G01N27/82GK202330358SQ201120469130
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者何存富, 侯松, 刘伟, 吴斌, 焦敬品, 钟茜 申请人:北京工业大学