[发明专利]一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器

说明书

本发明公开了一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，该传感器包括碳钢片、扇形铷铁硼磁铁、螺旋线圈、非磁性材料片。将螺旋线圈、铷铁硼磁铁及非磁性材料片置于待测铝板表面，碳钢片在其正上方。基于非铁磁性材料的洛伦兹力效应，实现板结构中全向型水平剪切模态SH波的激励。通过试验验证了所研制的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器可在铝板中激励出单一的SH₀模态导波；通过全向性测试实验，验证了所研制的电磁声传感器可激励出沿360°方向传播SH₀导波。利用研制的周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器及其阵列结合成像算法可实现对板结构的大范围、高效率的缺陷成像，具有极大的应用价值和潜力。

技术领域

本发明为一种周期永磁铁式全向型水平剪切模态电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可在板结构中激励出沿360°方向传播的SH₀模态导波。

背景技术

金属板材结构被广泛的应用于航空航天、土木、机械等多个领域。在生产和使用过程中，金属板结构不可避免会产生损伤，大大降低材料的使用寿命。为了保证金属板结构使用的安全性，有必要对其进行无损检测。作为一种快速、高效的无损检测方法，超声导波技术已广泛应用于多种工程结构(如板、管和杆)的无损评价和健康检测。超声导波检测试验需要基于导波的频散、多模态和衰减等传播特性选择合适的检测模态和频率范围。由于最低阶水平剪切模态SH₀在板结构中传播过程中的非频散特性，使得SH₀模态对板结构无损检测具有一定的优势。

目前，常用的激励超声导波的传感器主要有两种，一种是基于材料压电效应的压电传感器(Piezoeletric Transducer,PZT)，另一种是基于电磁耦合效应的电磁声传感器(ElectromagneticAcoustic Transducer,EMAT)。压电传感器频率带宽较窄，容易激励出多个导波模态，且较难激励出SH模态导波；而20世纪60年代出现的EMAT不仅具有与被测试件非接触、无需耦合介质，可适用于高温高速检测的优点，而且其结构可设计性较强。EMAT主要包括线圈和磁铁两部分，通过改变线圈排布与偏置磁场方向，可以设计出激励不同模态导波的传感器。1999年，Hirotsugu Ogi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波电磁超声换能器。2004年，S.H.Cho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监测。2005年，Paul D.Wilcox等利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波电磁超声换能器，此换能器在轴向具有相同的指向性。2010年，焦敬品等基于磁致伸缩效应设计制作了一种SH₀模态磁致伸缩传感器，该换能器通过磁致伸缩片与非铁磁性板的相互作用，在铝板中有效地激励SH₀模态导波。目前，能在板中激励出全向型水平剪切模态导波的传感器鲜见报道。

发明内容

本发明旨在设计一种全向型水平剪切模态电磁声传感器，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。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

全向型水平剪切模态电磁声传感器，包括非磁性材料片1，铷铁硼磁铁2，柔性电路板中螺旋线圈3和碳钢片4；其特征在于：扇形铷铁硼磁铁2包括6对相同的呈中心对称布置的扇形单元磁铁对，每个磁铁对的充磁方向为上下相反交替方向布置，每相邻两个单元间有一个间隙；非磁性材料片1置于扇形铷铁硼磁铁2单元间的扇形间隙中；碳钢片4置于扇形铷铁硼磁铁2的顶部；柔性电路板中螺旋线圈3置于安装铷铁硼磁铁2的下端。