[发明专利]一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器

说明书

本发明公开了一种基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器，在选择兰姆波模态波长和单频激励信号的基础上，将矩形钕铁硼磁铁垂直极化在其下方加入变角度磁集中器并以此改变入射声波角度的方法，增强了传统电磁声传感器的模态控制能力。利用设计的基于变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器，可以实现对金属板结构的小尺寸缺陷检测。该传感器由矩形钕铁硼磁铁、变角度磁集中器和回折线圈组成。超声波斜入射有利于提高电磁声传感器的模态控制能力。通过扫频和声场指向性测试实验，验证了所研制的通过变角度磁集中器改变静磁场的斜入射式电磁声传感器具有较好的频率响应特性和声场指向性。

技术领域

本发明为一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，属于超声无损检测领域，可在金属板结构中激励高阶模态兰姆波，并提高电磁声传感器的模态控制能力。

背景技术

金属板结构在航空航天、化工和机械等领域有着广泛的应用。金属板结构服役期间易产生裂纹、腐蚀和脱层等缺陷。为保障金属板结构使用安全，有必要对其进行无损检测及结构健康监测。兰姆波具有传播距离远、速度快等特点，可实现对金属板结构快速、大范围的无损检测。其中，高阶模态兰姆波具有短波长的优点，对金属板结构中小尺寸缺陷检测尤为敏感。但是，兰姆波具有多模态特性，在同一激励频率下同时存在多个传播特性不同的模态。随着频率的增加，模态的数量也相应增加。多模态的存在，使信号中出现多个波包，增加了后期信号处理与分析难度。因此，高频激励单一模态的兰姆波十分必要。

目前模态控制方面，在选择单频信号作为激励信号的基础上，通过选择模态的波长或相速度，以及调整入射声波角度的方法，控制产生的兰姆波模态。压电斜探头通过控制相速度和入射波角度的方法，激励相应模态的兰姆波。压电斜探头虽可在高频激励时抑制多模态兰姆波的产生，但需耦合并对检测试件表面进行预处理，操作过程十分复杂。然而电磁声传感器可设计性好，兼具无需耦合、非接触式检测等优点。电磁声传感器通过改变相邻线圈的间距，即可达到控制模态波长的目的。通过改变线圈形状或者静磁场的配置形式，即可激发出不同模态的兰姆波。刘增华研制了多种基于不同原理的电磁声传感器，在低频下均可激励出单一模态的兰姆波。但在高频激励条件下，电磁声传感器存在激励模态不纯净的问题。国外学者Peter Cawley设计了基于30周期回折线圈的电磁声传感器，激励 A₁模态兰姆波，接收信号中S₁模态与A₁模态幅值比为0.4。

现阶段研制的电磁声传感器，仅通过改变线圈间距和永磁铁极化方向的方式，控制产生兰姆波模态的波长，达到控制产生兰姆波模态的目的。在低频激励条件下，可激励单一模态的兰姆波。但当高频激励时，由于同一频率下同时存在多个模态兰姆波，很难激励出纯净的单一模态兰姆波。本发明在选择兰姆波模态波长和单频激励信号的基础上，增加调整入射声波角度的方法，增强电磁声传感器的模态控制能力。激励兰姆波的变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器在国内外未见报道。

发明内容

本发明旨在设计一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，解决电磁声传感器高频激励存在多模态，不利于信号分析的问题。所提出变角度磁集中器斜入射式电磁声传感器的模态控制能力，优于永磁体厚度方向和水平方向极化的传统电磁声传感器。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种基于变角度磁集中器的斜入射式电磁声传感器，其特征在于：包括矩形钕铁硼磁铁(1)，变角度磁集中器(2)柔性电路板中回折线圈(3)；其特征在于：矩形钕铁硼磁铁(1)极化，提供垂直静磁场；变角度磁集中器(2)在矩形钕铁硼磁铁(1)正下方，将永磁铁所提供的垂直静磁场集中并导向，使其沿磁集中器预设角度加载；柔性电路板中回折线圈(3)在金属板(4)集肤深度层内，感生出与电流方向相反且周期分布的感应涡流；经磁集中器集中并导向后的永磁铁所提供静磁场与感应涡流相互作用，耦合出斜入射的超声波。