一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的制造方法
【專利摘要】一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，屬于超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明提出了一種適用于管道布置和陣列的集成在柔性電路板中雙層簇狀回折線圈，設(shè)計(jì)并研制一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，實(shí)現(xiàn)在管道中縱向模態(tài)L(0,2)的激勵(lì)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了研制的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器在管道上激勵(lì)L(0,2)模態(tài)，試驗(yàn)測(cè)試了該傳感器的頻率響應(yīng)特性，使用該傳感器能快速有效檢測(cè)出對(duì)合金鋼管中缺陷位置，且定位精度較高，為進(jìn)一步利用該傳感器并結(jié)合相控陣原理，實(shí)現(xiàn)管道中缺陷二維成像奠定了基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，屬于超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，可在管道 中激勵(lì)出縱向模態(tài)L(0, 2)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的無(wú)損檢測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 超聲導(dǎo)波技術(shù)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，相比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，其具有檢測(cè) 范圍大、效率高、衰減小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)表面缺陷和內(nèi)部缺陷都相當(dāng)敏感，因此超聲導(dǎo)波 技術(shù)廣泛應(yīng)用于多類工程結(jié)構(gòu)的無(wú)損評(píng)價(jià)和健康監(jiān)測(cè)。其中，使用軸對(duì)稱的縱波模態(tài)和扭 轉(zhuǎn)波模態(tài)的導(dǎo)波方法可以實(shí)現(xiàn)管道的快速、高效的檢測(cè)，由于軸對(duì)稱縱向?qū)Р↙(0, 2)模態(tài) 傳播速度快，故能比其他模態(tài)的導(dǎo)波更快的到達(dá)導(dǎo)波接收裝置，因此更易于在時(shí)域內(nèi)與其 他模態(tài)進(jìn)行區(qū)分，而且L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波在傳播過(guò)程中的離面位移相對(duì)較小，傳播過(guò)程中的 能量泄露現(xiàn)象也相應(yīng)地減小，傳播距離相對(duì)較長(zhǎng)，故可檢測(cè)更長(zhǎng)的距離，使得L(0, 2)模態(tài) 導(dǎo)波對(duì)管道長(zhǎng)距離檢測(cè)具有一定優(yōu)勢(shì)。
[0003] 目前，常用的激勵(lì)超聲導(dǎo)波主要兩種方式，一種方式是基于材料壓電效應(yīng)的壓電 傳感器。壓電傳感器在激勵(lì)接收超聲波時(shí)，通過(guò)耦合劑與被測(cè)件接觸，而且往往需要對(duì)試件 表面進(jìn)行預(yù)處理，因此檢測(cè)效率較低；而且壓電傳感器頻率帶寬相對(duì)較窄，容易激勵(lì)出多個(gè) 導(dǎo)波模態(tài)，在缺陷信息提取上有一定難度。另一種方式是基于電磁耦合機(jī)理的電磁聲傳感 器（Electro-magneticAcousticTransducer，EMAT)，無(wú)需接觸和親合劑，可直接在導(dǎo)體或 鐵磁性材料中激勵(lì)接收超聲波，具有非接觸、無(wú)需耦合劑、對(duì)被測(cè)件表面要求不高、重復(fù)性 好、適于高溫、高速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 電磁聲傳感器一般主要包括磁鐵和線圈兩部分。通過(guò)改變磁鐵和線圈的結(jié)構(gòu)形 式，可設(shè)計(jì)出不同類型的電磁聲傳感器。H.Ogi等利用不等間距的蛇形線圈和永磁鐵，設(shè)計(jì) 了一種線聚焦SV波電磁聲傳感器。S.H.Cho和K.H.Sun等設(shè)計(jì)制作了一種方向可調(diào)的磁致 伸縮傳感器，用于非鐵磁性金屬和非金屬的檢測(cè)。H.Kwun和C.M.Teller在鋼桿中進(jìn)行了激 勵(lì)和檢測(cè)超聲波的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變傳感器的結(jié)構(gòu)和偏執(zhí)磁場(chǎng)的分布，在磁致伸縮效應(yīng)及其 逆效應(yīng)的作用下激勵(lì)出了超聲導(dǎo)波。K.H.Sun和C.Dynes等研宄了利用縱向模態(tài)的磁致伸 縮傳感器對(duì)管道中缺陷進(jìn)行檢測(cè)和描述的問(wèn)題，對(duì)不同的檢測(cè)結(jié)構(gòu)的不同類型的缺陷（刻 槽和腐蝕）進(jìn)行了檢測(cè)，為缺陷描述和健康狀態(tài)評(píng)估的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在國(guó)內(nèi)，馮紅 亮等設(shè)計(jì)的磁致伸縮傳感器成功的在碳鋼式樣內(nèi)部激勵(lì)出縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的導(dǎo)波。王 躍民等分析了縱向模態(tài)導(dǎo)波的激勵(lì)機(jī)理，成功的在圓管中激勵(lì)出縱向模態(tài)超聲導(dǎo)波。
[0005] 目前，國(guó)內(nèi)在導(dǎo)波理論研宄上取得了一定的進(jìn)展，但是在商業(yè)應(yīng)用上大多數(shù)被檢 測(cè)的構(gòu)件是不規(guī)則，而且缺陷未知，要求傳感器易于安裝、檢測(cè)和拆卸，因此，要優(yōu)化設(shè)計(jì)已 有的磁致伸縮傳感器或研制新型磁致伸縮傳感器。目前，管道超聲導(dǎo)波專用探頭全部由國(guó) 外廠商生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)階段，距離工程成熟還有一些問(wèn)題值得深入研宄和探討。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，基于鐵磁性材料鎳帶的 磁致伸縮效應(yīng)，將鎳帶的磁致伸縮變形通過(guò)粘接方式機(jī)械地耦合進(jìn)入需要檢測(cè)管道，從而 有效激勵(lì)出L(0, 2)模態(tài)超聲導(dǎo)波，實(shí)現(xiàn)管道中缺陷的檢測(cè)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，包括銣鐵硼磁鐵1，雙層簇狀回折線圈2,鎳 帶3 ;所述的雙層簇狀回折線圈2設(shè)置于柔性電路板中，鎳帶3粘接或固定于檢測(cè)檢測(cè)管道 外表面一周，4片設(shè)置有雙層簇狀回折線圈2的柔性電路板放置在鎳帶3上，沿著檢測(cè)管道 環(huán)向均勻布置一周，且與鎳帶3緊密接觸鎳帶3兩端分別放置4塊銣鐵硼磁鐵1，所述銣鐵 硼磁鐵1側(cè)面的法線方向沿著管道長(zhǎng)度方向，鎳帶（3)兩端的銣鐵硼磁鐵1側(cè)面兩兩相對(duì)， 且相對(duì)側(cè)面極性相反；
[0009] 銣鐵硼磁鐵1側(cè)面截面形貌為扇形，沿兩側(cè)面極化，且沿環(huán)向均勻布置管道外表 面的周向。
[0010] 所述的柔性電路板中包含雙層簇狀回折線圈2,采用陣列式回折布線方式，使導(dǎo)線 呈簇型分布，底上雙層布線，相鄰兩簇線圈間距D等于設(shè)計(jì)的磁致伸縮陣列傳感器理論中 心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)λ/2 ;
[0011] 鎳帶3長(zhǎng)度為管道外表面周長(zhǎng)，寬度為研制的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器線圈 覆蓋的寬度，鎳帶3的邊緣打磨變薄。
[0012] 所述的鎳帶3可以更替為其他磁致伸縮系數(shù)較高的材料的薄帶
[0013] 本發(fā)明可以獲得如下有益效果：
[0014] 1、柔性電路板中包含雙層簇狀回折線圈2,相鄰兩簇線圈間距D等于設(shè)計(jì)的磁致 伸縮陣列傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的L(0, 2)模態(tài)的半波長(zhǎng)λ/2,通過(guò)改變相鄰兩簇線圈 間距D，可以設(shè)計(jì)出不同中心頻率的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器；
[0015] 2、柔性印刷板中的雙層簇狀回折線圈2,采用陣列式回折布線方式，使導(dǎo)線呈簇型 分布，相比傳統(tǒng)回折線圈結(jié)構(gòu)，雙層簇狀回折線圈2產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，從而大大 提高了信號(hào)能量和信噪比；
[0016] 3、銣鐵硼磁鐵1形貌為扇形，能更好的與管壁貼合；磁鐵沿著扇形對(duì)稱軸兩側(cè)極 化，能提供一個(gè)沿管壁分布均勻的軸向靜磁場(chǎng)。
[0017] 4、采用粘貼等其他方式將鐵磁性材料鎳帶3固定在管道表面，基于磁致伸縮效 應(yīng)，可以在不同材料屬性的管道中激勵(lì)出L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波；
[0018] 5、鎳帶3的邊緣打磨變薄，使鎳帶3與管道接觸邊界有一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，可以減少導(dǎo) 波在鎳帶內(nèi)部來(lái)回反射的可能，減弱了磁致伸縮型傳感器常見(jiàn)的拖尾現(xiàn)象。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器安裝簡(jiǎn)圖；
[0020] 圖2鋇]鐵棚磁鐵不意圖；
[0021] 圖3雙層族狀回折線圈不意圖；
[0022] 圖4鎳帶示意圖；
[0023] 圖5 042x5x1000 (單位：mm)合金鋼管相速度頻散曲線；
[0024] 圖6 042x5x10001 (單位：mm)合金鋼管群速度頻散曲線；
[0025] 圖7磁致伸縮陣列傳感器檢測(cè)管道缺陷試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；
[0026] 圖8磁致伸縮陣列傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線；
[0027] 圖9磁致伸縮陣列傳感器檢測(cè)帶軸向槽狀缺陷（12_X2_X4mm)管道，激勵(lì)頻率 在270kHz時(shí)接收信號(hào)波形圖。
[0028] 圖中：1、銣鐵硼磁鐵，2、雙層簇狀回折線圈，3、鎳帶，4、高能超聲激勵(lì)接收裝置 RAM-5000, 5、計(jì)算機(jī)，6、數(shù)字示波器，7、激勵(lì)端阻抗匹配模塊，8、接收端阻抗匹配模塊，9、前 置放大模塊，10、縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器作為激勵(lì)傳感器，11、縱向模態(tài)磁致伸縮陣 列傳感器作為接收傳感器，12、合金鋼管，13、位于合金鋼管外表面的沿軸向槽狀缺陷。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，且以下實(shí)施例只是描述性的不是 限定性的，不能以此來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030] 如圖1，為本發(fā)明縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器安裝簡(jiǎn)圖；包括銣鐵硼磁鐵1，雙 層簇狀回折線圈2,鎳帶3。檢測(cè)對(duì)象為合金鋼管，規(guī)格為042χ5χ.197〇 (單位：mm)，材質(zhì)為 12CrlMoV的合金鋼管，密度為7. 85g/cm3,泊松比為0. 27。圖5、圖6中給出了上述參數(shù)下， 合金鋼管12中縱向模態(tài)的頻散曲線。使用環(huán)氧樹(shù)脂膠將鎳帶3粘接合金鋼管12外表面一 周，將8個(gè)銣鐵硼磁鐵1分別置于鎳帶3兩側(cè)，相對(duì)側(cè)面極性相反，且環(huán)向均勻布置合金鋼 管12外表面一周。
[0031] 所述的銣鐵硼磁鐵1如圖2所示，形貌為扇形，沿扇形對(duì)稱軸兩側(cè)極化；扇形的內(nèi) 弧半徑巧與檢測(cè)合金鋼管12外半徑相同即為21mm，扇形張角Θ為70°，沿扇形徑向長(zhǎng)度 h為10mm，銣鐵硼磁鐵1的厚度d為5mm。銣鐵硼磁鐵1位置分布如圖1所示，8塊磁鐵分 別至于鎳帶3兩側(cè)，相對(duì)側(cè)面極性相反，且環(huán)向均勻布置合金鋼管12外表面一周，在其表面 附近產(chǎn)生軸向分布靜磁場(chǎng)。
[0032] 所述的雙層簇狀回折線圈2如圖3所示，采用陣列式回折布線方式，使導(dǎo)線呈成簇 狀布置，采用底上雙層布線，線圈的有效尺寸為35X32mm。線寬0. 2mm，線間距0. 3mm，線圈 長(zhǎng)度35mm，寬度為32mm，相鄰兩簇線圈中心間距D等于設(shè)計(jì)的水平剪切模態(tài)磁致伸縮陣列 傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的L(0, 2)模態(tài)的半波長(zhǎng)λ/2，該傳感器相鄰兩簇線圈中心間距D =10mm，對(duì)應(yīng)的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的理論中心頻率為267kHz。
[0033] 所述的鎳帶3如圖4所示，沿檢測(cè)對(duì)象合金鋼管12粘接一圈，長(zhǎng)度為合金鋼管12 外表面周長(zhǎng)1 =πX42?132_，寬度為研制的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器線圈覆蓋的 寬度35mm，厚度為0. 1mm，并將鎳帶的邊緣進(jìn)行打磨變薄。
[0034] 利用參數(shù)確定后的磁致伸縮陣列傳感器，提供了一種使用L(0, 2)縱向模態(tài)檢測(cè) 管道缺陷的方法：
[0035] 圖7為縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器測(cè)管道中缺陷試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，包括高能超 聲激勵(lì)接收裝置RAM-50004、計(jì)算機(jī)5、數(shù)字示波器6、激勵(lì)端阻抗匹配模塊7、接收阻抗匹配 模塊8、前置放大模塊9、縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器作為激勵(lì)傳感器10、縱向模態(tài)磁致 伸縮陣列傳感器作為接收傳感器11、合金鋼管12。計(jì)算機(jī)5用來(lái)控制RAM-50004的運(yùn)行， 產(chǎn)生高能超聲信號(hào)；RAM-50004輸出數(shù)字信號(hào)至數(shù)字示波器6,數(shù)字示波器6用于信號(hào)的觀 測(cè)和存儲(chǔ)，同時(shí)在接收端阻抗匹配模塊8輸出端配置前置放大模塊9,實(shí)現(xiàn)傳感器接收信號(hào) 的放大；為了使傳感器線圈從激勵(lì)電源獲取最大能量，增強(qiáng)傳感器換能效率，在激勵(lì)傳感器 10和接收傳感器11前添加了激勵(lì)端阻抗匹配模塊7和接收端阻抗匹配模塊8。前置放大 模塊9和激勵(lì)端阻抗匹配模塊7分別與RAM-50004的輸入端和輸出端相連；激勵(lì)傳感器10 和接收傳感器11都為縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，激勵(lì)傳感器10置于距離檢測(cè)對(duì)象合 金鋼管12左端500mm，接收傳感器11位于激勵(lì)傳感器10右側(cè)，兩者相距800mm，人工模擬 軸向槽狀缺陷13位于距離管道左端300mm處，長(zhǎng)度為12mm，寬度為2mm，深度為4mm;
[0036] 利用RAM-50004產(chǎn)生高能量信號(hào)激勵(lì)縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器10,在帶有缺 陷的合金鋼管12中激勵(lì)出縱向模態(tài)L(0, 2)，根據(jù)波傳播的路程，可以預(yù)測(cè)縱向模態(tài)磁致伸 縮陣列傳感器11依次接收到激勵(lì)傳感器直達(dá)波，缺陷反射回波，左端面的反射回波，右端 面的反射回波。
[0037] 首先根據(jù)上述參數(shù)所確定的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證研制的 縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器能有效產(chǎn)生縱向模態(tài)L(0, 2)。激勵(lì)信號(hào)為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5 周期正弦波，圖9為激勵(lì)頻率在270kHz時(shí)接收信號(hào)波形，可以分辨5個(gè)回波波包，波包14 為傳感器激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生串?dāng)_信號(hào)，與激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間幾乎一致；波包15為接收傳感器接收到 的直達(dá)波信號(hào)；激勵(lì)和接收傳感器相距800mm，利用時(shí)間飛行法（TimeofFlight,ToF)，計(jì) 算波包15的實(shí)際傳播速度或群速度vg= 2d/t= 4997.Om/s。由使用商用Disperse軟件 得到群速度的頻散曲線圖6可知，L(0, 2)模態(tài)在合金鋼管12中270kHz頻率點(diǎn)處的理論群 速度5061.Om/s，與通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得到實(shí)際傳播速度vg相比，相對(duì)誤差為1. 2%，可以確定 設(shè)計(jì)的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器可以激勵(lì)出縱向模態(tài)L(0, 2)。
[0038] 接著，根據(jù)上述參數(shù)所確定的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證研制 的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器中心頻率。激勵(lì)信號(hào)依然為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦 波，將激勵(lì)頻率以步長(zhǎng)IOkHz從200kHz增加到340kHz，提取各個(gè)頻率直達(dá)波的峰值，得出 縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線如圖8所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別用圓圈表 示，通過(guò)曲線擬合，可以看出縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器的實(shí)際中心頻率為273kHz，與上 述參數(shù)所確定的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率f。為267kHz基本吻合，相差 0· 3%〇
[0039] 最后，根據(jù)上述參數(shù)所確定的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證研制 的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器能有效檢測(cè)合金鋼管中存在的缺陷。通過(guò)分析圖9為激勵(lì) 頻率在270kHz時(shí)接收信號(hào)中波包16、波包17和波包18,利用波包15計(jì)算出的合金鋼管12 中縱向模態(tài)L(0, 2)的實(shí)際傳播速度Vg(4997.Om/s)，來(lái)反推波包16、波包17和波包18的 傳播的路程分別為1183. 7m、1823.Omm和2124. 7_。與實(shí)際缺陷回波的傳播路程1200_、 左端面回波1800mm和右端面回波的傳播路程2140mm相比，相對(duì)誤差分別為I. 3%、1. 2%和 0. 7%，可以確定波包16為缺陷回波，波包17為左端面的反射回波，波包18為右端面反射 回波。
[0040] 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器可以有效激勵(lì)出信噪比較高 的縱向模態(tài)L(0, 2)，可快速有效地對(duì)合金鋼管中缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且定位精度較高，為進(jìn)一步 利用該傳感器并結(jié)合相控陣原理，實(shí)現(xiàn)管道中缺陷二維成像奠定了基礎(chǔ)。
【權(quán)利要求】
1. 一種縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，包括銣鐵硼磁鐵（1)，雙層簇狀回折線圈（2)， 鎳帶⑶；所述的雙層簇狀回折線圈⑵設(shè)置于柔性電路板中，鎳帶⑶粘接或固定于檢測(cè) 檢測(cè)管道外表面一周，4片設(shè)置有雙層簇狀回折線圈（2)的柔性電路板放置在鎳帶（3)上， 沿著檢測(cè)管道環(huán)向均勻布置一周，且與鎳帶（3)緊密接觸鎳帶（3)兩端分別放置4塊銣鐵 硼磁鐵（1)，所述銣鐵硼磁鐵（1)側(cè)面的法線方向沿著管道長(zhǎng)度方向，鎳帶（3)兩端的銣鐵 硼磁鐵（1)側(cè)面兩兩相對(duì)，且相對(duì)側(cè)面極性相反。
2. 如權(quán)利要求1所述的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于：銣鐵硼磁鐵（1) 的側(cè)面截面形貌為扇形，沿兩側(cè)面極化，且沿環(huán)向均勻布置管道外表面的周向。
3. 如權(quán)利要求1所述的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于：所述的柔性電路 板中包含雙層簇狀回折線圈（2)，采用陣列式回折布線方式，使導(dǎo)線呈簇型分布，底上雙層 布線，相鄰兩簇線圈間距D等于設(shè)計(jì)的磁致伸縮陣列傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng) 入/2。
4. 如權(quán)利要求1所述的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于：鎳帶（3)長(zhǎng)度為 管道外表面周長(zhǎng)，寬度為研制的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器線圈覆蓋的寬度，鎳帶（3) 的邊緣打磨變薄。
5. 如權(quán)利要求1所述的縱向模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器，其特征在于：所述的鎳帶（3) 可以更替為磁致伸縮系數(shù)大于3X 1(T7材料的薄帶。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK104483382SQ201410669590
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】劉增華, 胡亞男, 樊軍偉, 曹瑾瑾, 何存富, 吳斌 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)