一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，屬于電磁超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。該傳感器包括柔性磁鐵和柔性弧形回折線(xiàn)圈。柔性磁鐵相對(duì)于剛性磁鐵，具有柔韌性，可彎曲一定角度貼合鋼軌，使用時(shí)不易磨損傳感器。當(dāng)弧形回折線(xiàn)圈通入交變電流時(shí)，在試件表面會(huì)產(chǎn)生渦流，在柔性磁鐵提供偏置靜磁場(chǎng)的作用下，基于洛倫茲力原理在鋼軌中產(chǎn)生表面波信號(hào)。采用的柔性弧形回折線(xiàn)圈具有凸向和凹向，以所需信號(hào)傳播方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，通過(guò)選擇弧形回折線(xiàn)圈的凹凸向，使產(chǎn)生的表面波信號(hào)能量偏向一個(gè)方向聚焦，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號(hào)傳播的單向性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)領(lǐng)域，主要涉及一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，該傳感器可在鋼軌中激勵(lì)出表面波。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵路運(yùn)輸作為我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)囊环N方式，應(yīng)用廣泛且經(jīng)濟(jì)便捷。鋼軌作為鐵路軌道的重要組成部件，承受列車(chē)運(yùn)行時(shí)的沖擊碾壓，在使用過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋、磨損甚至斷裂等缺陷，造成安全隱患。
[0003]為了保障鐵路安全，需要對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷，國(guó)內(nèi)外常采用壓電超聲技術(shù)。但壓電超聲技術(shù)需要在鋼軌和傳感器之間采用能使聲阻匹配的耦合劑，造成檢測(cè)精度和檢測(cè)效率受限。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)需耦合劑、對(duì)被測(cè)試件表面要求不高、可應(yīng)用于高溫和高速的場(chǎng)合等優(yōu)勢(shì)，采用電磁超聲技術(shù)可以彌補(bǔ)壓電超聲的不足。電磁聲傳感器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)是電磁超聲檢測(cè)技術(shù)中激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波的核心部件。電磁聲傳感器一般由三部分組成:提供偏置靜磁場(chǎng)的磁體、產(chǎn)生動(dòng)磁場(chǎng)或感應(yīng)渦流的通電線(xiàn)圈、被測(cè)試樣。電磁聲傳感器的換能機(jī)理主要有基于洛倫茲力機(jī)理和基于磁致伸縮機(jī)理。基于洛倫茲力機(jī)理:當(dāng)通有交變激勵(lì)電流的線(xiàn)圈靠近被測(cè)金屬表面時(shí)，在金屬內(nèi)感應(yīng)出渦流，在磁體提供偏置靜磁場(chǎng)的作用下，金屬中產(chǎn)生交變的洛倫茲力，這種變化的力將激發(fā)出超聲波?；诖胖律炜s機(jī)理:通有交變激勵(lì)電流的線(xiàn)圈產(chǎn)生交變的動(dòng)磁場(chǎng)，與偏置靜磁場(chǎng)的共同作用下，磁性材料長(zhǎng)度和體積發(fā)生微小變化，形成材料內(nèi)部的振動(dòng)，并最終以聲波形式將振動(dòng)向外傳播。電磁聲傳感器種類(lèi)和形式多樣，通過(guò)不同磁體和不同形狀的線(xiàn)圈以不同的方式組合，可產(chǎn)生不同類(lèi)型的超聲波。
[0004]表面波是一種在半無(wú)限大固體介質(zhì)表面或與其他介質(zhì)的界面及其附近傳播而不深入到介質(zhì)內(nèi)部的超聲導(dǎo)波，非常適合檢測(cè)鋼軌軌頭的裂紋缺陷。通過(guò)設(shè)計(jì)電磁聲傳感器的線(xiàn)圈和磁鐵的形狀，可以在鋼軌中產(chǎn)生表面波。電磁聲傳感器通常采用剛性永磁鐵，但剛性永磁鐵在鋼軌上吸附作用強(qiáng)烈，移動(dòng)困難，易磨損傳感器，容易吸附鐵肩，檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且剛性永磁鐵成型后不可彎曲，難以貼合彎曲或復(fù)雜表面。
[0005]本發(fā)明的基本思想為采用一種柔性磁鐵，彌補(bǔ)剛性永磁鐵的不足，結(jié)合弧形回折線(xiàn)圈，提出一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，可在鋼軌中激勵(lì)出表面波。柔性磁鐵與剛性永磁鐵相比，具有更好的力學(xué)性能，耐沖擊性好，不易碎裂，能更好地貼合鋼軌，不易磨損線(xiàn)圈。采用弧形回折線(xiàn)圈可控制信號(hào)傳播的單向性，使表面波信號(hào)能量沿一個(gè)方向上聚焦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，研究利用柔性磁鐵結(jié)合弧形回折線(xiàn)圈的電磁聲傳感器，在鋼軌中產(chǎn)生表面波。該電磁聲表面波傳感器采用柔性磁鐵，具有柔韌性，可彎曲一定角度貼合鋼軌，使用時(shí)不易磨損傳感器。傳感器所采用弧形回折線(xiàn)圈可控制信號(hào)傳播方向
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下設(shè)計(jì)方案:
[0008]一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，包括柔性釹鐵硼磁鐵1、弧形回折線(xiàn)圈2;柔性釹鐵硼磁鐵I吸附在檢測(cè)的鋼軌軌頭3的踏面上，弧形回折線(xiàn)圈2置于磁鐵I與鋼軌軌頭3之間；當(dāng)弧形回折線(xiàn)圈2通入交變電流時(shí)，在檢測(cè)的鋼軌軌頭3表面會(huì)產(chǎn)生渦流，在柔性釹鐵硼磁鐵I提供偏置靜磁場(chǎng)的作用下，鋼軌軌頭3表面中產(chǎn)生交變的洛倫茲力。洛倫茲力引發(fā)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，振動(dòng)沿鋼軌表面以超聲導(dǎo)波的形式進(jìn)行傳播。
[0009]所述的一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，其特征在于:柔性釹鐵硼磁鐵I為帶柔韌性的長(zhǎng)方體磁鐵，能夠彎曲并沿上下表面極化，柔性釹鐵硼磁鐵I的磁場(chǎng)方向垂直向下或向上于柔性弧形回折線(xiàn)圈2。
[0010]所述的一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，其特征在于:弧形回折線(xiàn)圈2共有兩層，相鄰線(xiàn)圈間距出等于設(shè)計(jì)的電磁聲表面波傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)即λ/2;弧形回折線(xiàn)圈2中各圓弧線(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的弦距離為L(zhǎng)2。
[0011]本發(fā)明取得如下有益效果:
[0012]1、采用的柔性釹鐵硼磁鐵I，相對(duì)于常用的剛性釹鐵硼磁鐵，可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象表面形狀做出調(diào)整，彎曲一定角度能更好地與鋼軌貼合并且不易磨損線(xiàn)圈。由于磁鐵的柔韌性，其彎曲后可恢復(fù)原狀。
[0013]2、采用柔性FPC印刷的弧形回折線(xiàn)圈2，可以通過(guò)改變回折線(xiàn)圈的間距，設(shè)計(jì)出不同中心頻率的電磁聲表面波傳感器
[0014]3、柔性FPC印刷的弧形回折線(xiàn)圈2，與傳統(tǒng)的回折線(xiàn)圈相比，由于弧形回折線(xiàn)圈2有凸向和凹向，以所需信號(hào)傳播方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，采用凹向弧形回折線(xiàn)圈作為激勵(lì)線(xiàn)圈或以凸向弧形回折線(xiàn)圈作為接收線(xiàn)圈，可實(shí)現(xiàn)表面波信號(hào)傳播的單向性。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器安裝簡(jiǎn)圖；
[0016]圖2柔性釹鐵硼磁鐵示意圖；
[0017]圖3弧形回折線(xiàn)圈示意圖；
[0018]圖4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；
[0019]圖5基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0020]圖6激勵(lì)頻率為520kHz時(shí)接收信號(hào)；
[0021]圖7弧形回折線(xiàn)圈作為激勵(lì)信號(hào)線(xiàn)圈，傳統(tǒng)回折線(xiàn)圈作為接收信號(hào)線(xiàn)圈示意圖
[0022]圖8信號(hào)傳播的單向性驗(yàn)證
[0023]圖中:1、柔性釹鐵硼磁鐵;2、弧形回折線(xiàn)圈；3、鋼軌軌頭;4、高能超聲激勵(lì)接收裝置RPR-4000;5、數(shù)字示波器;6、激勵(lì)端阻抗匹配模塊;7、接收端阻抗匹配模塊;8、激勵(lì)傳感器;9、接收傳感器;I O、鋼軌試樣。
【具體實(shí)施方式】
[0024]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。
[0025]根據(jù)洛倫茲力原理，設(shè)計(jì)了一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，其包括柔性釹鐵硼磁鐵I，柔性電路板中雙層弧形回折線(xiàn)圈2，其檢測(cè)對(duì)象為鋼軌，安裝簡(jiǎn)圖如圖1所示。該傳感器制作簡(jiǎn)單，拆裝方便。
[0026]本實(shí)例中，所述電磁聲表面波傳感器在安裝時(shí)，手動(dòng)彎曲柔性釹鐵硼磁鐵I和弧形回折線(xiàn)圈2以貼合鋼軌軌頭3的踏面。柔性釹鐵硼磁鐵I可將弧形回折線(xiàn)圈2吸附在踏面上。所述的柔性釹鐵硼磁鐵I如圖2所示，本實(shí)例選用的磁鐵尺寸為長(zhǎng)Li = 49mm，寬Di = 31mm，高Hi = 5mm，最大可彎曲角度對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)為39mm，弧長(zhǎng)與弦長(zhǎng)距離為11mm。
[0027]所述弧形回折線(xiàn)圈2如圖3所示，采用雙層布線(xiàn)，上下兩層弧形回折線(xiàn)圈對(duì)疊，上下兩層通電時(shí)電流方向變化一致，線(xiàn)圈的有效尺寸長(zhǎng)L3 = 39mm，寬D3 = 20mm，線(xiàn)寬0.2mm，D2 =3mm，弧形線(xiàn)圈中各圓弧線(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的弦距離為L(zhǎng)2 = 3mm。
[0028]搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，包括高能超聲激勵(lì)接收裝置RPR-40004、數(shù)字示波器5、激勵(lì)端阻抗匹配模塊6、接收端阻抗匹配模塊7、激勵(lì)傳感器8、接收傳感器9、鋼軌試樣10。高能超聲激勵(lì)接收裝置RPR-40004與數(shù)字示波器5相連，激勵(lì)傳感器8、接收傳感器9設(shè)置在鋼軌試樣10上，激勵(lì)傳感器8通過(guò)激勵(lì)端阻抗匹配模塊6與高能超聲激勵(lì)接收裝置RPR-40004連接，接收傳感器9通過(guò)接收端阻抗匹配模塊7與高能超聲激勵(lì)接收裝置RPR-40004連接。高能超聲激勵(lì)接收裝置RPR-40004能夠產(chǎn)生高能脈沖信號(hào)，數(shù)字示波器5用于觀(guān)測(cè)信號(hào)和儲(chǔ)存原始信號(hào)波形。激勵(lì)端阻抗匹配模塊6和接收端阻抗匹配模塊7用于增強(qiáng)傳感器的換能效率。
[0029]根據(jù)所述電磁聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所設(shè)計(jì)線(xiàn)圈間距D2S3mm，D2S表面波波長(zhǎng)的二分之一，所設(shè)計(jì)的中心頻率為520kHz。為了驗(yàn)證該傳感器實(shí)際中心頻率符合設(shè)計(jì)的理論中心頻率，將激勵(lì)頻率以步長(zhǎng)1kHz從490kHz增加到560kHz，提取各個(gè)頻率點(diǎn)接收信號(hào)的包絡(luò)峰值，得出基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分別用圓圈表示，通過(guò)曲線(xiàn)擬合，可以看出實(shí)際中心頻率為518kHz，與理論中心頻率520kHz基本吻合。
[0030]以本發(fā)明所述的電磁聲表面波傳感器作為激勵(lì)傳感器，傳統(tǒng)的回折線(xiàn)圈作為接收傳感器。傳統(tǒng)回折線(xiàn)圈如圖7(b)所示，有效尺寸長(zhǎng)L3 = 36mm，寬D3 = 20mm，線(xiàn)寬0.2mm。兩傳感器相距160mm，采用一激一收方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)信號(hào)為5周期正弦波信號(hào)，圖5為激勵(lì)頻率在520kHz時(shí)接收信號(hào)波形，通過(guò)時(shí)間飛行法，波包I為串?dāng)_信號(hào)，第一個(gè)直達(dá)波包II為表面波波包，計(jì)算所得表面波波速為3160m/s。
[0031]弧形回折線(xiàn)圈的應(yīng)用能使產(chǎn)生的信號(hào)能量沿一個(gè)方向上聚焦，傳播時(shí)具有單向性，所采用的激勵(lì)線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈如圖7所示。圖7中的(a)、(c)為弧形回折線(xiàn)圈作為激勵(lì)線(xiàn)圈，圖7中的(b)、(d)為傳統(tǒng)回折線(xiàn)圈作為接收線(xiàn)圈，兩傳感器相距165mm，采用一激一收方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)信號(hào)為5周期正弦波信號(hào)，激勵(lì)頻率為520kHz。圖7*X1方向?yàn)樾盘?hào)傳播方向，以X1為基準(zhǔn)，圖7中的(a)為弧形回折線(xiàn)圈為凹向線(xiàn)圈，圖7中的(c)為弧形回折線(xiàn)圈為凸向線(xiàn)圈。其產(chǎn)生信號(hào)波形如圖8所示，A1組信號(hào)為凹向弧形回折線(xiàn)圈為激勵(lì)線(xiàn)圈，信號(hào)為凸向弧形回折線(xiàn)圈為激勵(lì)線(xiàn)圈，波包III為串?dāng)_信號(hào)，波包IV為第一個(gè)直達(dá)表面波信號(hào)。比較^與出兩組信號(hào)可得，凹向弧形回折線(xiàn)圈為激勵(lì)線(xiàn)圈時(shí)信號(hào)幅值較大，凸向弧形回折線(xiàn)圈為激勵(lì)線(xiàn)圈時(shí)直達(dá)波包幾乎不可見(jiàn)。傳統(tǒng)回折線(xiàn)圈激勵(lì)接收信號(hào)并無(wú)單向傳播性，沿鋼軌雙向傳播。本發(fā)明所述的傳感器，通過(guò)控制弧形回折線(xiàn)圈的凹凸向，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量偏向一個(gè)方向傳遞。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，其特征在于:該基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器包括柔性釹鐵硼磁鐵(I)、弧形回折線(xiàn)圈(2);柔性釹鐵硼磁鐵(I)吸附在檢測(cè)的鋼軌軌頭(3)的踏面上，弧形回折線(xiàn)圈(2)置于磁鐵(I)與鋼軌軌頭(3)之間；當(dāng)弧形回折線(xiàn)圈(2)通入交變電流時(shí)，在檢測(cè)的鋼軌軌頭(3)表面會(huì)產(chǎn)生渦流，在柔性釹鐵硼磁鐵(I)提供偏置靜磁場(chǎng)的作用下，鋼軌軌頭(3)表面中產(chǎn)生交變的洛倫茲力；洛倫茲力引發(fā)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，振動(dòng)沿鋼軌表面以超聲導(dǎo)波的形式進(jìn)行傳播。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，其特征在于:柔性釹鐵硼磁鐵(I)為帶柔韌性的長(zhǎng)方體磁鐵，能夠彎曲并沿上下表面極化，柔性釹鐵硼磁鐵(I)的磁場(chǎng)方向垂直向下或向上于柔性弧形回折線(xiàn)圈(2)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，其特征在于:弧形回折線(xiàn)圈(2)共有兩層，相鄰線(xiàn)圈間距02等于設(shè)計(jì)的電磁聲表面波傳感器理論中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)即λ/2;弧形回折線(xiàn)圈(2)中各圓弧線(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的弦距離為L(zhǎng)2。
【文檔編號(hào)】G01N29/34GK106018569SQ201610600135
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】劉增華, 鐘栩文, 謝穆文, 劉秀成, 呂炎, 何存富, 吳斌
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)