[发明专利]一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器(EMAT，Electromagnetic Acoustic Transducer)。

背景技术

水平剪切波(SH波)是在板类结构中传播的一种超声导波，其传播特性在导波检测方面是十分诱人的。SH在板中只产生平行于板面的剪切方向振动，当遇到与其质点振动方向相一致的界面发生反射时，SH波不发生模态转换。此外，SH波的零阶模态不频散，且传播速度较低，同等仪器条件下具有较高的空间分辨力。因而SH波被广泛应用于板的各类缺陷检测以及结构健康监测中。

EMAT是具有周期性分布结构的超声传感器，非常便于产生面内位移，因此常被用于在试件内产生SH波。其特点在于，传感器总是选择性地激励或接收波长与其分布周期相一致的模态。通过线圈形态与固置磁场的分布搭配可以在试件表面激励出不同方向的位移。因此，线圈形态和固置磁场的设计是EMAT设计的关键。图1为常用的SH波EMAT。

线圈：

为了提供产生SH波的剪切振动，SH波EMAT的线圈通常采用回折型线圈，当线圈中通入交变的电流时，在铁磁性试件的表面产生交变的动磁场，该动磁场与由固置磁铁产生的静磁场交互作用，在试件表面或近表面层中产生剪切的振动并向线圈延伸的方向(图中的左右方向)传播，即形成了SH波。

线圈宽度决定了传感器的孔径，从而决定了传感器所激励出的声波的声束宽度。当线圈宽度越大时，传感器所激励出的声束越集中，传感器指向性越好；当线圈宽度越小时，传感器所激励出的声束越发散，同等距离下传感器所覆盖的区域越大。不过线圈宽度的设计应同时考虑传感器指向性的需求和由增大线圈宽度所带来的偏置磁铁的远离(即偏置磁场强度的就降低)。

线圈周期决定了传感器所能激励和接收的声波的波长，声波的波长即为线圈周期。线圈中相邻的两根线段中的电流方向相反，其间距应为波长的一半。当被检材料确定时，线圈周期则对应了其所能激励和接收的声波的频率。正是由于线圈的周期性排布，实现了EMAT的模态选择性。

线圈周期数越大，传感器所能激励出的声波能量越大，但同时会时激励出信号的时域宽度加长，从而降低了检测的时域分辨力。当遇到相聚较近的缺陷时，信号会相互叠加、难以分辨。

磁铁：

EMAT通常采用永磁铁来提供偏置磁场。这种方式简单便捷，但在实际应用中存在不足。当传感器频率较低(线圈周期较大)时，为了提供均匀分布的磁场，需选用体积较大的磁铁。这将导致传感器过于笨重，而检测对象为铁磁性材料时回不便于移动。

以上线圈和磁铁的设计导致了常用SH波EMAT在接收信号幅值、时域分辨力和传感器灵活性上的不足。

发明内容

为了解决现有的EMAT接收信号幅值、时域分辨力和传感器灵活性上的缺点，一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器。

该传感器由信号输入BNC接头1、信号输出BNC接头2、脉冲电磁铁供电BNC接头3、磁铁固定板4、保护外壳5、脉冲电磁铁6和回折型线圈7组成，如图2中所示。回折型线圈7置于保护壳5底面凹槽内，保护壳内部置有脉冲电磁铁6，其上为磁铁固定板4。在保护外壳的最上端为保护外壳的盖板，其上固定有信号输入BNC接头1、信号输出BNC接头2和脉冲电磁铁供电BNC接头3。

所述的磁铁固定板4，目的在于固定住两块电磁铁，以确保在强磁场的作用下，两电磁铁不会吸合。

所述的保护外壳5为整个传感器提供保护。信号输入BNC接头1，信号输出BNC接头2和脉冲电磁铁供电BNC接头3置于保护外壳顶端。磁铁固定板4与脉冲电磁铁6置于保护外壳内部，回折型线圈固定于保护外壳底端的凹槽内，如图3中所示。为了表征外壳内部各元件的分布，图3中的保护外壳为简化模型，实际保护外壳应包含特殊设计的凹坑、凹槽以便于固定脉冲电磁铁与回折型线圈。

所述的脉冲电磁铁6，为具有方形铁芯的脉冲电磁铁，要求磁场方向在磁铁的正下方均匀且方向垂直向下/向上，两脉冲电磁铁所产生的磁场的方向相反，如图3中所示。工作时，在脉冲电磁铁的线圈中激励一个脉冲信号，其宽度应大于激励信号。两脉冲电磁铁会在试件表面形成一个方向由一脉冲电磁铁指向另一脉冲电磁铁的偏置磁场。脉冲电磁铁的匝数与通电电流应根据所需的偏置磁场强度进行设计。

所述的回折型线圈7固定于保护外壳5底端的凹槽内。所述的回折型线圈7的线圈周期并不相等，而是按照一定的规律变化，线圈印制于印刷电路板上，上表层与下表层印制的线圈首尾对齐，但其分布规律相反，如图4所示。