【技术实现步骤摘要】
专利技术涉及一种用于金属薄板检测评价的相位编码式水平剪切波电磁声换能器，属于无损检测与结构健康监测领域。
技术介绍
1、金属薄板广泛应用于化工、航空航天、船舶交通、核工业、机械制造等工业领域，由于受到原料、加工工艺等因素的影响，钢材在加工生产过程不可避免会产生诸如孔洞、裂纹、分层等缺陷，此外，金属板材若长期服役于恶劣工作环境中，表面极易出现裂纹、腐蚀、磨损等缺陷，这些缺陷会导致板材力学性能下降，从而最终会影响设备安全运行，带来严重的安全隐患，因此对金属薄板进行缺陷检测评价具有重要意义。
2、针对金属板材常规的无损检测方法主要有视觉检测法、射线检验法、超声检验法、涡流检验法和磁粉检验法等方法。超声导波具有检测范围大，衰减小，检测效率高等优点，特别适合应用于金属薄板的检测。水平剪切波(sh波)是导波的一种特殊类型，其质点离面位移为零，传播特性不易受波导周围介质的影响；在整个板厚上的质点位移均匀，对缺陷的敏感度和缺陷在板厚方向上的位置无关，可以同时检测构件内部和表面的缺陷；振动方向与表面边界平行，不易发生模态转换；其频散特性较为简单，sh0模态导波具有非频散特性。这些优越特性，使sh波非常适合进行板材裂纹、腐蚀以及焊接过程产生的缺陷检测。电磁声换能器(emat)可以在金属薄板中激励出sh波。
3、emat检测时无需耦合剂，不需要与试件接触就可以实现检测，对检测环境要求较低。对于受污染或表面有铁锈、污垢的试件的检测时，无需对检测位置进行打磨处理，有利于提高检测效率，且可以在高温环境下进行缺陷检测。常规用于激励sh
4、但是目前emat仍存在换能效率较低，信噪比低的缺点,需要大功率激励才能激发足够强度的超声波，emat接收信号幅值小，且容易接收环境噪声，信噪比一般不高。因此大多电磁超声探伤设备相对较大，不便携，限制了电磁超声探伤仪的应用范围。
5、而采用脉冲压缩技术能够大幅提升emat的信噪比，同时不损失空间分辨率。典型二相编码信号－巴克码是一种有效的相位编码方法，具有理想的非周期自相关特性。本专利技术结合巴克码对换能器的永磁体排布、线圈的激励信号进行了调整，以激励出相位编码的水平剪切波，进行脉冲压缩处理后，则可以得到宽频带、高幅值、窄脉冲的信号，能够提高emat的信噪比和空间分辨率，有效提升emat金属薄板缺陷检测评价能力。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出一种可以激励出相位编码式水平剪切波的emat，针对常规emat信噪比低的问题，从传感器的结构设计出发，通过将周期性永磁体调整为编码式周期性永磁体，以提供编码式偏置磁场，调整线圈的激励信号，使其与编码式磁场相匹配，完成相位编码的水平剪切波的激励。结合脉冲压缩技术和旁瓣抑制技术，对超声信号进行数据处理后，则可以得到频带更宽，幅值更高，时宽更窄的超声波信号。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下设计方案：
3、一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，包括壳体1、周期性永磁体阵列2、跑道线圈3及传感器接头4；其特征在于：周期性永磁体阵列2设置于壳体1内部，跑道线圈3设置于周期性永磁体阵列2正下方，传感器接头4布置于壳体1上，与跑道线圈3用导线进行连接。
4、所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列2中永磁体充磁方向为厚度方向,且相邻永磁体充磁方向相反，呈周期性排布。
5、所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列2由a规格永磁体和b规格永磁体组成，用于提供相位编码式偏置磁场。a规格永磁体宽度w等于所设计的激励sh0模态导波波长λ的一半。b规格永磁体的宽度等于a规格永磁体宽度的2倍，其余尺寸均与b规格永磁体相同。
6、所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列2中a规格永磁体和b规格永磁体排列方式参照相位编码方式之一的巴克码序列编码。
7、所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列2中端头永磁体使用a规格永磁体，当所参照的巴克码序列中出现+1，-1相邻的情况时，使用b规格永磁体，当+1，+1或-1，-1相邻时使用a规格永磁体。
8、所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：跑道线圈3采用印刷柔性电路板fpc方式制作，直线部分长度lc不小于周期性永磁体阵列2长度l,l＝2*n*w(n为周期性永磁体阵列2布置所参照的巴克码序列位数，w为周期性永磁体阵列2所使用a规格永磁体宽度)。
9、所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：跑道线圈3中通入的激励信号为相位编码信号，使用周期性永磁体阵列2排布所参照的巴克码序列进行编码，码元为m周期的正弦信号，m的取值为正整数。编码实现方式为：当巴克码序列为+1时，码元相位设置为0°，当巴克码序列为-1时，码元相位设置为180°。
10、本专利技术可以获得如下有益效果：
11、1、该相位编码式水平剪切波换能器可以激励出相位调制的水平剪切波，经过脉冲压缩处理后，则可以得到宽频带，高幅值，窄脉冲的水平剪切波，能有效拓宽换能器使用的频带范围，提高信号幅值，压缩脉冲宽度，使得换能器具有更高的信噪比和空间分辨率。
12、2、该相位编码式水平剪切波换能器两侧激励出的相位调制波形相异，根据这一特性，可以实现波的方向的判定，从而有利于精确判断缺陷所在位置，进一步提升了换能器检测金属薄板缺陷的能力。
13、3、该换能器可激励出经过相位调制的水平剪切波。相较于常规ppm式电磁声换能器所激励出的水平剪切波，相位调制后的水平剪切波的频带更宽，且经过脉冲压缩和旁瓣抑制处理后，信号幅值更高，时宽更窄。因此，相位编码式电磁声换能器具有信噪比更高，空间分辨率高的优势，且该换能器两侧激励出的波形相异，根据这一特性，可以判断回波的传播方向，判断缺陷的精确位置，有利于进行金属薄板的检测评价。
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1.一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，包括壳体(1)、周期性永磁体阵列(2)、跑道线圈(3)及传感器接头(4)；周期性永磁体阵列(2)设置于壳体(1)内部，跑道线圈(3)设置于周期性永磁体阵列(2)正下方，传感器接头(4)布置于壳体(1)上，与跑道线圈(3)用导线进行连接；其特征在于：周期性永磁体阵列(2)中A规格永磁体和B规格永磁体排列方式参照相位编码方式之一的巴克码序列编码。
2.根据权利要求1中所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列(2)中永磁体充磁方向为厚度方向，且相邻永磁体充磁方向相反，呈周期性排布。
3.根据权利要求1中所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列(2)由A规格永磁体和B规格永磁体组成，用于提供相位编码式偏置磁场；A规格永磁体磁铁宽度w等于所设计的激励SH0模态导波波长λ的一半；B规格永磁体的宽度等于A规格永磁体宽度的2倍，其余尺寸均与B规格永磁体相同。
4.根据权利要求2中所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列(2)
5.根据权利要求1中所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：跑道线圈(3)采用印刷柔性电路板FPC方式制作，直线部分长度LC不小于周期性永磁体阵列(2)长度L，L＝2*N*w，N为周期性永磁体阵列(2)布置所参照的巴克码序列位数，w为周期性永磁体阵列(2)所使用A规格永磁体磁铁宽度。
6.根据权利要求1所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：跑道线圈(3)中通入的激励信号为相位编码信号，使用周期性永磁体阵列(2)排布所参照的巴克码序列进行编码，码元为M周期的正弦信号，M的取值为正整数；编码实现方式为：当巴克码序列为+1时，码元相位设置为0°，当巴克码序列为-1时，码元相位设置为180°。
...【技术特征摘要】
1.一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，包括壳体(1)、周期性永磁体阵列(2)、跑道线圈(3)及传感器接头(4)；周期性永磁体阵列(2)设置于壳体(1)内部，跑道线圈(3)设置于周期性永磁体阵列(2)正下方，传感器接头(4)布置于壳体(1)上，与跑道线圈(3)用导线进行连接；其特征在于：周期性永磁体阵列(2)中a规格永磁体和b规格永磁体排列方式参照相位编码方式之一的巴克码序列编码。
2.根据权利要求1中所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列(2)中永磁体充磁方向为厚度方向，且相邻永磁体充磁方向相反，呈周期性排布。
3.根据权利要求1中所述的一种相位编码式水平剪切波电磁声换能器，其特征在于：周期性永磁体阵列(2)由a规格永磁体和b规格永磁体组成，用于提供相位编码式偏置磁场；a规格永磁体磁铁宽度w等于所设计的激励sh0模态导波波长λ的一半；b规格永磁体的宽度等于a规格永磁体宽度的2倍，其余尺寸均与b规格永磁体相同。
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘增华，王潇赛，郭彦弘，程进杰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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