【技术实现步骤摘要】
本专利技术为一种可变波长电磁声表面波传感器及激励波长调控方法，属于超声无损检测领域。该传感器可以根据检测需求自主调控所激发的表面波信号的波长，满足不同深度下的残余应力及缺陷的层析检测需求。
技术介绍
1、表面波，又称为rayleighwave，是一种特殊类型的导波，具有导波传播距离长且衰减小的优点，同时，表面波可沿着构件表面传播，穿透深度大致为1个波长。目前，在工程领域，因其独特的传播特性而被广泛应用于检测表层及一定深度范围内外的试件力学及缺陷信息，包括残余应力梯度分布、镀层力学参数及缺陷开口深度等。
2、电磁声传感器(electromagneticacoustic transducer，emat)是一种通过将电磁能转化为超声波的换能器，具有可设计性强及无需耦合，对试件表面要求不高等优点，可很好的解决表面波变频激励及非接触测量等难题。传统电磁声表面波传感器通常采用回折线圈和永磁铁结构设计，其中，回折线圈中相邻导线的间距d为表面波波长的一半，即d＝λ/2，其中λ为传感器所能激发的表面波的波长。通过上式不难发现，传统电磁声表面波传感器的激励波长受回折线圈的几何参数决定，当线圈结构确定，则只能激发出固定波长的表面波信号，当需要激励不同波长的表面波时，则需要更换不同线圈结构的传感器，这极大了增加了检测工作的繁琐性，且不同波长传感器的一致性很难保证，这给有效信号的识别与处理带来了很大的挑战。
3、当前，工程领域对残余应力沿深度方向的梯度分布的检测需求强烈，考虑到表面波独特的传播特性(沿表面传播，且穿透深度为一个波长
技术实现思路
1、本专利技术的目的旨在克服传统电磁声表面波传感器无法实现变波长激励的痛点，创新性的专利技术了一种可变波长电磁声表面波传感器及变波长激励调控方法，实现对宽带范围内表面波的变波长激励。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下设计方案：
3、本专利技术可变波长电磁声表面波传感由永磁铁阵列(1)，线圈阵列(2)、信号接头(3)和传感器外壳(4)组成，其中，永磁铁阵列(1)由n块上下磁化的矩形永磁铁组成，永磁铁阵列呈线性紧密排布，相邻永磁铁的磁极方向相反，线圈阵列由n-1个线圈组成，n-1个线圈分别绕制在相邻永磁铁的连接处，线圈通过信号接头(3)与多通道高能相控激励设备连接，通过控制每一个线圈的激励时间，进而改变线圈阵列(2)的等效间距，达到变波长激励的目的；
4、可变波长电磁声表面波传感的工作原理为：线圈阵列(2)紧密的缠绕在永磁铁阵列(1)的连接处，永磁铁阵列在连接处的磁场(7)沿水平方向，从n极出发指向s极，因此，相邻磁铁连接处的磁场方向相反；当对4个线圈(2)同时通入激励电流，则在线圈正下方的被测对象(5)的表面同时产生感应涡流(6)，交变的感应涡流(6)在水平方向磁场(7)作用下将产生沿垂直方向的洛伦兹力(8)，受磁场(7)方向的影响，相邻线圈产生的洛伦兹力的方向相反；设相邻线圈的间距为l，则相邻洛伦兹力的间距也为l，在洛伦兹力的作用下，在试件表面激发出波长为λ的表面波信号，根据波长与线圈间距的关系可知，表面波的波长等于2倍的线圈间距，即λ＝2l；当对线圈阵列(2)通入存在一定时间延时的激励信号时δt，线圈的等效间距ld则会发生改变，进而改变所激发出的超声表面波的波长λ，波长调控模型为：
5、λ＝2×(l-δt×c)
6、其中，λ为传感器所激发的表面波信号的波长，l为相邻线圈之间的物理间距，δt为相邻通道激励信号之间的时间延时，c为被测对象(6)表面波的波速；
7、由于相邻线圈的间距为表面波的半波长，因此，为了保证表面波发生整数倍的叠加，所以线圈阵列(2)中线圈的个数为偶数，永磁铁阵列(3)中永磁铁的个数为奇数；为了保证传感器激发出的表面波具有高信噪比特性，需要保证线圈的个数大于等于4；
8、可变波长电磁声表面波传感存在波长调控范围的上限和下限，由于相邻线圈的时间延时会导致传感器的等效线圈间距变小，因此，传感器的波长调控范围的上限由线圈的物理间距l决定，波长调控范围的上限λmax＝2l；随着时间延时的增大，传感器的等效间距逐渐减小，当传感器的等效间距减小到线圈的宽度d时，此时达到传感器波长调控范围的下限λmin＝2d；
9、可变波长电磁声表面波传感的变波长激励原理为：超声表面波的激励波长和线圈之间的等效间距ld相关，表面波的波长为等效间距的2倍；当相邻线圈激励信号的相控时延为零时，，线圈的等效间距和物理间距相等，即l＝ld，此时，所激发的表面波的波长为λ＝2l；当相邻线圈激励信号的时间延时为δt时，线圈的等效间距变为ld＝l-δt×c，此时所激发的表面波的波长为λd＝2(l-δt×c)；可以发现，表面波的波长与相邻线圈激励信号的时间延时δt相关，随着时间延时δt的增大，表面波的波长逐渐变短，因此，通过多通道相控系统改变相控时延，可以达到变波长激励的目的。
10、为了实现对不同波长表面波的精准调控，本专利技术进一步提出了激励波长调控方法，首先，将可变波长电磁声表面波传感置于被测对象(6)表面，并将传感器的各个线圈与多通道高能相控系统的各个通道独立连接，实现对各个通道激励信号的独立相位控制；其次，根据所要激发的超声表面波的波长λ，根据权利要求1的波长调控模型计算相邻通道激励信号的时间延时δt；最后，以端部线圈为起点，通过多通道高能相控系统按顺序依次激励各线圈，其中相邻线圈激励信号的时延为δt，在波的叠加原理的作用下，激发出波长为λ的表面波。
11、与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：
12、1.本专利技术设计的传感器基于电磁声换能原理，该传感器在实际检测过程中不需要与被测试件接触，具有无需耦合、操作简单，方便对被测试件扫查检测等优点；
13、2.本专利技术所设计的传感器可以实现波长调控，满足不同波长的实际检测需要，而不需要对传感器的物理结构进行改变，非常适合结构的变波长层析检测；
14、3.本专利技术通过相控的方式改变超声表面波的波长，极大的提升了传感器的检测自动化和工作效率，避免了由于传感器更换而产生的信号不一致等问题，为应力梯度层析，缺陷开口深度检测等实际工程问题提供了一种有力的解决方案；
15、4.本专利技术采用聚磁式的磁铁结构，线圈阵列所处位置的磁场得到显著的加强，进而可以激发出能量更强的超声表面波信号，保证传感器的高信噪比；
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1.一种可变波长电磁声表面波传感器，包括永磁铁阵列(1)、线圈阵列(2)、信号接头(3)和传感器外壳(4)；其特征在于，所述永磁铁阵列(1)由N块上下磁化的矩形永磁铁组成，永磁铁阵列呈线性紧密排布，相邻永磁铁的磁极方向相反；所述线圈阵列(2)由N-1个线圈组成，N-1个线圈分别绕制在相邻永磁铁的连接处，线圈通过信号接头(3)与多通道高能相控激励设备连接，通过控制每一个线圈的激励时间，进而改变线圈阵列(2)的等效间距，达到变波长激励的目的；
2.根据权利要求1所述的一种可变波长电磁声表面波激励传感器，其特征在于：所述的永磁铁阵列(1)中永磁铁的数量N≥5，且N为奇数。
3.根据权利要求1所述的一种可变波长电磁声表面波激励传感器，其特征在于：所述的线圈阵列(2)中相邻线圈之间的物理间距L决定传感器波长调控范围的上限λmax，波长调控范围的上限为λmax＝2L。
4.根据权利要求1所述的一种可变波长电磁声表面波激励传感器，其特征在于：所述的线圈阵列(2)中线圈的宽度d决定了传感器的可调波长的范围的下限λmin，波长调控范围的下限为λmin＝2d。p>
5.根据权利要求1至4任一项所述的可变波长电磁声表面波传感器的激励波长调控方法，其特征在于，首先，将可变波长电磁声表面波传感置于被测对象(6)表面，并将传感器的各个线圈与多通道高能相控系统的各个通道独立连接，实现对各个通道激励信号的独立相位控制；其次，根据所要激发的超声表面波的波长λ，根据波长调控模型计算相邻通道激励信号的时间延时Δt；最后，以端部线圈为起点，通过多通道高能相控系统按顺序依次激励各线圈，其中相邻线圈激励信号的时延为Δt，在波的叠加原理的作用下，激发出波长为λ的表面波。
...【技术特征摘要】
1.一种可变波长电磁声表面波传感器，包括永磁铁阵列(1)、线圈阵列(2)、信号接头(3)和传感器外壳(4)；其特征在于，所述永磁铁阵列(1)由n块上下磁化的矩形永磁铁组成，永磁铁阵列呈线性紧密排布，相邻永磁铁的磁极方向相反；所述线圈阵列(2)由n-1个线圈组成，n-1个线圈分别绕制在相邻永磁铁的连接处，线圈通过信号接头(3)与多通道高能相控激励设备连接，通过控制每一个线圈的激励时间，进而改变线圈阵列(2)的等效间距，达到变波长激励的目的；
2.根据权利要求1所述的一种可变波长电磁声表面波激励传感器，其特征在于：所述的永磁铁阵列(1)中永磁铁的数量n≥5，且n为奇数。
3.根据权利要求1所述的一种可变波长电磁声表面波激励传感器，其特征在于：所述的线圈阵列(2)中相邻线圈之间的物理间距l决定传感器波长调控范围的上限λ...
【专利技术属性】
技术研发人员：张义政，何存富，王永慷，高杰，吕炎，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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