一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器制造技术

一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：包括多个PPM电磁声传感器，其中每个PPM电磁声传感器包括铷铁硼磁铁阵列(A)和柔性印刷电路板中至少一层跑道型线圈(B)，多个PPM电磁声传感器均布环管结构一周；铷铁硼磁铁阵列(A)中相邻磁铁产生方向相反的静磁场，每一块磁铁的宽度等于激励频率下T(0,1)模态波长的一半，形状相同，均为条形弧状，多块磁铁紧密放置在一起形成一个瓦块形；铷铁硼磁铁阵列(A)的中心与跑道型线圈(B)的中心重合；多个跑道型线圈(B)集中在一个柔性印刷电路板(D)上，各个跑道型线圈(B)连接方式为并联。本发明专利技术可有效的激励和接收T(0,1)模态超声导波，在传感器安装时，不需要对管道表面进行处理，结果准确度高，可重复性好，检测过程方便快捷。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：包括多个PPM电磁声传感器，其中每个PPM电磁声传感器包括铷铁硼磁铁阵列(A)和柔性印刷电路板中至少一层跑道型线圈(B)，多个PPM电磁声传感器均布环管结构一周；铷铁硼磁铁阵列(A)中相邻磁铁产生方向相反的静磁场，每一块磁铁的宽度等于激励频率下T(0,1)模态波长的一半，形状相同，均为条形弧状，多块磁铁紧密放置在一起形成一个瓦块形；铷铁硼磁铁阵列(A)的中心与跑道型线圈(B)的中心重合；多个跑道型线圈(B)集中在一个柔性印刷电路板(D)上，各个跑道型线圈(B)连接方式为并联。本专利技术可有效的激励和接收T(0,1)模态超声导波，在传感器安装时，不需要对管道表面进行处理，结果准确度高，可重复性好，检测过程方便快捷。【专利说明】一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器
本专利技术属于超声导波无损检测领域，可在管道中激励T(0，I)模态，并对管道进行 无损检测。
技术介绍
超声导波技术具有高效、快速和大范围缺陷检测的能力，可以对板、管和杆结构材 料进行无损检测，因此超声导波技术广泛应用于多类工程结构的无损评价和健康监测。其 中，使用轴对称的纵波模态和扭转波模态的导波方法可以实现管道的快速、高效的检测，尤 其是在管道中激励的T(0，I)模态。T(0，I)模态的波包结构简单，而且具有非频散特性，这 便使其入射信号能够在传播过程中保持信号波形，传播更长的距离而有小的衰减。相比较 纵波模态，纵波模态在管道中传播时，其质点振动方向沿着波的传播方向，这便使得纵波几 乎不会与管道中的轴向缺陷发生反射、折射现象。扭转模态在管道中传播时，质点振动方向 与传播方向垂直，使得其检测沿着波传播方向的缺陷成为可能，也因为此，T(0，I)模态是当 前研究的热点。然而在管道中难以快捷、有效的激励T(0，I)模态，限制了其在工程领域的 应用，因此需要设计一种安装方便，而又能够有效激励T(0，I)模态的传感器，对工程结构 进行无损评价及健康监测，使其更具有工程应用价值。在管道中激励T(0，I)模态，主要有两类传感器，一类是压电传感器 (Piezoelectric transducers, PZT),另一类是磁致伸缩传感器(Magnetostrictive sensor, MsS)。针对压电传感器，国外学者研究的较早，使用其激励T(0，I)模态，研究比较 成熟的是 D.N.Alleyne2001 年，在《AIP Conference Proceedings))上发表《Rapid, long range inspection of chemical plant pipework using guided waves》中设计制造的 新型传感器阵列，阵列由两组通过干耦合方式安装的压电探头组成，压电探头为长度伸缩 型，在管道上可以激励出方向单一的扭转模态。这种压电传感器激励T(0，I)模态没有使 用耦合剂将压电片粘贴在管道上，而是使用夹具使得压电材料可以和管道紧密配合。但此 方法使用夹具预紧压电片很容易导致预紧力不均匀，对有效产生信噪比高，激励效果良好 的T(0，I)模态存在一定影响。国内学者对使用压电传感器激励T(0，I)模态同样进行了 研究，发表的文献主要包括刘增华2006年，在《仪器仪表学报》的《扭转模态在充水管道缺 陷检测的实验研究》，在激励扭转模态时，利用敏感元件的物理特性，在充水管道中激励了 T(0, I)模态，并实现了缺陷检测。但是在使用敏感元件的物理特性激励扭转模态的同时，就 意味着敏感元件和冲水管道需要接触并耦合良好，这就造成了在使用时安装较复杂，不利 于现场的快速检测。针对MsSs，是国外学者提出新的在管道上激励T (0，I)模态的方法，发表的专利和 文献主要包括:利用MsSs激励扭转模态是H.Kwun等,2002年申请的美国专利《Method and apparatus generating and detecting torsional wave》。MsSs 结构产生的交变的磁场 作用于镍带，镍带和管材是通过机械耦合方式进行粘贴的，镍带是应力传递的介质。专利中 的传感器事实上也需要和管材进行耦合，没有实现非接触检测。之后，一些学者为更好的实现模态控制及增强信号幅值对传感器做了进一步研究，其中Yoon Young Kim等2005年， 在〈〈Acoustical Society of America〉〉发表的文献〈〈Torsional wave experiments with a new magnetostrictive transducer configuration》和在《Applied Physics Letters》 发表的文献〈〈Effects of the orientation of magnetostrictive nickel strip on torsional wave transduction efficiency of cylindrical waveguides》中对 H.Kwun 设计的传感器结构进行了优化，改变了镍带的形状，增加了一个激励线圈，也证明用铁钴带 代替镍带可以提高信号的幅值，但是不管是使用镍带还是铁钴带都需要耦合。Hoe Woong Kim 等 2010 年，在〈〈Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control))中发表的 ((Megahertz-Range Guided Pure Torsional Wave Transduction and Experiments Using a Magnetostrictive Transducer》。作者利用在板中激励水平剪切波(Shear horizontal wave, SH)的传感器结构用于管道上，在管道上阵列后激励出了 T(0，I)模态，并实现了周向 缺陷检测。但是所设计的传感器，因为是利用磁致伸缩效应，使得该技术的特点就是使用镍 带或是铁钴带，这种有较强磁致伸缩特性的材料。无论是专利还是文献中利用磁致伸缩效 应设计的传感器的一个共性，就是将镍带或铁钴带粘贴在管道上，需要对管道表面进行处 理。压电传感器还是磁致伸缩传感器都有着各自的优势，同时存在应用的局限性。压 电传感器能量高，但是压电元件和管道需要进行粘贴或是通过干耦的方式使用夹具对压电 元件进行预紧，粘贴增加了工程检测的复杂性，同时需要对管道表面进行处理，干耦的方式 同样需要对管道表面进行处理，否则难以使得压电材料均匀的贴合在管道表面上，由于夹 具的存在，周向加载不均匀，会使激励的T(0，I)模态导波的信噪比受到很大的影响。磁致 伸缩传感器，由于利用磁致伸缩效应，需要使用磁致伸缩带材，如镍带或者铁钴合金，都需 要和管道进行紧密的贴合，也就意味着需要对管道表面进行处理，且能量相对于压电传感 器低，但其在实际应用中更加容易安装，适合工程应用。近年来，国内外研究超声导波的热情不减，使得超声导波技术在无损检测领域长 足发展。对于在管道激励T(0，I)模态传感器主要形式还是压电传感器和磁致伸缩传感 器。很多学者利用在板中激励SH波的电磁声传感器的结构用在管道上，而且基于磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器，其特征在于：包括多个PPM电磁声传感器，其中每个PPM电磁声传感器包括铷铁硼磁铁阵列(A)和柔性印刷电路板中至少一层跑道型线圈(B)，多个PPM电磁声传感器均布环管结构一周；铷铁硼磁铁阵列(A)中相邻磁铁产生方向相反的静磁场，每一块磁铁的宽度等于激励频率下T(0,1)模态波长的一半，形状相同，均为条形弧状，多块磁铁紧密放置在一起形成一个瓦块形；铷铁硼磁铁阵列(A)的中心与跑道型线圈(B)的中心重合；多个PPM电磁声传感器中，各个铷铁硼磁铁阵列(A)一样；多个跑道型线圈(B)集中在一个柔性印刷电路板(D)上，各个跑道型线圈(B)连接方式为并联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何存富，胡跃刚，焦敬品，吴斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：