一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器的制造方法
【專利摘要】一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，屬于電磁超聲無損檢測領域。該傳感器包括柔性磁鐵和柔性弧形回折線圈。柔性磁鐵相對于剛性磁鐵，具有柔韌性，可彎曲一定角度貼合鋼軌，使用時不易磨損傳感器。當弧形回折線圈通入交變電流時，在試件表面會產生渦流，在柔性磁鐵提供偏置靜磁場的作用下，基于洛倫茲力原理在鋼軌中產生表面波信號。采用的柔性弧形回折線圈具有凸向和凹向，以所需信號傳播方向為基準，通過選擇弧形回折線圈的凹凸向，使產生的表面波信號能量偏向一個方向聚焦，并通過實驗驗證了信號傳播的單向性。
【專利說明】
一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器
技術領域
[0001]本發明屬于電磁超聲導波檢測領域，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出表面波。
【背景技術】
[0002]鐵路運輸作為我國交通運輸的一種方式，應用廣泛且經濟便捷。鋼軌作為鐵路軌道的重要組成部件，承受列車運行時的沖擊碾壓，在使用過程中易出現裂紋、磨損甚至斷裂等缺陷，造成安全隱患。
[0003]為了保障鐵路安全，需要對鋼軌進行探傷，國內外常采用壓電超聲技術。但壓電超聲技術需要在鋼軌和傳感器之間采用能使聲阻匹配的耦合劑，造成檢測精度和檢測效率受限。電磁超聲檢測技術具有無需耦合劑、對被測試件表面要求不高、可應用于高溫和高速的場合等優勢，采用電磁超聲技術可以彌補壓電超聲的不足。電磁聲傳感器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)是電磁超聲檢測技術中激勵和接收超聲導波的核心部件。電磁聲傳感器一般由三部分組成:提供偏置靜磁場的磁體、產生動磁場或感應渦流的通電線圈、被測試樣。電磁聲傳感器的換能機理主要有基于洛倫茲力機理和基于磁致伸縮機理。基于洛倫茲力機理:當通有交變激勵電流的線圈靠近被測金屬表面時，在金屬內感應出渦流，在磁體提供偏置靜磁場的作用下，金屬中產生交變的洛倫茲力，這種變化的力將激發出超聲波。基于磁致伸縮機理:通有交變激勵電流的線圈產生交變的動磁場，與偏置靜磁場的共同作用下，磁性材料長度和體積發生微小變化，形成材料內部的振動，并最終以聲波形式將振動向外傳播。電磁聲傳感器種類和形式多樣，通過不同磁體和不同形狀的線圈以不同的方式組合，可產生不同類型的超聲波。
[0004]表面波是一種在半無限大固體介質表面或與其他介質的界面及其附近傳播而不深入到介質內部的超聲導波，非常適合檢測鋼軌軌頭的裂紋缺陷。通過設計電磁聲傳感器的線圈和磁鐵的形狀，可以在鋼軌中產生表面波。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烈，移動困難，易磨損傳感器，容易吸附鐵肩，檢測費時費力。而且剛性永磁鐵成型后不可彎曲，難以貼合彎曲或復雜表面。
[0005]本發明的基本思想為采用一種柔性磁鐵，彌補剛性永磁鐵的不足，結合弧形回折線圈，提出一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器，可在鋼軌中激勵出表面波。柔性磁鐵與剛性永磁鐵相比，具有更好的力學性能，耐沖擊性好，不易碎裂，能更好地貼合鋼軌，不易磨損線圈。采用弧形回折線圈可控制信號傳播的單向性，使表面波信號能量沿一個方向上聚焦。
【發明內容】
[0006]本發明目的是設計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合弧形回折線圈的電磁聲傳感器，在鋼軌中產生表面波。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，使用時不易磨損傳感器。傳感器所采用弧形回折線圈可控制信號傳播方向
[0007]為了實現上述目的，本發明采用如下設計方案:
[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、弧形回折線圈2;柔性釹鐵硼磁鐵I吸附在檢測的鋼軌軌頭3的踏面上，弧形回折線圈2置于磁鐵I與鋼軌軌頭3之間；當弧形回折線圈2通入交變電流時，在檢測的鋼軌軌頭3表面會產生渦流，在柔性釹鐵硼磁鐵I提供偏置靜磁場的作用下，鋼軌軌頭3表面中產生交變的洛倫茲力。洛倫茲力引發質點振動，振動沿鋼軌表面以超聲導波的形式進行傳播。
[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的磁場方向垂直向下或向上于柔性弧形回折線圈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:弧形回折線圈2共有兩層，相鄰線圈間距出等于設計的電磁聲表面波傳感器理論中心頻率對應的半波長即λ/2;弧形回折線圈2中各圓弧線與其對應的弦距離為L2。
[0011]本發明取得如下有益效果:
[0012]1、采用的柔性釹鐵硼磁鐵I，相對于常用的剛性釹鐵硼磁鐵，可以根據檢測對象表面形狀做出調整，彎曲一定角度能更好地與鋼軌貼合并且不易磨損線圈。由于磁鐵的柔韌性，其彎曲后可恢復原狀。
[0013]2、采用柔性FPC印刷的弧形回折線圈2，可以通過改變回折線圈的間距，設計出不同中心頻率的電磁聲表面波傳感器
[0014]3、柔性FPC印刷的弧形回折線圈2，與傳統的回折線圈相比，由于弧形回折線圈2有凸向和凹向，以所需信號傳播方向為基準，采用凹向弧形回折線圈作為激勵線圈或以凸向弧形回折線圈作為接收線圈，可實現表面波信號傳播的單向性。
【附圖說明】
[0015]圖1一種基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器安裝簡圖；
[0016]圖2柔性釹鐵硼磁鐵示意圖；
[0017]圖3弧形回折線圈示意圖；
[0018]圖4實驗系統；
[0019]圖5基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器掃頻實驗結果圖；
[0020]圖6激勵頻率為520kHz時接收信號；
[0021]圖7弧形回折線圈作為激勵信號線圈，傳統回折線圈作為接收信號線圈示意圖
[0022]圖8信號傳播的單向性驗證
[0023]圖中:1、柔性釹鐵硼磁鐵;2、弧形回折線圈；3、鋼軌軌頭;4、高能超聲激勵接收裝置RPR-4000;5、數字示波器;6、激勵端阻抗匹配模塊;7、接收端阻抗匹配模塊;8、激勵傳感器;9、接收傳感器;I O、鋼軌試樣。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，且以下實施例只是描述性的不是限定性的，不能以此來限定本發明的保護范圍。
[0025]根據洛倫茲力原理，設計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圈2，其檢測對象為鋼軌，安裝簡圖如圖1所示。該傳感器制作簡單，拆裝方便。
[0026]本實例中，所述電磁聲表面波傳感器在安裝時，手動彎曲柔性釹鐵硼磁鐵I和弧形回折線圈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，本實例選用的磁鐵尺寸為長Li = 49mm，寬Di = 31mm，高Hi = 5mm，最大可彎曲角度對應的弦長為39mm，弧長與弦長距離為11mm。
[0027]所述弧形回折線圈2如圖3所示，采用雙層布線，上下兩層弧形回折線圈對疊，上下兩層通電時電流方向變化一致，線圈的有效尺寸長L3 = 39mm，寬D3 = 20mm，線寬0.2mm，D2 =3mm，弧形線圈中各圓弧線與其對應的弦距離為L2 = 3mm。
[0028]搭建實驗系統如圖4所示，包括高能超聲激勵接收裝置RPR-40004、數字示波器5、激勵端阻抗匹配模塊6、接收端阻抗匹配模塊7、激勵傳感器8、接收傳感器9、鋼軌試樣10。高能超聲激勵接收裝置RPR-40004與數字示波器5相連，激勵傳感器8、接收傳感器9設置在鋼軌試樣10上，激勵傳感器8通過激勵端阻抗匹配模塊6與高能超聲激勵接收裝置RPR-40004連接，接收傳感器9通過接收端阻抗匹配模塊7與高能超聲激勵接收裝置RPR-40004連接。高能超聲激勵接收裝置RPR-40004能夠產生高能脈沖信號，數字示波器5用于觀測信號和儲存原始信號波形。激勵端阻抗匹配模塊6和接收端阻抗匹配模塊7用于增強傳感器的換能效率。
[0029]根據所述電磁聲表面波傳感器的結構參數，所設計線圈間距D2S3mm，D2S表面波波長的二分之一，所設計的中心頻率為520kHz。為了驗證該傳感器實際中心頻率符合設計的理論中心頻率，將激勵頻率以步長1kHz從490kHz增加到560kHz，提取各個頻率點接收信號的包絡峰值，得出基于柔性磁鐵的電磁聲表面波傳感器掃頻實驗結果如圖5所示，實驗所得數據分別用圓圈表示，通過曲線擬合，可以看出實際中心頻率為518kHz，與理論中心頻率520kHz基本吻合。
[0030]以本發明所述的電磁聲表面波傳感器作為激勵傳感器，傳統的回折線圈作為接收傳感器。傳統回折線圈如圖7(b)所示，有效尺寸長L3 = 36mm，寬D3 = 20mm，線寬0.2mm。兩傳感器相距160mm，采用一激一收方式進行實驗，激勵信號為5周期正弦波信號，圖5為激勵頻率在520kHz時接收信號波形，通過時間飛行法，波包I為串擾信號，第一個直達波包II為表面波波包，計算所得表面波波速為3160m/s。
[0031]弧形回折線圈的應用能使產生的信號能量沿一個方向上聚焦，傳播時具有單向性，所采用的激勵線圈和接收線圈如圖7所示。圖7中的(a)、(c)為弧形回折線圈作為激勵線圈，圖7中的(b)、(d)為傳統回折線圈作為接收線圈，兩傳感器相距165mm，采用一激一收方式進行實驗，激勵信號為5周期正弦波信號，激勵頻率為520kHz。圖7*X1方向為信號傳播方向，以X1為基準，圖7中的(a)為弧形回折線圈為凹向線圈，圖7中的(c)為弧形回折線圈為凸向線圈。其產生信號波形如圖8所示，A1組信號為凹向弧形回折線圈為激勵線圈，信號為凸向弧形回折線圈為激勵線圈，波包III為串擾信號，波包IV為第一個直達表面波信號。比較^與出兩組信號可得，凹向弧形回折線圈為激勵線圈時信號幅值較大，凸向弧形回折線圈為激勵線圈時直達波包幾乎不可見。傳統回折線圈激勵接收信號并無單向傳播性，沿鋼軌雙向傳播。本發明所述的傳感器，通過控制弧形回折線圈的凹凸向，可實現信號能量偏向一個方向傳遞。
【主權項】
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)、弧形回折線圈(2);柔性釹鐵硼磁鐵(I)吸附在檢測的鋼軌軌頭(3)的踏面上，弧形回折線圈(2)置于磁鐵(I)與鋼軌軌頭(3)之間；當弧形回折線圈(2)通入交變電流時，在檢測的鋼軌軌頭(3)表面會產生渦流，在柔性釹鐵硼磁鐵(I)提供偏置靜磁場的作用下，鋼軌軌頭(3)表面中產生交變的洛倫茲力；洛倫茲力引發質點振動，振動沿鋼軌表面以超聲導波的形式進行傳播。2.根據權利要求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)的磁場方向垂直向下或向上于柔性弧形回折線圈(2)。3.根據權利要求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:弧形回折線圈(2)共有兩層，相鄰線圈間距02等于設計的電磁聲表面波傳感器理論中心頻率對應的半波長即λ/2;弧形回折線圈(2)中各圓弧線與其對應的弦距離為L2。
【文檔編號】G01N29/34GK106018569SQ201610600135
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月26日
【發明人】劉增華, 鐘栩文, 謝穆文, 劉秀成, 呂炎, 何存富, 吳斌
【申請人】北京工業大學