接觸式水平切變導波磁致伸縮換能器的製作方法
2023-05-04 20:31:16 3
專利名稱：接觸式水平切變導波磁致伸縮換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種接觸式水平切變(SH)型導波磁致伸縮換能器，更具體地，涉及一種用於工業構造的長距離超聲無損檢測的磁致伸縮導波換能器。
背景技術：
SH型導波為具有平行於構造表面的粒子位移的彈性波，且由所述構造的邊界引導，並且能夠以長距離傳播。SH型導波具有這樣的優點，S卩，SH型導波對可能存在於所述構造的內表面或外表面上的流體不敏感，且在與不連續交互作用時模態轉換的可能性低，於是可實現在長距離超聲檢測中易於描述的簡單的回波構造。SHO模態導波和T (0，1)模態導波分別特別適用於平板或有彎曲的板狀構造以及柱狀構造，這是因為所述導波具有傳播速度不隨波的頻率而變化的非頻散特性。在相關技術中，利用壓電陣列換能器以及兩種電磁聲換能器(EMAT)、即周期性極化磁體(PPM)EMAT和磁致伸縮換能器來生成或檢測這些波。 磁致伸縮換能器的構造比壓電陣列換能器和PPM EMAT的構造更簡單。由在鐵磁性材料表面的下部附近的部分中彼此垂直的靜態偏置磁場和動態磁場的重疊而引起鐵磁性材料變形，磁致伸縮換能器即依賴於所述變形而發射SH型導波。由永磁體或電磁體對鐵磁性材料提供偏置磁場，而由其中流過RF波段的交流(AC)脈衝的線圈、 即所謂的射頻(RF)線圈來對鐵磁性材料提供動態磁場。由於動態磁場的趨膚效應，波源被限制在鐵磁性材料的表面附近。沿所述構造傳播的導波模態主要取決于波源的特性和所述構造的厚度。在接收SH型導波期間，RF線圈用於檢測在所述材料中由於這些波而產生的磁通的變化。當待測試物體由鐵磁性材料製成時，所述物體本身可用作換能器的構件，於是可在鐵磁性材料中產生SH型導波，並且無需其他兩個構件(線圈和磁體)和所述物體之間的直接接觸便可檢測所述SH型導波。這種非接觸式磁致伸縮換能器可實現高溫檢測。通過延長的螺旋線圈換能器來發射和接收低頻SH導波，而通過彎折線線圈換能器或多螺旋線圈換能器來發射和接收高頻SH導波。這些磁致伸縮換能器包括用於產生靜態磁場的永磁體或電磁體，所述靜態磁場平行於每個RF線圈的腿部的方向，且於是垂直於動態磁場。在非鐵磁性物體中，可使用接觸式磁致伸縮換能器來發射和接收SH型導波， 每個所述磁致伸縮換能器包括臨時或永久地附著於非鐵磁性物體表面的磁致伸縮條帶 (或磁致伸縮片)。這些接觸式磁致伸縮換能器也應用於鐵磁性材料，以更有效地發射和接收SH型導波。在相關技術中，在磁致伸縮條帶的長度方向上的剩餘磁化(residual magnetization)被用作靜態偏置磁場，該剩餘磁化通過沿著磁致伸縮條帶移動U形永磁體而獲得，所述磁致伸縮條帶使用諸如環氧樹脂等粘性材料而附著於所述構造。在接觸式磁致伸縮換能器中，可高效地發射或接收沿磁致伸縮條帶的寬度方向傳播的低頻(通常小於 200kHz) SH型導波。於是，接觸式磁致伸縮換能器廣泛應用於大型構造的長距離超聲檢測中。然而，這些傳統的磁致伸縮條帶導波換能器具有下列缺點。首先，當從待測試物體拆卸磁致伸縮條帶時或當除去牢固地粘附於被拆卸條帶的環氧樹脂時，磁致伸縮條帶容易損壞，從而難以重複地再利用磁致伸縮條帶。其次，當條帶附著於諸如小直徑管等曲率大的物體或者諸如鋁管等非鐵磁性管時，難以獲得均勻的剩餘磁化。再者，強動態磁場可導致剩餘磁化的不可逆變化，於是，在發射SH導波期間流過RF線圈的電流需要被限制在一定範圍內。因為RF線圈的阻抗與頻率成比例，故流過以相對較低的頻率驅動的線圈的電流所受的限制變得苛刻。而且，所述限制不易於量化。這意味著正確使用磁致伸縮條帶導波換能器需要相當小心。而且，難以控制剩餘磁化的強度。這意味著幾乎不可能使用優化的偏置磁場來構造對動態磁場的變化呈線性響應的換能器。
發明內容
技術問題本發明提供了一種接觸式SH型導波磁致伸縮換能器，其包括本身可用於形成偏置磁場並用於在磁致伸縮條帶中形成均勻且可控的偏置磁場的單元，於是該接觸式SH導波換能器能夠可逆地響應於動態磁場的變化。技術方案根據本發明的一個方面，提供了一種接觸式SH型導波磁致伸縮換能器，該換能器包括換能帶，其設置於待測試物體的表面上，並且在該換能帶中發生電磁聲換能；以及射頻(RF)線圈，它們設置於換能帶上，其中，所述換能帶包括板狀螺線管，該板狀螺線管包括磁致伸縮條帶以及螺線管線圈，在所述磁致伸縮條帶中發生用於發射或接收SH型導波的電磁聲換能，所述螺線管線圈沿磁致伸縮條帶的外周以螺旋的形式纏繞，以便沿磁致伸縮條帶的長度方向形成偏置磁場，並且所述RF線圈用於沿磁致伸縮條帶的寬度方向形成動態磁場，或用於檢測磁致伸縮條帶中的磁通變化。所述換能帶可設置為圍繞待測試物體，同時緊密地附著於待測試物體的表面。螺線管線圈可均勻地圍繞磁致伸縮條帶的外周，並且可關於磁致伸縮條帶的長度方向形成均勻且可控的偏置磁場。所述換能帶還可包括非鐵磁性金屬條帶，該非鐵磁性金屬條帶設置為與板狀螺線管的下表面聲耦合，以便保持換能帶的形狀，並避免磁致伸縮條帶和螺線管被損壞。換能帶還可包括塗敷於板狀螺線管的下表面上且包括非黏性材料的接觸層，所述非黏性材料使換能帶可重複地附著於待測試物體的表面和從待測試物體的表面拆卸，並使換能帶可被再利用。而且，換能帶還可包括塗敷於非鐵磁性金屬條帶的下表面上並且包括非黏性材料的接觸層，所述非黏性材料使換能帶可重複地附著於待測試物體的表面和從待測試物體的表面拆卸，並使換能帶可被再利用。接觸層可包括具備良好的橫波傳播特性和電絕緣性的材料。待測試物體可包括具有圓形橫截面的柱狀構造，並且換能帶可接觸待測試物體的表面且可具有其中換能帶的兩端彼此面對的環形橫截面，而由於非鐵磁性金屬條帶的長度大於磁致伸縮條帶的長度，故當非鐵磁性金屬條帶附著於板狀螺線管的下表面且耦合於板狀螺線管的下表面時，非鐵磁性金屬條帶的兩端可露出到外面。在此情況下，所述換能帶可包括接觸層，其設置於待測試物體的表面和非鐵磁性金屬條帶的下表面之間；和夾持單元，其用於使非鐵磁性金屬條帶的兩端耦接。非鐵磁性金屬條帶的兩端可被分別彎曲且可形成一對彼此面對的環部，並且夾持單元可包括一對圓柱體，其中形成有通孔，通過所述通孔可使螺栓擰緊，並且所述一對圓柱體插入所述一對環部中；和螺栓單元，其用於通過通孔而使所述一對金屬圓柱體緊密地耦接。接觸層可包括易於變形且為柔性的金屬或塑料，以便於在待測試物體和非鐵磁性金屬條帶之間進行聲耦合。技術效果使用包含板狀螺線管的換能帶，於是可不用附加單元而在磁致伸縮條帶中形成均勻、健壯(robust)且可控的偏置磁場，並且可構建對動態磁場的變化呈可逆響應的接觸式 SH導波磁致伸縮換能器。可使用具有高可靠性且對動態磁場的變化呈線性響應的優化的接觸式SH導波磁致伸縮換能器。
參照附圖來詳述本發明的示例性實施例，使得本發明的以上及其他方面更清楚， 其中圖1為本發明的一個實施例的接觸式水平切變(SH)型導波磁致伸縮換能器的換能帶的橫截面圖；圖2為圖1中的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的板狀螺線管的立體圖；圖3為表示本發明的另一實施例的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的環狀換能帶的設置的橫截面圖；圖4為用於在待測試的管狀物體中發射和接收T(0，1)模態導波的測試裝置的示意圖；圖5為表示通過圖4的實驗而獲得的信號數據的圖；圖6為表示對傳統的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的發射線圈驅動信號的響應的圖；並且圖7為表示對包含圖1的換能帶的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的發射線圈驅動信號和偏置電壓的響應的圖。
具體實施例方式下面，參照附圖來更充分地說明本發明，附圖中圖示了本發明的示例性實施例。圖1為本發明的一個實施例的接觸式水平切變(SH)型導波磁致伸縮換能器的換能帶300的橫截面圖，圖2為圖1中的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的板狀螺線管310的立體圖，而圖3為表示本發明的另一實施例的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的環狀換能帶 400的設置的橫截面圖。參照圖1 3，接觸式SH導波磁致伸縮換能器包括兩部分，即兩個換能帶300、400 和RF線圈(未圖示)。作為接觸式SH導波磁致伸縮換能器的一部分的換能帶300、400設置於兩個待檢測物體10、30的表面上且與待檢測物體10、30的表面聲耦合，並且在換能帶 300,400中發生電磁聲換能。換能帶300、400可使用諸如環氧樹脂等粘性材料而與待檢測物體10、30的表面聲耦合。諸如穀物糖漿或蜂蜜等液體具備良好的橫波傳播特性，故雖然它們的粘性相對差，但仍可用作環氧樹脂的替代物，並提供取決於時間或溫度的耦合強度。 在換能帶300、400上設有作為接觸式SH導波磁致伸縮換能器的另一部件的RF線圈(未圖示)，並且所述RF線圈用於對由於SH型導波而在磁致伸縮條帶311、411中產生的磁通的變化進行檢測。圖1表示附著於待測試的扁平物體10的換能帶300的長度方向橫截面。換能帶300不限於用於待測試的扁平物體10。當諸如管狀物體等待測試物體形成曲面時，換能帶 300可設置為圍繞待測試物體並同時緊密地附著於待測試物體的表面。為使換能帶300和待測試物體10彼此聲耦合，使用了具備良好的橫波傳播特性的耦合材料20。換能帶300包括板狀螺線管310，其包括磁致伸縮條帶311和螺線管線圈312 ；非鐵磁性金屬條帶330 ；以及接觸層320。換能帶300還可包括磁致伸縮條帶311、板狀螺線管310以及接觸層320，而不包括非鐵磁性金屬條帶330。換能帶300包括板狀螺線管310的構造，該板狀螺線管310是用於在磁致伸縮條帶311中形成偏置磁場的單元。詳細來說，板狀螺線管310包括磁致伸縮條帶311和螺線管線圈312，於是不用附加單元便可沿磁致伸縮條帶311的長度方向(圖1中的方向A)形成均勻、健壯且可控的偏置磁場。下面，參照圖2更詳細地說明板狀螺線管310的構造。在磁致伸縮條帶311中發生用於SH型導波的發射和接收的電磁聲換能。在此情況下，RF線圈(未圖示)用於沿磁致伸縮條帶311的寬度方向(沿圖1中的磁致伸縮條帶311的平面上的與方向A垂直的方向，即，以RF線圈被垂直插入磁致伸縮條帶311的橫截面中或從該橫截面中垂直移出的向前或向後的方向)形成動態磁場，或用於檢測磁致伸縮條帶311中的磁通變化。此外，通過沿磁致伸縮條帶311的外周以螺旋的形式緊密地纏繞諸如漆包銅線的絕緣電線而構成螺線管線圈312，從而可沿磁致伸縮條帶311的長度方向(圖1中的方向 A)形成偏置磁場。螺線管線圈312均勻地圍繞磁致伸縮條帶311的外周，於是沿磁致伸縮條帶311的長度方向形成有均勻、可控的偏置磁場，從而可實現對動態磁場的變化呈現可逆響應的磁致伸縮換能器。在後面通過描述實驗數據來介紹利用換能帶300的磁致伸縮換能器的可逆響應。如上所述，使直流電流(DC)流過螺線管線圈312，於是可沿磁致伸縮條帶 311的長度方向形成均勻、健壯且可控的偏置磁場。當纏繞螺線管線圈312時，可能由於絕緣膜的損壞而在磁致伸縮條帶311的兩個銳邊處發生螺線管線圈312的電線部和磁致伸縮條帶311之間的電短路。為避免這種電短路，可在磁致伸縮條帶311的兩個邊粘合諸如聚醯亞胺膠帶等電絕緣性和絕熱性極為良好的薄雙面膠帶313。當螺線管線圈312圍繞磁致伸縮條帶311的外周時，雙面膠帶313因其黏性而有助於螺線管線圈312的電線部均勻地纏繞於磁致伸縮條帶311上。為製造更精密且更薄的板狀螺線管310，可採用印刷電路技術等。換能帶300包括在板狀螺線管310下方形成的非鐵磁性金屬條帶330和接觸層 320。換能帶300的非鐵磁性金屬條帶330的表面略大於磁致伸縮條帶311的表面。非鐵磁性金屬條帶330通過使用諸如環氧樹脂層的粘合劑層340而粘附於板狀螺線管310，從而非鐵磁性金屬條帶330與板狀螺線管310的下表面聲耦合。於是，可保持換能帶300的形狀，並防止磁致伸縮條帶311和螺線管線圈312被損壞。於是，換能帶300可以適應待測試物體10表面的幾何尺寸而在彈性限度內變形。所述彈性限度取決於非鐵磁性金屬條帶 330和粘合劑層340的材料和厚度。在非鐵磁性金屬條帶330的下表面上塗敷有接觸層320，且接觸層320由非黏性材料製成，該材料可使換能帶300能夠重複地附著於待測試物體10的表面和從待測試物體10 的表面拆卸，並使換能帶300可被再利用。例如，在用諸如環氧樹脂的粘合材料作為耦合材料20的情況下，可將具備良好的非黏性、好的橫波傳播特性與電絕緣性的材料(諸如特氟隆(Teflon))牢固地塗敷至幾十微米的厚度，從而形成接觸層320。於是，雖然利用了環氧樹脂以實現換能帶300和待測試物體10之間的聲耦合，但由於接觸層320的非黏性，故換能帶300可容易地、無任何損壞地從待測試物體10的表面拆卸，並且換能帶300可重複地再利用。而且，接觸層320的電絕緣性可避免因非鐵磁性金屬條帶330和待測試物體10之間的電耦合而產生的不均勻渦流。為避免在磁致伸縮條帶311中發生渦流，可使用其厚度小於通過換能帶300上設有的RF線圈而形成的動態磁場的穿透深度的磁致伸縮條帶311。為使換能帶300中的SH型導波的變形最小，換能帶300的厚度必需遠小於導波的波長。於是，隨著導波的頻率提高， 需要使用更薄的換能帶。在大多數金屬構造中，基模導波的傳播速度約為3000m/s。因此， 在長距離超聲檢測領域所主要使用的頻率範圍(20 200kHz)中，導波的波長約為15 150mm。這意味著可以容易地製造換能帶300。在諸如管子等具有圓形橫截面的柱狀構造中，對沿柱狀構造的軸向前進的扭轉模態(T模態)導波進行發射和接收的接觸式SH導波換能器的換能帶可為環狀。圖3表示本發明的另一實施例的換能帶400的例子，其中，將換能帶300的構造應用於圓形的待測試物體30。詳細來說，待測試物體30為具有圓形橫截面的柱狀構造。此外，換能帶400通過使用夾持單元450而與待測試物體30的表面且接觸待測試物體30的表面聲耦合，於是換能帶400具有其中換能帶400的兩端彼此面對的環形橫截面。圖3表示其中換能帶400的長度方向部沿待測試物體30的圓周方向纏繞的形狀。 在此情況下，磁致伸縮條帶411的長度方向部也沿待測試物體30的圓周方向纏繞。於是， 在磁致伸縮條帶411中，在與待測試物體30的圓周方向對應的方向上形成有沿磁致伸縮條帶411的長度方向形成的偏置磁場。而且，在磁致伸縮條帶411中，在與待測試物體30的軸向對應的方向上形成有沿磁致伸縮條帶411的寬度方向形成的動態磁場。換能帶400包括板狀螺線管410，其包括磁致伸縮條帶411和螺線管線圈412 ； 非鐵磁性金屬條帶430 ；諸如環氧樹脂層的粘合劑層440，其位於非鐵磁性金屬條帶430和板狀螺線管410之間；以及接觸層420，其直接接觸待測試物體30的表面。接觸層420設置於待測試物體30的表面和非鐵磁性金屬條帶430的下表面之間，並且可由易於變形且為柔性的金屬或塑料製成，於是易於實現待測試物體30和非鐵磁性金屬條帶430之間的聲耦合。例如，可利用由諸如鋁(Al)或黃銅等金屬製成的墊片以形成接觸層420，於是易於實現待測試物體30和非鐵磁性金屬條帶430之間的聲耦合。因為非鐵磁性金屬條帶430的長度大於磁致伸縮條帶411的長度，故當非鐵磁性金屬條帶430附著且耦合於板狀螺線管410的下表面時，非鐵磁性金屬條帶430的兩端 431、432露出到外面。非鐵磁性金屬條帶430由機械強度大於板狀螺線管410的材料製成， 並且在非鐵磁性金屬條帶430的兩端431、432上設有夾持單元450。當非鐵磁性金屬條帶 430的露出的兩端431、432彼此耦接時，夾持單元450可實現換能帶400和待測試物體30 之間的幹耦合。更具體地，為了上述幹耦合，使非鐵磁性金屬條帶430的露出的兩端431、 432分別彎曲，從而形成一對彼此面對的環部433、434。在此情況下，夾持單元450包括一對金屬圓柱體451以及螺栓單元453。在這對金屬圓柱體451中形成有通孔452，通過通孔 452可使螺栓擰緊，並且金屬圓柱體451分別插入所述一對環部433、434中，並且螺栓單元 453通過通孔452而使金屬圓柱體451緊密地耦接，並且另外使用了螺母454。詳細來說，穿過形成在兩個金屬圓柱體451中間的通孔452而擰緊螺栓單元453和螺母454，從而使換能帶400和待測試的管狀物體30之間有效且容易地幹耦合。作為非鐵磁性金屬條帶430 的兩端的環部433、434彼此連接而圍繞金屬圓柱體451，並且隨著進一步擰緊環部433、434 時，在非鐵磁性金屬條帶430的彼此面對的兩端431、432上直接形成的各表面彼此接合。下面，參照圖4 7以引入用於證實本發明的效果的實驗數據。圖4為用於在待測試的管狀物體80中發射和接收T(0，1)模態導波的測試裝置的示意圖。在此情況下，以圖1中的換能帶300用作待實驗的對象。圖5為表示通過圖4的實驗而獲得的信號數據的典型圖。圖6為表示對傳統的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的發射線圈驅動信號的響應的圖，並且圖7為表示對包含圖1的換能帶300的接觸式SH導波磁致伸縮換能器的發射線圈驅動信號和偏置電壓的響應的圖。為證實上述效果，以外徑為110mm、厚度為5mm且長度為:3m的碳鋼管用作待測試的物體80，並且製造了用於在待測試物體80中發射和接收T(0，1)模態導波的兩種磁致伸縮換能器。圖4圖示了用於評價兩種磁致伸縮換能器的換能效率的測試裝置。兩個磁致伸縮換能器各包括換能帶(由陰影線部所示)，其在對應於管80長度的三分之一部分的位置處沿管80的圓周方向而附著於管80的表面；發射RF線圈陣列(Τ線圈)和接收RF線圈陣列(R線圈)，它們彼此重疊且設置於換能帶上。所製造的磁致伸縮換能器根據其中使用的換能帶的類型而分類。而且，所有磁致伸縮換能器共同使用一個發射線圈陣列(Τ線圈)和一個接收線圈陣列(R線圈)。兩種換能帶之一為磁致伸縮條帶本身。包含作為磁致伸縮條帶本身的換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器代表了相關技術中的傳統的換能器。另一個換能帶為圖1中的換能帶300。在包含作為磁致伸縮條帶本身的傳統換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器中使用的磁致伸縮條帶為由美國Carpenter Technology公司提供的鐵鈷合金Hyperco50HS條帶(寬度56mmX長度310mmX厚度0. Imm)。已知磁致伸縮條帶具有可用於產生偏置磁場的14kG的大的剩餘磁化和250e的矯頑力。在圖1的換能帶300中包括的磁致伸縮條帶 311為由德國Vacuumschmeltz公司提供的鐵鈷合金Vacof lux50條帶(寬度56mmX長度 310mmX厚度0. Imm)。該條帶具有2. IkG的非常低的剩餘磁化和30e的矯頑力。於是所述剩餘磁化難以用於產生偏置磁場。換能帶300的接觸層320由特氟隆製成，並且接觸層320 的厚度約為20微米。換能帶300的非鐵磁性金屬條帶330為鋁(Al)條帶(寬度60mmX 長度316mmX厚度0. 2mm)。而且，換能帶300的螺線管線圈312由直徑為0. 15mm的漆包銅線製成，並且螺線管線圈312的DC電阻為93 Ω。發射線圈陣列(Τ線圈)和接收線圈陣列(R線圈)每個都包括兩個同樣的延長的螺旋線圈，所述螺旋線圈布置為使得一個線圈的一個腿部可設置於另一線圈的兩個腿部中間。發射線圈由矩形漆包銅線(寬度1.3mmX厚度0. 20mm)製成，並且繞線匝數為10。接收線圈由直徑為0. 12mm的漆包銅線製成，並且繞線匝數為110。所有螺旋線圈的一個腿部的寬度和長度以及兩個腿部之間的距離分別為14mm、500mm&^mm。根據T(0，1)模態的 2880m/s的傳播速度來選擇所述寬度和距離，從而所述寬度和距離可與在磁致伸縮條帶中頻率為50kHz處的導波的1/4波長和1/2波長几乎相同。於是，每個線圈陣列的整個寬度和磁致伸縮條帶的寬度為與導波的一個波長相同的56mm。如圖4所示的用於在管80中發射和接收T(0，1)模態導波的測試裝置為由Digital Ultrasonics有限公司提供的GWR320系統。GWR320系統允許根據相控陣理論而布置兩個發射線圈和兩個接收線圈，於是可調節發射導波的前進方向和接收導波的檢測方向。在本實驗中，調節脈衝發生器40，將具有相同輸出波形(50kHz，兩個周期的矩形脈衝) 和完全不同(即相反)相位的兩個驅動電壓信號提供給每個發射線圈的兩個端子，並且將接收線圈的兩端感應的RF信號通過接收器50的帶通濾波器和模數(A/D)轉換器60而轉換為視頻信號，並存儲於計算機70中。包括僅包括磁致伸縮條帶的傳統換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器的實驗步驟如下。1)用「五分鐘環氧樹脂膠(five-minute印oxy) 」將換能帶粘附於樣本管80。2)用永磁體在磁致伸縮條帶中感應出剩餘磁化。3)將發射線圈陣列(T線圈)和接收線圈陣列 (R線圈)設置於換能帶上，然後連接於圖4中的用於發射和接收T(0，1)模態導波的測試裝置。4)對圖4中的用於發射和接收Τ(0，1)模態導波的測試裝置進行控制，從而可產生前進至磁致伸縮換能器右側的導波，並且可檢測到從管80的右端反射的信號。5)對圖4中的用於發射和接收T (0，1)模態導波的測試裝置進行控制，使得驅動信號幅值可依次為3V、 6V和3V，並且將檢測到的信號數據存儲於計算機70中。6)移除發射線圈陣列和接收線圈陣列(Τ線圈和R線圈)，並且使用永磁體感應出剩餘磁化，然後重新安裝發射線圈陣列和接收線圈陣列(Τ線圈和R線圈)。7)對圖4中的用於發射和接收Τ(0，1)模態導波的測試裝置進行控制，使得驅動信號幅值可依次為3V、6V、11V、6V以及3V，並且將檢測到的信號數據存儲於計算機70中。8)重複執行步驟6)。9)對圖4中的用於發射和接收T(0，1)模態導波的測試裝置進行控制，使得驅動信號幅值可依次為3V、6V、11V、27V、11V、6V以及3V，並且將檢測到的信號數據存儲於計算機70中。10)重複執行步驟6)。11)對圖4中的用於發射和接收T(0，1)模態導波的測試裝置進行控制，使得驅動信號幅值可依次為3V、6V、11V、 27V、52V、27V、11V、6V以及3V，並且將檢測到的信號數據存儲於計算機70中。12)移除發射線圈陣列和接收線圈陣列(T線圈和R線圈)，然後從管80拆卸換能帶，從而終止換能帶的實驗。在本實驗中使用的永磁體由釹鐵硼合金製成，並且兩個磁極中心之間的距離、每個磁極的長度以及在每個磁極附近形成的磁場強度分別為20mm、90mm和0. 6T。圖1中的換能帶 300的實驗步驟中，以將螺線管線圈312的兩個端子連接於DC電源(3V、6V、12V和MV)來替代步驟2)，並且步驟6)、步驟8)和步驟10)不是必需的，除此之外，與其他換能帶的實驗步驟相同。圖5表示獲得的信號數據的典型示例。第一回波為當R線圈立即檢測到T線圈的驅動信號時產生的主脈衝回波。在lm、aii和: 位置處產生的回波為從管的右端和左端反射的回波以及由經過了所述管的往返距離的兩個導波產生的回波。由方向控制導波產生的回波、即從管的右端反射的回波的幅值最大，而其他回波的幅值相對小。從每個磁致伸縮換能器獲得的每個信號數據測量出從管的右端反射的回波的峰值，從而可評價磁致伸縮換能器對T線圈的驅動信號的響應的可逆性。圖6表示使用僅包含磁致伸縮條帶的傳統換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器的可逆性的評價結果。當T線圈的驅動信號的幅值小於或等於IlV時，傳統磁致伸縮換能器具有相對好的可逆性。然而，隨著T線圈的驅動信號的幅值增大，傳統磁致伸縮換能器的可逆性逐漸降低。幅值為52V的驅動信號使磁致伸縮條帶中的剩餘磁化發生大的變化。這樣， 傳統磁致伸縮換能器的可逆性極大地降低。也可能在使用者在測試系統工作期間(特別是當測試系統被啟動/關閉時)未意識到例如大幅值的驅動信號時，所述驅動信號便被提供給T線圈。於是，利用剩餘磁化以形成偏置磁場的磁致伸縮換能器的正確操作需要相當小心。圖7表示使用圖1的換能帶300的磁致伸縮換能器的結果。磁致伸縮換能器對發射線圈驅動信號和偏置電壓、即螺線管線圈312兩端的電壓的幾乎所有變化的響應都可以是可逆的。在最低偏置電壓為3V的情況下，測量到微小的不可逆響應。關於當驅動信號電壓增加時得到的每個驅動信號電壓的接收信號幅值略小於關於當驅動信號電壓減小時得到的每個驅動信號電壓的接收信號幅值。然而，即便在此情況下，在使用剩餘磁化形成偏置磁場時測到的大的驅動電壓處，也不會發生接收信號幅值的快速下降。可確定微小的不可逆性是由因大驅動信號而在磁致伸縮條帶的寬度方向上產生的剩餘磁化引起的。在相對大的偏置電壓中，這種微小的不可逆性不會發生。這是因為使用了大的偏置電流以去除剩餘磁化。接收到的信號的幅值隨著驅動信號幅值和偏置電壓而增大。接收信號幅值關於驅動信號幅值而增加的非線性特性隨著偏置電壓而增大。如上所述，在本發明的接觸式SH導波磁致伸縮換能器中，使用了包括板狀螺線管的換能帶，從而可不用另外的單元便可在磁致伸縮條帶中形成均勻、健壯且可控的偏置磁場，並且可構建對動態磁場的變化呈現可逆響應的接觸式SH導波磁致伸縮換能器。可使用具有高可靠性且對動態磁場的變化呈線性響應的優化的接觸式SH導波磁致伸縮換能器。雖然本發明參照示例性實施例進行了具體圖示和說明，但本領域的技術人員應當理解，在不脫離由所附的權利要求書所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可作出各種形式和細節上的變化。
權利要求
1.一種接觸式水平切變(SH)型導波磁致伸縮換能器，其包括換能帶，其設置於待測試物體的表面上，並且在所述換能帶中發生電磁聲換能；和射頻(RF)線圈，它們設置於所述換能帶上，其中，所述換能帶包括板狀螺線管，該板狀螺線管包括磁致伸縮條帶以及螺線管線圈， 在所述磁致伸縮條帶中發生用於發射或接收水平切變型導波的所述電磁聲換能，所述螺線管線圈沿所述磁致伸縮條帶的外周以螺旋的形式纏繞，以便沿所述磁致伸縮條帶的長度方向形成偏置磁場，並且所述射頻線圈用於沿所述磁致伸縮條帶的寬度方向形成動態磁場，或用於檢測所述磁致伸縮條帶中的磁通的變化。
2.如權利要求1所述的換能器，其中，所述換能帶設置為圍繞所述待測試物體並同時緊密地附著於所述待測試物體的表面。
3.如權利要求1所述的換能器，其中，所述螺線管線圈均勻地圍繞所述磁致伸縮條帶的外周，並且關於所述磁致伸縮條帶的長度方向形成均勻且可控的偏置磁場。
4.如權利要求1 3之一所述的換能器，其中，所述換能帶還包括非鐵磁性金屬條帶， 該非鐵磁性金屬條帶設置為與所述板狀螺線管的下表面聲耦合，以便保持所述換能帶的形狀，並避免所述磁致伸縮條帶和所述螺線管被損壞。
5.如權利要求4所述的換能器，其中，所述換能帶還包括接觸層，該接觸層塗敷於所述非鐵磁性金屬條帶的下表面並且包括非黏性材料，所述非黏性材料使所述換能帶可重複地附著於所述待測試物體的表面和從所述待測試物體的表面拆卸，並使所述換能帶可被再利用，並且所述接觸層包括具備良好的橫波傳播特性和電絕緣性的材料。
6.如權利要求1所述的換能器，其中，所述換能帶還包括接觸層，該接觸層塗敷於所述板狀螺線管的下表面並且包括非黏性材料，所述非黏性材料使所述換能帶可重複地附著於所述待測試物體的表面和從所述待測試物體的表面拆卸，並使所述換能帶可被再利用，並且所述接觸層包括具備良好的橫波傳播特性和電絕緣性的材料。
7.如權利要求4所述的換能器，其中，所述待測試物體包括具有圓形橫截面的柱狀構造，並且所述換能帶與所述待測試物體的表面接觸並具有使所述換能帶的兩端彼此面對的環形橫截面，並且由於所述非鐵磁性金屬條帶的長度大於所述磁致伸縮條帶的長度，故當使所述非鐵磁性金屬條帶附著於所述板狀螺線管的下表面且耦合於所述板狀螺線管的下表面時，所述非鐵磁性金屬條帶的兩端露出到外面，並且所述換能帶包括接觸層，其設置於所述待測試物體的表面和所述非鐵磁性金屬條帶的下表面之間；和夾持單元，其用於使所述非鐵磁性金屬條帶的兩端耦接。
8.如權利要求7所述的換能器，其中，所述非鐵磁性金屬條帶的兩端被分別彎曲並形成一對彼此面對的環部，並且所述夾持單元包括一對圓柱體，該對圓柱體中形成有通孔，通過所述通孔可使螺栓擰緊，並且所述一對圓柱體插入所述一對環部中；和螺栓單元，其用於通過所述通孔而使所述一對金屬圓柱體緊密地耦接。
9.如權利要求7所述的換能器，其中，所述接觸層包括易於變形且為柔性的金屬或塑料，以便容易在所述待測試物體和所述非鐵磁性金屬條帶之間進行聲耦合。
全文摘要
本發明提供了一種接觸式水平切變(SH)型導波磁致伸縮換能器，其包括換能帶，其設置於待測試物體的表面上，並且其中發生電磁聲換能；和射頻(RF)線圈，它們設置於換能帶上，其中，所述換能帶包括板狀螺線管，該板狀螺線管包括磁致伸縮條帶以及螺線管線圈，在所述磁致伸縮條帶中發生用於發射或接收SH型導波的電磁聲換能，所述螺線管線圈沿磁致伸縮條帶的外周以螺旋的形式纏繞，以便沿磁致伸縮條帶的長度方向形成偏置磁場，並且RF線圈用於沿磁致伸縮條帶的寬度方向形成動態磁場，或用於檢測磁致伸縮條帶中的磁通變化。
文檔編號H04R15/00GK102474690SQ201080025679
公開日2012年5月23日 申請日期2010年1月15日 優先權日2009年7月3日
發明者崔明善, 金星俊 申請人:嶺南大學校產學協力團, 數字超音波有限公司