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原文传递一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法

专利名称：	一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法
摘要：	本发明一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法，其特征是，该方法首先设计并制作平面海尔贝克磁铁阵列，基于磁铁阵列特征，设计不同结构柔性印刷线圈。再次，集成与组装阵列磁铁电磁超声。最后，利用阵列磁铁电磁超声，测量被测点处纵波与横波回波声时，完成材料弹性常数计算。本发明解决了材料弹性常数测量效率与精度问题。创新设计了一种平面海尔贝克磁铁阵列，同时获得了垂直与水平磁场，并提高了磁场强度；优化了柔性印刷线圈集成结构，获得了高信噪比的声时信号；同时激发出了横波与纵波，获得了高信噪比的声时信号，提高了空间测量分辨率，可满足面向制造现场环境的弹性常数快速无损精确测量需求。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	大连理工大学
发明人：	刘海波;李亚鹏;刘天然;李特;刘彦坤;王永青
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910670312.6
公开号：	CN110487908A
代理机构：	大连理工大学专利中心
代理人：	关慧贞
分类号：	G01N29/07(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号
主权项：	1.一种基于阵列磁铁电磁超声的弹性常数测量方法，其特征是，该方法首先设计，并制作平面海尔贝克磁铁阵列；其次，基于磁铁阵列特征，设计不同结构柔性印刷线圈；集成与组装阵列磁铁电磁超声，最后，利用阵列磁铁电磁超声，测量被测点处纵波与横波回波声时，完成材料弹性常数计算；方法的具体步骤如下：第一步，平面海尔贝克阵列磁铁设计基于线性海尔贝克磁铁阵列(A)特征，磁场强度分为强弱两侧，在线性海尔贝克磁铁阵列中心区域(A1)主要分布垂直方向磁场，在线性海尔贝克磁铁阵列邻近区域(A2)分布水平方向磁场；创新设计平面海尔贝克磁铁阵列(C)，平面海尔贝克磁铁阵列(C)采用n·n个立方永磁铁通过树脂胶粘结而成；采用两个线性磁铁阵列正交布置，组成正交分布式磁铁阵列(B)，并增大垂直磁场在正交分布式磁铁阵列中心区域(B1)的分布面积；为保证正交分布式磁铁阵列邻近区域(B2)具有高强度磁场，在正交分布式磁铁阵列(B)最外侧一周采用相反方向的线性磁铁阵列；剩下其余位置采用永磁铁按照对称方式布置，以此提高水平与垂直磁场强度；该平面海尔贝克磁铁阵列(C)与线性海尔贝克磁铁阵列(A)具有相同的特性，其磁场强度分为强弱两侧，在磁场的强侧，首先，平面海尔贝克磁铁阵列中心区域(C1)具有高强度磁场且方向垂直；然后，随着逐渐远离中心区域，在平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域(C2)磁场方向变为水平；最后，磁场方向仍然是垂直的，但当它们到达边缘时，磁场变为相反方向；第二步，柔性印刷线圈设计根据电磁超声横波和纵波产生机理，一个小型方形线圈(a)占据平面海尔贝克磁铁阵列垂直磁场区域时，会激发横波；当方形环形线圈(b)覆盖水平磁场区域时，会激发纵波；为了同时产生纵波和横波，普通方形线圈(c)需要同时覆盖垂直磁场区域和水平磁场区域；因此，设计了三种不同的线圈：只覆盖平面海尔贝克磁铁阵列中心区域(C1)的小型方形线圈(a)，只覆盖平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域(C2)的方形环形线圈(b)，覆盖平面海尔贝克磁铁阵列中心区域(C1)和平面海尔贝克磁铁阵列邻近区域(C2)的普通方形线圈(c)；第三步，阵列磁铁电磁超声集成与组装阵列磁铁电磁超声由外壳(1)、平面海尔贝克磁铁阵列(C)、柔性线圈印刷板(3)和MMCX连接口(2)组成；外壳(1)由铝合金材料制成，保证平面海尔贝克磁铁阵列(C)的高磁通密度；MMCX连接口(2)焊接在柔性线圈印刷板(3)上，与三根同轴电缆连接，并用树脂胶粘结固定；三根同轴电缆也用树脂胶固定在铝合金外壳(1)上，保证测量过程中不因重力等其它因素使连接处松脱；在柔性线圈印刷板(3)中，将小型方形线圈(a)置于最底层，使测量时提离距离变小，方形环形线圈(b)置于中间层，普通方形线圈(c)置于最顶层，使三种线圈在整个装置集成过程中具有合适的提离距离分配，保证三个线圈在被测材料表面产生的涡流都具有较高强度；第四步，材料弹性常数测量将集成组装后的阵列磁铁电磁超声(12)经过双工器(7)与终端电阻(8)和脉冲发生器(4)相连接，并通过功率放大器(9)与示波器(10)相连接以显示超声信号，示波器(10)通过USB线(11)与PC端(5)连接采集并存储数据，为减少阵列磁铁电磁超声(12)与脉冲发生器(4)之间失配，阻抗匹配网络(6)连接在阵列磁铁电磁超声(12)与双工器(7)之间；阵列磁铁电磁超声(12)放置在被测材料(13)上方，使阵列磁铁电磁超声(12)激励的超声信号沿板厚方向传播并从板的底部反射，一系列回波信号重新被阵列磁铁电磁超声(12)接收；超声测量弹性常数通过测量横波与纵波速度来实现；对于多晶金属一般为各向同性材料，用两个弹性常数确定其弹性性能，这两个弹性常数是拉梅常数(λ,μ)或杨氏模量E和泊松比ν，它们与横波和纵波速度的关系是，式中，cs为横波速度，cl为纵波速度，ρ为材料密度；为计算超声速度，需测量纵波回波和横波回波的传播时间；然而，根据公式(1)和公式(2)，被测材料泊松比接近1/3时，纵波速度约为横波速度的2倍，接收信号中的第二纵波回波和第一横波回波发生重叠现象；因此，纵波回波的传播时间由第一纵波回波和第三纵波回波确定，横波回波的传播时间由第一横波回波和第二横波回波确定；利用纵波回波和横波回波得到传播时间之后，根据被测材料已知板厚计算这两种波型的传播速度，并根据公式(1)和公式(2)计算材料的弹性常数。
所属类别：	发明专利