單蘭姆波模式下的電磁聲換能器的生成和激光探測

1、單蘭姆波模式下的電磁聲換能器的生成和激光探測摘要一個(gè)單一的蘭姆波模式的使用簡化了數(shù)據(jù)的闡述了在無損檢測的薄板。在本文中,一個(gè)電磁聲換能器是專門配置為生成單個(gè)蘭姆波模式而激光干涉法用于檢測波。一個(gè)寬帶路徑穩(wěn)定的邁克耳孫干涉儀是首先用于檢查了電磁聲換能器真正在薄鋼板生成單一模式的情況。作為一個(gè)說明性的應(yīng)用系統(tǒng),后來可以將有交互作用的單個(gè)蘭姆波作為高空間分辨率激光干涉儀來觀察像槽口的裂紋。使用一個(gè)單一的蘭姆波模式簡化了數(shù)據(jù)的解釋在無損檢測的薄板。關(guān)鍵字：電磁聲換能器;蘭姆波;激光干涉儀;無損評價(jià);超聲波第一章 介紹與傳統(tǒng)采用任一接觸或深入接觸傳感器的超聲波技術(shù)不同,它的變化靈敏度由于不良耦合，電磁聲

2、換能器(EMAT)和激光超聲傳感器系統(tǒng)性的非接觸可能遭受相當(dāng)大損失。EMATs通常是有限的帶寬,而激光超聲的生成和檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是寬帶還是窄帶則取決于應(yīng)用程序。EMATs和LBU相比較傳統(tǒng)的壓電傳感器都有較低的靈敏度,因此通常在有足夠的信號強(qiáng)度的情況下都是可行的,但在物理接觸測試的對象實(shí)驗(yàn)中必須避免使用EMATs和LBU,但在需要高空間分辨率的情況下LBU是必要的。因此,超聲波NDE計(jì)劃使用EMATs的發(fā)生器和接收器1,2而且已經(jīng)利用激光作為它的發(fā)電機(jī)和接收機(jī)3-7。瓦格納等人已經(jīng)討論了一個(gè)使用激光代（窄帶模式）和調(diào)諧電磁超聲檢測角度的剪切波測試系統(tǒng)8。在這項(xiàng)工作中，還使用Lamb波的測試薄板

3、。作為公理9-11，蘭姆波是一種可以用來通過照射板來檢測其厚度以及結(jié)構(gòu)完整性的導(dǎo)波，而且在遠(yuǎn)距離的情況下，可以通過提供相關(guān)波與信號色散來解決。如果產(chǎn)生一個(gè)單一的模式的蘭姆波，其信號數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性，可以得到大大簡化。這種單一模式蘭姆波，從發(fā)射源傳播到待測板，通過處理其與板缺陷相互作用而散射的信號，可以達(dá)到檢測的目的。在本文中，主要闡述EMAT的產(chǎn)生和 Lamb波的激光檢測方法。由于EMAT是窄帶裝置，他們可以適當(dāng)?shù)赜脕碓O(shè)計(jì)生成一個(gè)單一模式的蘭姆波。為了檢查是否確實(shí)是產(chǎn)生了一個(gè)單一模式的蘭姆波并與此同時(shí)提供了高空間分辨率，可以使用寬帶路徑穩(wěn)定的邁克爾遜激光干涉儀來檢測散射信號。通我們使用這個(gè)系統(tǒng)

4、，用一個(gè)單一模式的Lamb波與有裂紋薄板的相互作用，可以檢測出其缺陷，并得到了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。第二章 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)置一個(gè)EMAT的生成和激光檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括以下設(shè)備：一個(gè)可調(diào)諧的EMAT管事接收單元，用來驅(qū)動(dòng)EMAT激發(fā)出所需的曲折線模式蘭姆波；一個(gè)有穩(wěn)定路徑的邁克爾遜干涉儀，它作為一種非接觸式的，寬帶的，高空間分辨率的探測器；路徑穩(wěn)定的自相關(guān)反饋控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換插件；翻譯階段和控制器；數(shù)字示波器和A / D轉(zhuǎn)換器；和一個(gè)使用Windows圖形用戶界面編程的電腦實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)系統(tǒng)中，所有的單元都由計(jì)算機(jī)控制，構(gòu)成了一個(gè)自動(dòng)無損檢測系統(tǒng)。結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后在計(jì)算機(jī)屏幕

5、上顯示。2.1 用EMAT生成一個(gè)單一模式的LAMb波EMAT包括一個(gè)蜿蜒的線圈和一個(gè)靜態(tài)的永久磁場線。EMAT被放置在靠近測試對象表面的地方，一個(gè)導(dǎo)電線圈和一個(gè)交變瞬態(tài)電流所需的超聲波頻率通過線圈即可滿足要求。電磁超聲換能器的靜態(tài)磁場會(huì)引發(fā)渦流效應(yīng)，進(jìn)而作用在物體表面，引起對測試對象的洛倫茲力效果。這種局部力場將會(huì)作為超聲波的輻射源。這個(gè)過程也可以倒流，用一個(gè)電磁超聲器檢測超聲波。然而，在這兩種情況下，一條蜿蜒的線圈電磁超聲是一個(gè)典型的窄帶器件，具有較低的靈敏度比壓電傳感器和低空間分辨率和帶寬比激光干涉儀。然而，EMAT實(shí)際上是相當(dāng)于理想的單一模式的純粹的蘭姆波發(fā)生裝置。由于線圈結(jié)構(gòu)的特殊性

6、質(zhì)，在這項(xiàng)工作中使用的曲折線EMAT輻射能量通過空間周期性表面應(yīng)力。Lamb波表面應(yīng)力的空間周期性的產(chǎn)生是曾經(jīng)是Viktorov等人12和湯普森等人13在調(diào)查。如果周期線陣列源用于超聲波的產(chǎn)生，元件間距為的陣列將會(huì)產(chǎn)生具有一個(gè)“強(qiáng)迫”波長的陣列 。如果每條線的線陣光源激發(fā)寬帶超聲時(shí)間（這是簡單的激光產(chǎn)生的情況下），然后從波的線源輻射條件下產(chǎn)生破壞性的干擾，且只有選定的波分量得到建設(shè)性的增強(qiáng)。因此，只有選擇相同的“強(qiáng)迫”波長但不同頻率的單模式蘭姆波的才會(huì)產(chǎn)生效果。在另一方面，如果線陣源通過窄帶信號所需的超聲頻率被吸收，那只有特定的單模式下的Lamb波會(huì)有這個(gè)頻率且具有與陣列相關(guān)的“強(qiáng)迫”波長。通

7、過選擇的EMAT線圈的間距大小為=/2=Cp/2f （半波長），可以激發(fā)一個(gè)優(yōu)化的蘭姆波形式的波長，和相速度Cp.如圖1所示，EMAT線圈由音驅(qū)動(dòng)爆時(shí)所需的超聲頻率是由一個(gè)可調(diào)諧的EMAT脈沖發(fā)射接收器單元提供的。有一個(gè)阻抗匹配電路的線圈和功率驅(qū)動(dòng)器，可以允許的阻抗匹配之間的細(xì)微調(diào)整。與頻率有關(guān)的的純音周期數(shù)可以由調(diào)制控制來改變。特別設(shè)計(jì)EMAT始終處于電諧振狀態(tài)，因此可以誘導(dǎo)超聲操作最佳測試對象。2.2路徑穩(wěn)定的邁克爾遜干涉儀的寬帶檢測為了檢測由EMAT產(chǎn)生得蘭姆波，可采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的，寬的帶寬和高空間分辨率的，路徑穩(wěn)定的邁克爾遜干涉儀進(jìn)行設(shè)計(jì)14。光學(xué)裝置和相關(guān)的路徑穩(wěn)定控制電路如圖1所示。

8、入射光束經(jīng)過偏振分束器（PBS）分裂成兩個(gè)光束。垂直極化光束反射到參考臂與水平極化發(fā)射到探臂梁。在探臂，光束經(jīng)過先中性分光鏡（BS）和照射樣品的表面反射回來。反射的探測光束的橫向極化是由四分之一波片旋轉(zhuǎn)至垂直極化方向。在參考臂，光束是由兩個(gè)反射鏡反射，其中之一是安裝在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器路徑穩(wěn)定的目的。這允許主動(dòng)控制轉(zhuǎn)向參考臂的長度從而保持探臂和在最佳正交偏置點(diǎn)參考臂之間的靜態(tài)路徑差。參考和反射的探測光束的偏振垂直，現(xiàn)在，重組的BS相互干涉的光檢測器（PD）。 用在這里是一個(gè)偏振氦氖激光（5兆瓦）的激光。由于在探測臂上的光強(qiáng)度損失比在參考臂更大，偏振面旋轉(zhuǎn)增加的激光構(gòu)件可以為探測臂直到兩光束在檢測平

9、面上的等強(qiáng)度。PD的輸出跟強(qiáng)度成比例。強(qiáng)度I可由下面的等式得出：而在這里，是激光所使用的波長；Ir表示光譜分別為探測臂和參考臂光的強(qiáng)度紅外光譜；和d，dsc和dac分別表示靜態(tài)總光程差，光程差和光程差，由于離面位移跟超聲波傳播相關(guān)的位移以及激光所使用的波長相比是很小的，只有本地振蕩發(fā)生在響應(yīng)函數(shù)式（1）上。為保證被測信號的最大的靈敏度和線性度，靜態(tài)路徑的差異必須保持在/2一個(gè)點(diǎn)的左右，因此，在dsc = (2n -1 )/8, n= 1, 2, 3.正交時(shí)，光電探測器輸出為：由于大振幅低頻波動(dòng)，但在正交房間環(huán)境下產(chǎn)生的振動(dòng)和空氣湍流會(huì)引起的干涉儀漂移的干擾，有必要在參考臂的有源反饋電路上控制它

10、靜態(tài)路徑差保持穩(wěn)定的。設(shè)定點(diǎn)的參考電壓對應(yīng)于預(yù)期的靜態(tài)位置。環(huán)境的任何波動(dòng)所造成的干擾會(huì)提供了一個(gè)錯(cuò)誤的信號，這樣會(huì)適當(dāng)?shù)姆糯笞鳛榉答佇盘柕膮⒖急壑械膲弘婄R子調(diào)整靜態(tài)路徑的長度。調(diào)整控制電路的響應(yīng)速度使其超調(diào)量減少的同時(shí)還能保持足夠快的上升時(shí)間。自反饋控制方案在能夠平穩(wěn)的條件下，只有在較低的頻率工作，不過不影響超聲波的測量。該控制系統(tǒng)還可以生成使參考鏡的位移大于激光波長而得到的全面響應(yīng)振動(dòng)正弦波動(dòng)。根據(jù)這種反應(yīng)的原理。我們可以讓實(shí)際的干涉儀在任何的敏感點(diǎn)處進(jìn)行測量在實(shí)際應(yīng)用中，下面的過程在每個(gè)檢查點(diǎn)都會(huì)采用的。由正弦大振幅低頻信號的參考光束來驅(qū)動(dòng)壓電鏡可獲得鎮(zhèn)定控制器不活動(dòng)和干涉儀的全面響應(yīng)。

11、Vp-p表示交流分量峰峰值，是由對光電探測器輸出信號的檢測得到的，這是用來衡量在這個(gè)位置的干涉儀的實(shí)際靈敏度。DC是光電探測器信號的直流分量代表著所需的穩(wěn)定位置。在這個(gè)值設(shè)置參考電壓將保持在穩(wěn)定的位置的干涉儀的優(yōu)化路徑操作。穩(wěn)定控制電路則激活為了使超聲波測量。一個(gè)非常小的超聲波振蕩dac的絕對位移可以通過簡單的乘法的光電探測器輸出的一個(gè)已知的比例因子的確定。參考的設(shè)定點(diǎn)電壓是由一個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器（DT2812）設(shè)定的。所有用數(shù)字示波器記錄的測量數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理后的通過GPIB接口傳送到計(jì)算機(jī)。0.04nm的最小可分辨的表面位移能夠?qū)崿F(xiàn)干涉儀在拋光表面的實(shí)時(shí)測試，而且它在操作DC

12、-20MHz帶寬的條件下采用時(shí)間平均的數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制路徑穩(wěn)定的關(guān)鍵是檢測非常小的位移。設(shè)計(jì)的路徑穩(wěn)定回路控制和點(diǎn)對點(diǎn)的自動(dòng)標(biāo)定有效消除對被測樣品的表面質(zhì)量改變的影響。第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1 基于單一蘭姆波模式下的換能器發(fā)生的實(shí)驗(yàn)研究低頻厚度的蘭姆波產(chǎn)品在頻率13MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生，這個(gè)頻率范圍內(nèi)符合我們的EMAT換能器帶寬。在本次調(diào)查中使用的鋼和鋁合金板標(biāo)本其厚度范圍在0.5mm到2mm之間。圖2顯示了最低的對稱理論的色散曲線（s0）以及反對理論下的曲線（a0）鋼和鋁合金板的模式；圖2（a）表示的相速度f*d之間的關(guān)系。圖2（b）是一個(gè)板厚度d=0.75條件下的波長與頻率的關(guān)系

13、圖。兩曲線代表兩種不同EMATs的線間距，1 = 1.3 mm代表的是EMATl ，2 =0.86mm代表的是 EMAT2。我們選擇的間距尺寸是波長的兩倍是想生成這種模式的波。圖3表示的是使用EMATs作為源和接收器在脈沖回波模式工作的一個(gè)典型的結(jié)果。圖3（a和b）接收到的信號在反射波從板的邊緣，他們似乎表明，只有一個(gè)單一的蘭姆波模式下的s0和a0能夠被EMATl 和 EMAT2所激勵(lì)。其他模式的信號不這么明顯。為了證實(shí)這一點(diǎn)，我們的下一個(gè)使用EMAT僅作為發(fā)電機(jī)和路徑穩(wěn)定間高溫計(jì)作為檢測器。圖4和圖5表示的是使用EMATl 和EMAT2的結(jié)果。這里的s0( 1) 和 a0( 1)代表的通過干

14、涉儀檢查部位的直接波的傳播， s0(2) 和a0(2)會(huì)有相應(yīng)的反射信號從板的邊緣。只有每個(gè)模式的出平面部分用激光探測器可以探測到。所產(chǎn)生波的群速度Cg 通過延遲時(shí)間的確定如s0( 1) 和s0(2) 以及a0( 1) 和 a0(2)。這些結(jié)果如下所示：（1）EMATl只是為了生成s0模式。事實(shí)上同時(shí)產(chǎn)生了s0（在2Hz,Cg=4.9 mm us-1的條件下）和這種在1.8 MHz, Cg= 3.1 mm us-1條件下a0模式（見圖3）。（2）emat2，它被設(shè)計(jì)用來產(chǎn)生a0模式，卻只產(chǎn)生一個(gè)單一的a0模式在任何頻率范圍內(nèi)升-2.5兆赫。所產(chǎn)生的a0振幅最大時(shí)，中心頻率為1.5兆赫。EMAT

15、線圈導(dǎo)線的間距是其產(chǎn)生的關(guān)鍵，也是EMAT能夠產(chǎn)生和接受這種波模式的關(guān)鍵。采用曲折線EMAT相對于純單一模式的生成，只生成一個(gè)單一的a0模式似乎是可能的因?yàn)閍0具有最小的波長相對于其他方式在一個(gè)給定的f*d如果我們考慮的EMAT的帶寬為1兆赫和2.5兆赫之間，我們可以確定理想的單A0模式發(fā)生區(qū)，如圖2所示。對應(yīng)的波長約1-2毫米，因而在EMAT線圈導(dǎo)線的間距應(yīng)約0.5升毫米（即波長的一半）。選擇一個(gè)間距大小超過這個(gè)范圍將生成s0模式而間距的大小低于該范圍則應(yīng)改盡量避免生成為a0或s0模式，因?yàn)樵?-2.5兆赫的頻率范圍內(nèi)就不是一個(gè)最佳尺寸。3.2 對具有裂紋的槽口進(jìn)行單一模式的蘭姆波的相互作用

16、的實(shí)驗(yàn)研究如前所述，用蘭姆波探頭探測板的整個(gè)厚度和長度，因此可以探測出沿探針路徑的結(jié)構(gòu)缺陷相互作用的地方。所以可以使用單側(cè)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面上或內(nèi)部引發(fā)的缺陷。在這項(xiàng)研究中，我們研究了一個(gè)單一模式的a0蘭姆波從散射場的相互作用而導(dǎo)致產(chǎn)生的一類裂紋缺口。實(shí)驗(yàn)配置如圖6所示。我們采用emat2在1.5兆赫，在一個(gè)0.75毫米厚的鋼板上產(chǎn)生一個(gè)純粹的a0模式。目的是展示從表面裂紋斷裂到鋼板無法展示側(cè)面的檢測。因此，兩類裂紋缺口都是在板底面加工而成：一個(gè)是深0.4毫米，長10毫米，標(biāo)注為Notch1；二是深0.25毫米，長4毫米，表示是Notch2；兩槽口寬0.1毫米。實(shí)驗(yàn)過程如下。固定emat2保持其中心

17、的與缺口的中間對齊。應(yīng)用干涉儀遠(yuǎn)程監(jiān)控鋼板頂表面位置的一個(gè)序列點(diǎn)進(jìn)行檢測。掃描探針束以精細(xì)的尺度沿掃描線X1，X2和Y得到散射領(lǐng)域的振幅變化。沿著X1掃描前面的缺口，同時(shí)發(fā)生入射波和反射波。沿著X2掃描后面的缺口，得到透射波。圖7顯示了對應(yīng)于不同的掃描配置時(shí)Notch1波形變化，信號是通過一個(gè)0.55MHz的帶通濾波器得到的。它的歸一化比值結(jié)果如圖8所示。是與存在反射和傳輸分配相對應(yīng)的。EMAT產(chǎn)生的光束輪廓顯示的是入射波振幅變化的曲線。圖9（a和b）分別表示當(dāng)探針掃描整個(gè)槽沿y方向時(shí)Notch1和NOTCH2結(jié)果。這里的Lamb波的干涉條紋與反射波和入射波有關(guān)，是前面的幾毫米缺口在明顯的區(qū)域

18、內(nèi)入射波和反射波的疊加。從這個(gè)干涉圖樣我們可以根據(jù)推導(dǎo)出相應(yīng)的波的相速度：在這里，f表示的是波的中心頻率，d表示條紋的空間周期。f= 1.5 MHz，d=0.8 mm。所以Cp=2.4 mm s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測的比較圖2所示。我們還可以注意到，前面缺口到后面缺口在振幅下降為不同的差異值而干涉條紋峰值大小可以代表不同的缺口差異。入射波在一個(gè)非常小的小切口部分被反射，因此條紋振幅下降幅度小。由于超聲波干擾提高信號的振幅，產(chǎn)生的干涉圖案可以更敏感的檢測存在缺陷的表面。在本文中，我們描述一個(gè)窄帶EMAT超聲波產(chǎn)生和寬帶路徑穩(wěn)定邁克爾遜干涉儀檢測系統(tǒng)的配置。該系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)單一模式下的蘭姆波在一個(gè)薄板為這樣一個(gè)波與裂紋缺陷的相互作用的研究激發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它可作為一種良好的窄帶超聲源。在我們的研究中，一個(gè)純粹的a0模式蘭姆波已經(jīng)通過精