单兰姆波模式下的电磁声换能器的生成和激光探测

1、单兰姆波模式下的电磁声换能器的生成和激光探测摘要一个单一的兰姆波模式的使用简化了数据的阐述了在无损检测的薄板。在本文中,一个电磁声换能器是专门配置为生成单个兰姆波模式而激光干涉法用于检测波。一个宽带路径稳定的迈克耳孙干涉仪是首先用于检查了电磁声换能器真正在薄钢板生成单一模式的情况。作为一个说明性的应用系统,后来可以将有交互作用的单个兰姆波作为高空间分辨率激光干涉仪来观察像槽口的裂纹。使用一个单一的兰姆波模式简化了数据的解释在无损检测的薄板。关键字：电磁声换能器;兰姆波;激光干涉仪;无损评价;超声波第一章 介绍与传统采用任一接触或深入接触传感器的超声波技术不同,它的变化灵敏度由于不良耦合，电磁声

2、换能器(EMAT)和激光超声传感器系统性的非接触可能遭受相当大损失。EMATs通常是有限的带宽,而激光超声的生成和检测系统的设计是宽带还是窄带则取决于应用程序。EMATs和LBU相比较传统的压电传感器都有较低的灵敏度,因此通常在有足够的信号强度的情况下都是可行的,但在物理接触测试的对象实验中必须避免使用EMATs和LBU,但在需要高空间分辨率的情况下LBU是必要的。因此,超声波NDE计划使用EMATs的发生器和接收器1,2而且已经利用激光作为它的发电机和接收机3-7。瓦格纳等人已经讨论了一个使用激光代（窄带模式）和调谐电磁超声检测角度的剪切波测试系统8。在这项工作中，还使用Lamb波的测试薄板

3、。作为公理9-11，兰姆波是一种可以用来通过照射板来检测其厚度以及结构完整性的导波，而且在远距离的情况下，可以通过提供相关波与信号色散来解决。如果产生一个单一的模式的兰姆波，其信号数据处理的复杂性，可以得到大大简化。这种单一模式兰姆波，从发射源传播到待测板，通过处理其与板缺陷相互作用而散射的信号，可以达到检测的目的。在本文中，主要阐述EMAT的产生和 Lamb波的激光检测方法。由于EMAT是窄带装置，他们可以适当地用来设计生成一个单一模式的兰姆波。为了检查是否确实是产生了一个单一模式的兰姆波并与此同时提供了高空间分辨率，可以使用宽带路径稳定的迈克尔逊激光干涉仪来检测散射信号。通我们使用这个系统

4、，用一个单一模式的Lamb波与有裂纹薄板的相互作用，可以检测出其缺陷，并得到了相应的实验研究结果。第二章 实验模型的设置一个EMAT的生成和激光检测系统示意图如图1所示。该系统包括以下设备：一个可调谐的EMAT管事接收单元，用来驱动EMAT激发出所需的曲折线模式兰姆波；一个有稳定路径的迈克尔逊干涉仪，它作为一种非接触式的，宽带的，高空间分辨率的探测器；路径稳定的自相关反馈控制电路和数模转换插件；翻译阶段和控制器；数字示波器和A / D转换器；和一个使用Windows图形用户界面编程的电脑实验室。在这个系统中，所有的单元都由计算机控制，构成了一个自动无损检测系统。结果数据，经过处理后在计算机屏幕

5、上显示。2.1 用EMAT生成一个单一模式的LAMb波EMAT包括一个蜿蜒的线圈和一个静态的永久磁场线。EMAT被放置在靠近测试对象表面的地方，一个导电线圈和一个交变瞬态电流所需的超声波频率通过线圈即可满足要求。电磁超声换能器的静态磁场会引发涡流效应，进而作用在物体表面，引起对测试对象的洛伦兹力效果。这种局部力场将会作为超声波的辐射源。这个过程也可以倒流，用一个电磁超声器检测超声波。然而，在这两种情况下，一条蜿蜒的线圈电磁超声是一个典型的窄带器件，具有较低的灵敏度比压电传感器和低空间分辨率和带宽比激光干涉仪。然而，EMAT实际上是相当于理想的单一模式的纯粹的兰姆波发生装置。由于线圈结构的特殊性

6、质，在这项工作中使用的曲折线EMAT辐射能量通过空间周期性表面应力。Lamb波表面应力的空间周期性的产生是曾经是Viktorov等人12和汤普森等人13在调查。如果周期线阵列源用于超声波的产生，元件间距为的阵列将会产生具有一个“强迫”波长的阵列 。如果每条线的线阵光源激发宽带超声时间（这是简单的激光产生的情况下），然后从波的线源辐射条件下产生破坏性的干扰，且只有选定的波分量得到建设性的增强。因此，只有选择相同的“强迫”波长但不同频率的单模式兰姆波的才会产生效果。在另一方面，如果线阵源通过窄带信号所需的超声频率被吸收，那只有特定的单模式下的Lamb波会有这个频率且具有与阵列相关的“强迫”波长。通

7、过选择的EMAT线圈的间距大小为=/2=Cp/2f （半波长），可以激发一个优化的兰姆波形式的波长，和相速度Cp.如图1所示，EMAT线圈由音驱动爆时所需的超声频率是由一个可调谐的EMAT脉冲发射接收器单元提供的。有一个阻抗匹配电路的线圈和功率驱动器，可以允许的阻抗匹配之间的细微调整。与频率有关的的纯音周期数可以由调制控制来改变。特别设计EMAT始终处于电谐振状态，因此可以诱导超声操作最佳测试对象。2.2路径稳定的迈克尔逊干涉仪的宽带检测为了检测由EMAT产生得兰姆波，可采用传统设计的，宽的带宽和高空间分辨率的，路径稳定的迈克尔逊干涉仪进行设计14。光学装置和相关的路径稳定控制电路如图1所示。

8、入射光束经过偏振分束器（PBS）分裂成两个光束。垂直极化光束反射到参考臂与水平极化发射到探臂梁。在探臂，光束经过先中性分光镜（BS）和照射样品的表面反射回来。反射的探测光束的横向极化是由四分之一波片旋转至垂直极化方向。在参考臂，光束是由两个反射镜反射，其中之一是安装在压电陶瓷驱动器路径稳定的目的。这允许主动控制转向参考臂的长度从而保持探臂和在最佳正交偏置点参考臂之间的静态路径差。参考和反射的探测光束的偏振垂直，现在，重组的BS相互干涉的光检测器（PD）。 用在这里是一个偏振氦氖激光（5兆瓦）的激光。由于在探测臂上的光强度损失比在参考臂更大，偏振面旋转增加的激光构件可以为探测臂直到两光束在检测平

9、面上的等强度。PD的输出跟强度成比例。强度I可由下面的等式得出：而在这里，是激光所使用的波长；Ir表示光谱分别为探测臂和参考臂光的强度红外光谱；和d，dsc和dac分别表示静态总光程差，光程差和光程差，由于离面位移跟超声波传播相关的位移以及激光所使用的波长相比是很小的，只有本地振荡发生在响应函数式（1）上。为保证被测信号的最大的灵敏度和线性度，静态路径的差异必须保持在/2一个点的左右，因此，在dsc = (2n -1 )/8, n= 1, 2, 3.正交时，光电探测器输出为：由于大振幅低频波动，但在正交房间环境下产生的振动和空气湍流会引起的干涉仪漂移的干扰，有必要在参考臂的有源反馈电路上控制它

10、静态路径差保持稳定的。设定点的参考电压对应于预期的静态位置。环境的任何波动所造成的干扰会提供了一个错误的信号，这样会适当的放大作为反馈信号的参考臂中的压电镜子调整静态路径的长度。调整控制电路的响应速度使其超调量减少的同时还能保持足够快的上升时间。自反馈控制方案在能够平稳的条件下，只有在较低的频率工作，不过不影响超声波的测量。该控制系统还可以生成使参考镜的位移大于激光波长而得到的全面响应振动正弦波动。根据这种反应的原理。我们可以让实际的干涉仪在任何的敏感点处进行测量在实际应用中，下面的过程在每个检查点都会采用的。由正弦大振幅低频信号的参考光束来驱动压电镜可获得镇定控制器不活动和干涉仪的全面响应。

11、Vp-p表示交流分量峰峰值，是由对光电探测器输出信号的检测得到的，这是用来衡量在这个位置的干涉仪的实际灵敏度。DC是光电探测器信号的直流分量代表着所需的稳定位置。在这个值设置参考电压将保持在稳定的位置的干涉仪的优化路径操作。稳定控制电路则激活为了使超声波测量。一个非常小的超声波振荡dac的绝对位移可以通过简单的乘法的光电探测器输出的一个已知的比例因子的确定。参考的设定点电压是由一个12位的D/A转换器（DT2812）设定的。所有用数字示波器记录的测量数据，通过进一步的数据处理后的通过GPIB接口传送到计算机。0.04nm的最小可分辨的表面位移能够实现干涉仪在抛光表面的实时测试，而且它在操作DC

12、-20MHz带宽的条件下采用时间平均的数据处理。实验结果表明，控制路径稳定的关键是检测非常小的位移。设计的路径稳定回路控制和点对点的自动标定有效消除对被测样品的表面质量改变的影响。第三章 实验结果分析3.1 基于单一兰姆波模式下的换能器发生的实验研究低频厚度的兰姆波产品在频率13MHz范围内产生，这个频率范围内符合我们的EMAT换能器带宽。在本次调查中使用的钢和铝合金板标本其厚度范围在0.5mm到2mm之间。图2显示了最低的对称理论的色散曲线（s0）以及反对理论下的曲线（a0）钢和铝合金板的模式；图2（a）表示的相速度f*d之间的关系。图2（b）是一个板厚度d=0.75条件下的波长与频率的关系

13、图。两曲线代表两种不同EMATs的线间距，1 = 1.3 mm代表的是EMATl ，2 =0.86mm代表的是 EMAT2。我们选择的间距尺寸是波长的两倍是想生成这种模式的波。图3表示的是使用EMATs作为源和接收器在脉冲回波模式工作的一个典型的结果。图3（a和b）接收到的信号在反射波从板的边缘，他们似乎表明，只有一个单一的兰姆波模式下的s0和a0能够被EMATl 和 EMAT2所激励。其他模式的信号不这么明显。为了证实这一点，我们的下一个使用EMAT仅作为发电机和路径稳定间高温计作为检测器。图4和图5表示的是使用EMATl 和EMAT2的结果。这里的s0( 1) 和 a0( 1)代表的通过干

14、涉仪检查部位的直接波的传播， s0(2) 和a0(2)会有相应的反射信号从板的边缘。只有每个模式的出平面部分用激光探测器可以探测到。所产生波的群速度Cg 通过延迟时间的确定如s0( 1) 和s0(2) 以及a0( 1) 和 a0(2)。这些结果如下所示：（1）EMATl只是为了生成s0模式。事实上同时产生了s0（在2Hz,Cg=4.9 mm us-1的条件下）和这种在1.8 MHz, Cg= 3.1 mm us-1条件下a0模式（见图3）。（2）emat2，它被设计用来产生a0模式，却只产生一个单一的a0模式在任何频率范围内升-2.5兆赫。所产生的a0振幅最大时，中心频率为1.5兆赫。EMAT

15、线圈导线的间距是其产生的关键，也是EMAT能够产生和接受这种波模式的关键。采用曲折线EMAT相对于纯单一模式的生成，只生成一个单一的a0模式似乎是可能的因为a0具有最小的波长相对于其他方式在一个给定的f*d如果我们考虑的EMAT的带宽为1兆赫和2.5兆赫之间，我们可以确定理想的单A0模式发生区，如图2所示。对应的波长约1-2毫米，因而在EMAT线圈导线的间距应约0.5升毫米（即波长的一半）。选择一个间距大小超过这个范围将生成s0模式而间距的大小低于该范围则应改尽量避免生成为a0或s0模式，因为在1-2.5兆赫的频率范围内就不是一个最佳尺寸。3.2 对具有裂纹的槽口进行单一模式的兰姆波的相互作用

16、的实验研究如前所述，用兰姆波探头探测板的整个厚度和长度，因此可以探测出沿探针路径的结构缺陷相互作用的地方。所以可以使用单侧检验发现表面上或内部引发的缺陷。在这项研究中，我们研究了一个单一模式的a0兰姆波从散射场的相互作用而导致产生的一类裂纹缺口。实验配置如图6所示。我们采用emat2在1.5兆赫，在一个0.75毫米厚的钢板上产生一个纯粹的a0模式。目的是展示从表面裂纹断裂到钢板无法展示侧面的检测。因此，两类裂纹缺口都是在板底面加工而成：一个是深0.4毫米，长10毫米，标注为Notch1；二是深0.25毫米，长4毫米，表示是Notch2；两槽口宽0.1毫米。实验过程如下。固定emat2保持其中心

17、的与缺口的中间对齐。应用干涉仪远程监控钢板顶表面位置的一个序列点进行检测。扫描探针束以精细的尺度沿扫描线X1，X2和Y得到散射领域的振幅变化。沿着X1扫描前面的缺口，同时发生入射波和反射波。沿着X2扫描后面的缺口，得到透射波。图7显示了对应于不同的扫描配置时Notch1波形变化，信号是通过一个0.55MHz的带通滤波器得到的。它的归一化比值结果如图8所示。是与存在反射和传输分配相对应的。EMAT产生的光束轮廓显示的是入射波振幅变化的曲线。图9（a和b）分别表示当探针扫描整个槽沿y方向时Notch1和NOTCH2结果。这里的Lamb波的干涉条纹与反射波和入射波有关，是前面的几毫米缺口在明显的区域

18、内入射波和反射波的叠加。从这个干涉图样我们可以根据推导出相应的波的相速度：在这里，f表示的是波的中心频率，d表示条纹的空间周期。f= 1.5 MHz，d=0.8 mm。所以Cp=2.4 mm s-1。实验结果与理论预测的比较图2所示。我们还可以注意到，前面缺口到后面缺口在振幅下降为不同的差异值而干涉条纹峰值大小可以代表不同的缺口差异。入射波在一个非常小的小切口部分被反射，因此条纹振幅下降幅度小。由于超声波干扰提高信号的振幅，产生的干涉图案可以更敏感的检测存在缺陷的表面。在本文中，我们描述一个窄带EMAT超声波产生和宽带路径稳定迈克尔逊干涉仪检测系统的配置。该系统应用于一个单一模式下的兰姆波在一个薄板为这样一个波与裂纹缺陷的相互作用的研究激发。实验结果表明，它可作为一种良好的窄带超声源。在我们的研究中，一个纯粹的a0模式兰姆波已经通过精