开发一种混合电磁声成像（EMAT）/光纤布拉格光栅（FBG）传感器，用于铝合金板的结构健康监测

《Optics & Laser Technology》：Development of a hybrid EMAT/FBG sensor for structural health monitoring of aluminum plates

　　

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  开发了一种轻量级的混合型电磁声学传感（EMAT）/光纤 Bragg 光栅（FBG）系统。
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  通过线性 A₀ 模式的飞行时间响应实现精确的厚度监测。
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  使用椭圆算法在 Al2024 板上实现对缺陷的定位，相对误差控制在 4% 以内。

引言

铝合金的结构健康监测（SHM）在航空航天、汽车和海洋应用中至关重要，因为它们广泛应用于承载部件中，需要可靠地早期检测疲劳裂纹、腐蚀引起的减薄和冲击损伤，以确保操作的安全性和结构的完整性 [1], [2], [3]。

传统的主动超声检测通常使用压电换能器（PZTs），这些换能器具有高灵敏度和成熟的信号生成技术 [4], [5], [6]。然而，PZTs 需要直接与结构结合，使用声学耦合剂，并为每个传感器配备专用的电气线路 [6], [7]。当应用于大面积结构时，由于电缆复杂性过高、易受电磁干扰以及在恶劣环境中的适应性有限，这类系统变得不切实际 [8], [9]。

为了解决这些问题，准分布式光纤传感技术，特别是使用波长分束光纤 Bragg 光栅（FBG）的技术得到了广泛应用 [8], [10]。该技术具有设计轻便、抗电磁干扰能力强以及能够进行多点应力测量的优点 [11], [12]。近年来，FBG 传感器在兰姆波检测、损伤定位和高温环境下的结构健康监测方面展示了广泛的应用前景 [13], [14], [15]。Peters 等人使用远程连接的七芯光纤 Bragg 光栅 Fabry-Pérot 干涉仪成功分离并识别了兰姆波模式 [13]。Shokrieh 等人通过将兰姆波传播理论与 FBG 传感技术相结合，建立了一种用于检测层压复合材料矩阵裂纹的模拟方法 [14]。Bastien Chapuis 等人首次证明了在超过 1000 °C 的温度下使用 FBG 检测超声波的可行性，为该技术在极端环境中的应用开辟了新途径 [15]。然而，一个关键瓶颈在于缺乏一种可扩展的、非接触式的、与金属结构兼容的分布式超声激励方法 [5], [10]。一种提出的方法是通过光纤传递脉冲激光，在预定义点产生局部泄漏，从而通过热弹性膨胀生成超声波 [5]。尽管这种方法消除了电气线路的需求并实现了空间选择性激励，但其实际应用受到极低的超声生成效率的严重限制 [5], [16]。这种低效率是由于脉冲能量传输有限、金属中的光学吸收较差以及严格的激光安全要求所致。

电磁声学换能器（EMATs）为导电材料提供了一种有前景的替代方案，能够通过电磁感应实现非接触式、无需耦合剂的多模兰姆波激励 [7], [17], [18]。EMATs 与复杂的或涂层的金属表面兼容，并且在苛刻环境中表现出良好的稳定性 [7], [17]。多个 EMAT 线圈可以在空间上分割并电隔离，通过对选定线圈段施加激励信号来实现选择性的多点兰姆波生成 [19]。然而，它们无法提供分布式声学读出，因为无法将各个线圈的电磁信号复用以实现同时的空间分辨检测 [20]。每个 EMAT 仅作为具有固有低信噪比的局部收发器工作 [21]。

为了克服上述限制，本文提出了一种混合型 EMAT/FBG 传感器。该传感器将 EMAT 线圈和 FBG 直接集成在铝板表面。在这种设计中，EMAT 在指定位置激发超声波，而 FBG 同时捕捉铝板上的动态应变响应。混合传感器的设计和工作原理将在后续章节中详细阐述。通过对声学特性（包括兰姆波模式幅度和速度）的定量分析，可以有效地监测结构状态参数（如板厚）。使用基于飞行时间（TOF）差异的椭圆算法，在 100 × 60 × 0.1 cm³ 的 Al2024 板上实现了缺陷定位，相对误差低于 4%。该传感器的轻量化、低轮廓和可串联连接的设计使其能够轻松集成到现有结构中，对结构的影响可以忽略不计。

章节节选

实验装置

这种混合型 EMAT/FBG 传感器的实验装置示意图如图 1 所示，包括超声激励部分和检测部分。实验使用的 Al2024 板尺寸为 100 × 60 cm²，其物理参数在表 1 中给出。超声激励部分由任意函数发生器（AFG）、高压放大器（HVA）和 EMAT 组成。超声波是通过在 Al2024 板中发送信号生成的

色散曲线

超声波具有复杂的传播特性，包括纵波、横波、表面波和兰姆波 [3]。兰姆波是由薄板中的纵波和横波相互作用产生的平面应变波 [23]。它们的传播行为与板厚、激励频率、材料属性以及边界和内部结构的状态等因素密切相关 [24]。对于每种兰姆波模式，其传播速度会随这些因素变化

结论

在本研究中，开发了一种混合型 EMAT/FBG 传感器，并对其进行了实验验证，用于铝合金板的结构健康监测。该传感器无需声学耦合剂即可成功激发和检测 S₀ 和 A₀ 模式，测得的群速度分别为 5325 m/s 和 1756 m/s，与理论色散曲线吻合良好。通过利用 A₀ 模式峰值位置与板厚之间的线性关系，有效实现了厚度监测。对于缺陷的定位

CRediT 作者贡献声明

Xian Wang: 可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。Heming Wei: 编写 – 审稿与编辑、可视化、数据管理。Liang Zhang: 可视化、形式分析。Mengshi Zhu: 可视化、方法论、研究。Zhifeng Wang: 可视化、方法论、研究。Fufei Pang: 编写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金筹集、概念化。

资助

本研究部分得到了 国家自然科学基金（项目编号 W2511074）、上海浦江计划（项目编号 2024PJD316）和 中国博士后科学基金会（项目编号 2024M751934）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

Xian Wang|Heming Wei|Liang Zhang|Mengshi Zhu|Zhifeng Wang|Fufei Pang