磁致伸縮導(dǎo)波模式控制傳感器技術(shù)

王悅民,朱龍翔,李城華

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院,武漢 430033)

磁致伸縮傳感器在管道中可以激勵出縱波模態(tài)、扭轉(zhuǎn)波模態(tài)和彎曲波模態(tài)的導(dǎo)波。模態(tài)的選擇可以通過調(diào)節(jié)偏置磁場和交變磁場的方向來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)偏置磁場和交變磁場的方向與管道軸向平行一致時,在管道中激勵出縱波模態(tài);當(dāng)偏置磁場沿管道圓周切線方向且和交變磁場的方向相互垂直時,在管道中激勵出扭轉(zhuǎn)波模態(tài);當(dāng)偏置磁場和交變磁場的方向既不平行又不垂直時,在管道中易于激勵出彎曲波模態(tài)。當(dāng)然,在實(shí)際制作磁致伸縮傳感器過程中,控制偏置磁場和交變磁場的方向完全平行或垂直是比較難的,因此,在檢測信號中,除了出現(xiàn)想要的模式導(dǎo)波外,可能同時出現(xiàn)其他模態(tài)的導(dǎo)波。

目前,利用磁致伸縮傳感器在鐵磁性構(gòu)件中分別激勵出縱波模態(tài)、扭轉(zhuǎn)波模態(tài)和彎曲波模態(tài)的導(dǎo)波,國外學(xué)者開展了相應(yīng)的研究,方法各異,各有優(yōu)缺點(diǎn)。1994年,Kwun等[1]通過改變鋼桿中磁致伸縮傳感器的設(shè)置和偏置磁場的分布,在鋼桿中分別激勵出扭轉(zhuǎn)波(T)、縱波(L)和彎曲波(F),如圖1所示,L,T,F分別表示檢測的縱波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波信號,*表示接收的多個縱波回波信號?？梢钥闯?通過改變作用于構(gòu)件上偏置磁場以及激勵單元與接收單元的設(shè)置,可以極大地改變檢測的導(dǎo)波模式。

圖1中,回波信號曲線Ⅰ給出了縱波及其多次回波信號,其激勵單元采用螺線管線圈事先縱向磁化鋼桿而留下的剩磁作為偏置磁場,其接收單元采用U型永磁鐵的一個極面吸附鋼桿一端頭作為偏置磁場,如圖2中頂部的設(shè)置所示;回波信號曲線Ⅱ給出了縱波、扭轉(zhuǎn)波及兩者的回波信號,其激勵單元采用的偏置磁場設(shè)置與回波信號曲線Ⅰ的激勵單元采用的偏置磁場設(shè)置相同,但其接收單元用一個U型永磁鐵與桿軸向平行放置在接收線圈上作為偏置磁場而獲得的,如圖2中部的設(shè)置所示;回波信號曲線Ⅲ給出了彎曲波及其回波,其設(shè)置是將線圈纏繞在U型鐵芯上作為激勵單元,以桿中剩磁作為其偏置磁場,而接收單元的設(shè)置與回波信號曲線Ⅱ接收單元的設(shè)置相同;回波信號曲線Ⅳ是將線圈纏繞在U型鐵芯上作為激勵單元,將U型永磁鐵的一個極面與桿端接觸,并與桿軸向成135°角放置,作為其偏置磁場,而接收單元的設(shè)置與回波信號曲線Ⅱ,Ⅲ的接收單元設(shè)置相同,如圖2底部的設(shè)置所示。

圖1 改變鋼桿中偏置磁場和傳感器設(shè)置而檢測的波形

圖2 偏置磁場方向設(shè)置示意圖

1 縱向?qū)РＪ娇刂萍夹g(shù)

1995年,Kwun等[2-3]利用磁致伸縮傳感器在圓柱殼體中激勵和檢測縱向?qū)Р?。在該傳感器的結(jié)構(gòu)中,激勵和接收單元都采用線圈纏繞在鋼管上,其偏置磁場都用通電螺線管或永久磁鐵沿鋼管軸向放置而產(chǎn)生。由磁致伸縮效應(yīng),激勵單元產(chǎn)生的交變磁場可在鋼管中激勵出彈性導(dǎo)波,而由磁致伸縮逆效應(yīng),鋼管中傳播的波又可引起磁感應(yīng)的變化,并由接收單元檢測或接收。鋼管中偏置磁場的作用一方面是增加傳感器的效率和靈敏度,另一方面是使得電信號的頻率與產(chǎn)生的彈性導(dǎo)波頻率一致。磁致伸縮傳感器及其系統(tǒng)設(shè)置如圖3所示。

圖3 Kwun設(shè)計(jì)的磁致伸縮縱波傳感器及檢測系統(tǒng)示意圖

2002年,Laguerre等[4]利用磁致伸縮脈沖回波設(shè)備在圓柱體鐵磁性材料中激勵出縱向?qū)Р?其傳感器設(shè)置與Kwun的基本相同,偏置磁場由通電螺線管產(chǎn)生,激勵線圈和檢測線圈的匝數(shù)分別為15匝和200匝,通電螺線管(即磁化線圈)為900匝。其傳感器及系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示。

圖4 Laguerre設(shè)計(jì)的磁致伸縮縱波傳感器及檢測系統(tǒng)示意圖

2 彎曲導(dǎo)波模式控制技術(shù)

Kim等[5-6]利用偏磁軛(Biasmagnet-yoke)產(chǎn)生偏置磁場,接收單元采用螺線管線圈,但激勵單元使用外部的氣槍發(fā)射類似子彈的半圓狀金屬物撞擊圓桿表面,從而在圓桿中激發(fā)出彎曲波,具體的傳感器及其系統(tǒng)設(shè)置如圖5所示。

可看出,產(chǎn)生偏置磁場的永磁軛制作不僅成本高,而且很難調(diào)節(jié)偏置磁場的大小,因此,Kim等[6]為了改進(jìn)以上傳感器,又設(shè)計(jì)了如圖6所示的傳感器,其偏置磁場采用電磁鐵(即在磁軛上繞線圈并通電),其他設(shè)置基本保持不變。若要改變偏置磁場的大小,只要調(diào)節(jié)通向電磁鐵的電流大小即可。

圖5 在圓桿中激勵和檢測彎曲波的傳感器及系統(tǒng)設(shè)置示意圖

圖6 彎曲波傳感器的設(shè)置示意圖

3 扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波模式控制技術(shù)

為了在圓管中激發(fā)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波,Kwun等[7]設(shè)計(jì)了一種傳感器結(jié)構(gòu),該傳感器包括一根鎳條帶和環(huán)繞著鎳條帶的螺線管線圈,鎳條帶沿管周向粘貼在圓管表面上,鎳條帶粘貼在圓管表面之前,需要用永磁鐵進(jìn)行預(yù)先磁化(具有高導(dǎo)磁的材料都可以作為條帶材料,只是因鎳條帶更易獲得,而且成本低),其傳感器及系統(tǒng)設(shè)置如圖7所示。通過對鎳條帶預(yù)先磁化,使條帶沿著圓管周向產(chǎn)生一靜態(tài)偏置磁場,以HS表示。當(dāng)在螺線管線圈上通過交變電流時,鎳條帶上產(chǎn)生了沿管軸向一交變磁場,以HD表示。若HS和HD的大小相同,由偏置磁場和交變磁場耦合產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度方向?qū)⒅赶蚺c管軸成 45°方向,從而在鎳條帶中激勵出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波,并經(jīng)鎳條帶和管道之間的接觸耦合到管道中。

圖7 扭轉(zhuǎn)波傳感器的設(shè)置

利用上述方法,在管道中激發(fā)出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波,并開發(fā)出一種新型的扭轉(zhuǎn)波傳感器,Kwun在這個領(lǐng)域取得了突破。然而,他設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)仍有一些缺陷,如在傳感器使用前,鎳條帶都必須進(jìn)行預(yù)先磁化,當(dāng)傳感器應(yīng)用于地下管道的長距離在線檢測時,鎳條帶需要定期進(jìn)行預(yù)先磁化,這實(shí)現(xiàn)起來比較困難。另外,如果HS和HD的大小不相等,在產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的同時還會產(chǎn)生不希望產(chǎn)生的其他模態(tài)的波。

為了解決上述Kwun設(shè)計(jì)的傳感器缺陷,Kim等[8]提出了一種改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)波傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖8所示。在被檢測的圓柱試樣上粘貼數(shù)根鎳條帶,與其軸線夾角α為45°。由于鎳條帶的相對磁導(dǎo)率比被測的圓柱試樣大得多,螺線管線圈產(chǎn)生的磁通量大部分流經(jīng)鎳條帶,所以由磁致伸縮效應(yīng)將導(dǎo)致鎳條帶產(chǎn)生彈性變形并作用于被測圓柱試樣上。很明顯,由此產(chǎn)生的應(yīng)變將會產(chǎn)生沿著試樣軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。

圖8 Kim改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)波傳感器設(shè)置示示意圖

Kwun設(shè)計(jì)的傳感器與Kim改進(jìn)的傳感器之間主要區(qū)別在于鎳條帶排列角度不同,然而,鎳條帶角度的改變對于傳感器特性有著重大影響,一方面不再需要預(yù)先磁化,另一方面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波模態(tài)對輸入到螺線管線圈上的電流大小不再敏感。盡管作用的偏置磁場可以明顯的提高傳感器的性能,但改進(jìn)的傳感器在沒有偏置螺線管線圈的情況下仍可工作。

4 結(jié)論

在導(dǎo)波的激勵中,偏置磁場及交變磁場的合理設(shè)置對于導(dǎo)波的模式控制起著重要的作用。通過對三種導(dǎo)波模式的傳感器設(shè)置比較可知,偏置磁場和交變磁場的方向和大小決定了所激勵出的導(dǎo)波模式。深入研究磁致伸縮傳感器導(dǎo)波模式的控制技術(shù),有利于提高檢測構(gòu)件不同部位缺陷的靈敏度,另外,為研制激發(fā)單一模式導(dǎo)波的磁致伸縮傳感器提供借鑒作用,有助于推動磁致伸縮導(dǎo)波無損檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]Kwun H,Teller C M.Magnetostrictive generation and detection of longitudinal,torsional,and flexural waves in a steel rod[J].J Acoust Soc Am,1994,96(2)：1202-1204.

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[3]Kwun H,Bartels K A.M agnetostrictive sensor technology and its applications[J].Ultrasonics,1998(36)：171-178.

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[7]Kwun H.Method and apparatus generating and detecting torsional wave inspection of pipes or tubes：US,6429650 B1[P].2002.

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