基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲應(yīng)力波傳感器設(shè)計(jì)與完善

吳蓉蓉

摘 要：運(yùn)用超聲應(yīng)力波多結(jié)構(gòu)的破損進(jìn)行檢測，其效率比較高，而且精確度高，是一種新型的檢測技術(shù)。最近這幾年，運(yùn)用磁鐵材料的伸縮性特點(diǎn)，支撐了一種能哦股將超聲應(yīng)力波接收的傳感器，這種傳感器能夠進(jìn)行磁致伸縮，而且其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，價(jià)格比較實(shí)惠，能夠進(jìn)行非接觸型檢測，因此，得到了廣泛地應(yīng)用。本文通過對磁鐵材料的伸縮性特點(diǎn)進(jìn)行分析，從而能夠運(yùn)用此貼性的板結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷的檢測，確保傳感器的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：磁致伸縮；傳感器；超聲應(yīng)力波；結(jié)構(gòu)健康檢測；優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用超聲應(yīng)力波的方法進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了一種健康的檢測方法，這種方法能夠迅速地找到損傷的部位，現(xiàn)在，在壓電材料的檢測中得到了廣泛地使用，而且，壓電材料也具有極強(qiáng)的接收超聲應(yīng)力波的能力，磁鐵的磁致伸縮特點(diǎn)還是比較顯著的，制成的磁致伸縮傳感器的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，而且應(yīng)用效果比較好。本文通過對磁致伸縮傳感器進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種精確檢測的磁致伸縮傳感器。

1 磁致伸縮傳感器的設(shè)計(jì)原理

磁致伸縮這類現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理在于磁鐵的特點(diǎn)，在上個(gè)世紀(jì)，Joule發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁鐵材料不置于磁場中的時(shí)候，其尺寸會(huì)發(fā)生變化，其長度會(huì)沿著磁力線發(fā)生延長或者收縮的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為磁力伸縮現(xiàn)象。在極化環(huán)境中，磁鐵的晶體會(huì)受到外界的反應(yīng)，就會(huì)發(fā)生一系列的應(yīng)變反應(yīng)，這類應(yīng)變反應(yīng)會(huì)使磁鐵的內(nèi)部形成一個(gè)強(qiáng)大的磁場，這類應(yīng)變反應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)的互逆的。應(yīng)力波在傳播的過程中，由于傳播的介質(zhì)不同，所以，應(yīng)力波的傳播環(huán)境是比較復(fù)雜的，其在傳播的過程中會(huì)呈現(xiàn)出彌散性特點(diǎn)，通過模態(tài)的轉(zhuǎn)換，在不同程度的損傷之間都能夠互相作用。最低階的應(yīng)力波在傳輸?shù)倪^程中是不具備彌散性的，所以，在進(jìn)行無損檢測的過程中，一般也會(huì)采用最低階的應(yīng)力波。

在對一個(gè)薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測的過程中，一般就會(huì)借助其不會(huì)產(chǎn)生外界應(yīng)力的特點(diǎn)，按照磁致伸縮的效應(yīng)，能夠分析出薄板結(jié)構(gòu)的磁致伸縮的應(yīng)力分量以及彈性剛度系數(shù)。

2 設(shè)計(jì)方案

在對磁致伸縮傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該本著簡單和實(shí)用性的原則，可以運(yùn)用一塊非磁鐵性的板結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測，制作的傳感器應(yīng)該分成激勵(lì)與接收兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)差異不大，而且制作的材料是相同的，都是由鎳帶、磁鐵和磁芯構(gòu)成的，其各個(gè)部分的尺寸如圖1所示。由于薄板的結(jié)構(gòu)不是磁鐵制作的，所以，其不具有磁致伸縮的特點(diǎn)，將一個(gè)鎳帶制成的結(jié)構(gòu)作為磁致伸縮的媒介。

磁致伸縮傳感器的工作原理主要分為三個(gè)步驟：

第一個(gè)步驟為超聲應(yīng)力波的產(chǎn)生，在傳感器的激勵(lì)部分附加一個(gè)電壓的信號(hào)時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在鎳帶周圍的磁場，這時(shí)，按照磁鐵材料的性質(zhì)，就會(huì)產(chǎn)生不同的磁致伸縮效應(yīng)，這時(shí)，磁場具有一定的時(shí)變性特點(diǎn)，當(dāng)磁場在鎳帶中產(chǎn)生變化的過程中，就會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮力，在薄板中就會(huì)產(chǎn)生超聲應(yīng)力波。

第二個(gè)步驟是超聲應(yīng)力波的傳播，在這個(gè)過程中，傳感器由于激勵(lì)的原因，就會(huì)產(chǎn)生超聲應(yīng)力波，這個(gè)應(yīng)力波就會(huì)沿著薄板的結(jié)構(gòu)向四周傳播。

第三個(gè)步驟是超聲應(yīng)力波的接收，在這個(gè)過程中，應(yīng)力波受到作用反射，到達(dá)傳感器的接收部位，這時(shí)，就會(huì)通過耦合的作用，應(yīng)力波直接傳遞到鎳帶中，按照磁鐵材料會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，在時(shí)變的磁場中，當(dāng)線圈接收到應(yīng)力波時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電壓。

3 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)所用的裝置分析

為了能夠更好地分析磁致伸縮傳感器的效果，在試驗(yàn)中應(yīng)該完善一套檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)是由信號(hào)發(fā)射器、功率放大器和示波器構(gòu)成的，在試驗(yàn)的過程中，被測試的薄板是一塊鋁板，將傳感器與鋁板呈垂直的方向放置，傳感器與鋁板的距離控制在20厘米。在激勵(lì)的過程中，應(yīng)該將傳感器與鋁板的水平方向的距離控制在10厘米，實(shí)驗(yàn)的主要裝置如圖2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

在試驗(yàn)的過程中，激勵(lì)信號(hào)的中心頻率是發(fā)生變化的，其范圍能夠控制在100-300赫茲，其頻率的間隔為50赫茲，激勵(lì)信號(hào)的幅值差異忽略不計(jì)。在200赫茲的激勵(lì)下，在磁致伸縮傳感器的作用下，還是能夠接收到時(shí)域信號(hào)的，在對接收的信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，采用應(yīng)力波的方式，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成小波分析，分析信號(hào)在時(shí)域中的范圍，其結(jié)果如圖3所示。在圖3中可以看出，接收到的信號(hào)的頻率與激勵(lì)信號(hào)的頻率是能夠契合在一起的，通過對小波的相關(guān)的理論進(jìn)行分析，可以看出，在不同的頻率上，都能夠達(dá)到小波的峰值，所以，通過對傳感器激勵(lì)部分和鋁板邊界的距離進(jìn)行分析，就能夠得到應(yīng)力波的傳播速率。在相同頻率的應(yīng)力波的激勵(lì)中，能夠得到應(yīng)力波的傳輸速度。

4 損傷檢測

為了能夠更好的進(jìn)行磁致伸縮傳感器在結(jié)構(gòu)檢測中的實(shí)用性，在滿足試驗(yàn)條件的前提下，對一塊具有損傷的鋁板進(jìn)行分析，從而能夠快速地找出鋁板的損傷位置。鋁板在左邊緣處出現(xiàn)了一條垂直于鋁板中軸線的裂縫，裂縫的寬度為0.6毫米，深度為3毫米，長度為30毫米。在運(yùn)用傳感器的激勵(lì)部分的時(shí)候，將傳感器與鋁板的中軸線垂直放置，在試驗(yàn)的過程中，運(yùn)用調(diào)解正弦的方法，對電壓信號(hào)進(jìn)行分析，從而能夠得到中心頻率。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于完善傳感器的作用，在傳感器產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)的過程中，能夠在結(jié)構(gòu)中形成應(yīng)力，傳感器中的垂直方向會(huì)產(chǎn)生偏振問題，在水平方向會(huì)有應(yīng)力波傳遞，而且傳遞的是最低階的應(yīng)力波。所以，要提高傳感器運(yùn)行的效率，就要提高應(yīng)力波運(yùn)行的幅值，按照電磁學(xué)的相關(guān)的原理，可以設(shè)計(jì)鐵磁芯，從而運(yùn)用鎳帶，使水平方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值。

6 結(jié)語

本文通過對磁致伸縮的特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后對鋁板進(jìn)行損傷檢測的實(shí)驗(yàn)，通過理論和實(shí)踐角度的分析，可以看出傳感器的效果比較好，能夠準(zhǔn)確而快速地找出鋁板損傷產(chǎn)生的部位，而且應(yīng)用成本低。

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