姜銀方,陳 波,雷玉蘭,郭永強,劉 兵,匡泓錦,蔣俊俊
(1.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院,江蘇 鎮(zhèn)江 212009)
目前用于超聲導波管道檢測最常見的傳感器為壓電式,其敏感元件材料PZT的機電耦合系數(shù)較低、能量轉(zhuǎn)化效率較差限制了檢測距離,而超磁致伸縮材料Terfenol-D 具有較大的機電耦合系數(shù)和能量轉(zhuǎn)化效率[1-8]。所以需要研制磁致伸縮式傳感器來提高檢測距離尤為重要。
傳統(tǒng)的超磁致伸縮傳感器采用棒狀或長方體狀的Terfenol-D作為敏感元件[9],其驅(qū)動磁場的設(shè)計可按照螺線管的磁場規(guī)律。但本文設(shè)計的Terfenol-D傳感器是用于管道無損檢測,故傳統(tǒng)的棒狀或長方體狀無法實現(xiàn)與管道任意表面耦合,因此,需要設(shè)計一種特殊結(jié)構(gòu)類似于刀型Terfenol-D傳感器[10-12]。本文通過試驗來研究激勵線圈的線徑和線圈匝數(shù)與刀型Terfenol-D傳感器激勵回波系數(shù)的關(guān)系,確定最佳的激勵線圈參數(shù)。為將來磁致伸縮式傳感器的優(yōu)化提供理論依據(jù)。
超磁致伸縮材料的磁伸應(yīng)變通常與磁場的方向無關(guān),而只與大小有關(guān)[13];為了研究激勵線圈參數(shù)對刀型Terfenol-D傳感器的激勵效果影響,本文線圈選用漆包銅線繞制,如圖1所示。
圖1 激勵線圈結(jié)構(gòu)簡圖
回波反射系數(shù)[14]是評價傳感器性能的一項重要指標,它反映了傳感器的振動幅值及衰減率,回波系數(shù)可由下式表示
(1)
式(1)中,Ad表示缺陷幅值;A0表示激勵波幅值。
圖2(a)所示為檢測的系統(tǒng)示意圖,包括:計算機、前置放大器、任意波發(fā)生器、示波器、壓電陶瓷(PZT-5)、Terfenol-D、試驗管道、502膠水、砂紙等。
圖2 試驗系統(tǒng)示意圖
本系統(tǒng)試驗管道采用工業(yè)中常用的碳鋼管道,如圖2(b)所示,管道的外徑為108 mm,壁厚為5 mm,全長為10.34 m,在管道的2.9 m、5.2 m、7.5 m處均焊有焊縫沒有其他缺陷。管道一端粘于一片刀型Terfenol-D作為激勵端,Terfenol-D一端套上不同規(guī)格的螺線管線圈提供激勵磁場,頂端采用3片尺寸為?5mm×1mm的永磁鐵提供偏置磁場,接收端采用16片PZT-5A環(huán)形貼于管道。使用任意波函數(shù)發(fā)生器提供經(jīng)漢寧窗調(diào)制的10周期10Vpp正弦音頻信號,接收傳感器接收的信號經(jīng)40 dB的前置放大器放大后在示波器中顯示出來,電腦采集示波器中顯示的信號。
研究刀型Terfenol-D傳感器激勵線圈的匝數(shù)對激勵信號的影響,因此需要保證在其他條件都不變的前提下進行試驗。為避免導波遇到焊縫會發(fā)生復雜的反射、干涉及衰減問題,只選擇第一條焊縫(位于管道2.9 m處焊縫1)的回波系數(shù)作為衡量指標。
表1 試驗所用線圈參數(shù)
按表1中線圈參數(shù)試驗,采集的數(shù)據(jù)導入編寫好的MatLab程序中,提取第一條焊縫回波系數(shù)并繪制相同線徑下,不同線圈匝數(shù)隨頻率變化的回波系數(shù)圖,如圖3所示。
圖3 不同線圈匝數(shù)隨頻率變化的回波系數(shù)圖
由圖3(a)可得,當線徑為0.1 mm時,中心頻率為90 kHz,在中心頻率處隨著匝數(shù)的增加,焊縫的回波系數(shù)也隨著增大。同樣,當線徑為0.2 mm和0.3 mm時,變化規(guī)律0.1 mm線徑相同,即在中心頻率處焊縫的回波系數(shù)都隨著線圈匝數(shù)的增加而增大。
為了更直觀的看出線圈匝數(shù)對刀型Terfenol-D傳感器激勵信號的影響,利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行了分析,如圖4所示。
圖4 回波系數(shù)隨線圈匝數(shù)變化關(guān)系圖
由圖4可得,當線圈線徑相同時,回波系數(shù)隨著線圈匝數(shù)的增加而增大。當線圈匝數(shù)為180匝時,再增加匝數(shù)時,回波系數(shù)增加趨勢開始緩慢,說明在本文的試驗環(huán)境下,其磁場強度接近飽和區(qū),當線圈匝數(shù)再增加時已不具備太大的實用價值,再者為了傳感器的小型化,匝數(shù)繞制太多會增大傳感器的體積,因此選用180匝制成螺線管線圈為最佳線圈匝數(shù)。
研究激勵線圈的線徑對激勵信號的影響,因此在匝數(shù)及其他條件一定的情況下進行試驗。分析不同線徑對回波系數(shù)的影響規(guī)律,試驗選擇線徑為0.1~0.3 mm的漆包銅線,密繞180匝形成螺線管線圈。選擇第一條焊縫(位于管道2.9 m處焊縫1)的回波系數(shù)作為衡量指標。通過試驗分析激勵線圈的線徑與回波系數(shù)的關(guān)系,如圖5所示。
圖5 線圈線徑對焊縫回波系數(shù)的影響
由圖5可得,當繞制匝數(shù)一定時,線徑增大,回波系數(shù)先增加后減小,這是由于本文試驗所用是電壓源,電壓保持不變,線徑的變化會導致線圈的阻值發(fā)生改變,線圈越粗,電阻就越小,所以電流越大,電流增大會使得磁場變大,所以回波系數(shù)曲線上升。
由于線圈的直徑增大的同時,會導致通過線圈的電流隨之增大,可能會產(chǎn)生熱量,從而影響線圈的工作。再者由于線圈直徑的增加,單位面積內(nèi)的匝數(shù)就會減少,影響產(chǎn)生的磁場強度和磁場的均勻性。通過試驗分析,在線徑為0.15 mm時,接收到的焊縫回波系數(shù)最高,因此,采用0.15 mm線徑的漆包銅線密繞180匝制成螺線管線圈用以提供驅(qū)動磁場。
本文探究刀型Terfenol-D傳感器的激勵效果與線圈參數(shù)之間的關(guān)系如下:通過試驗研究激勵效果與纏繞在刀型Terfenol-D上的線圈參數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)在中心頻率處焊縫反射回波系數(shù)隨著匝數(shù)增加而增大,但到一定程度后增長趨勢減緩,說明可能已達到磁致伸縮材料特性曲線的“飽和區(qū)”;隨著線徑的增加,反射回波系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這是由于線圈越粗,電阻就越小,所以電流越大,但線圈直徑的增加,單位面積內(nèi)的匝數(shù)就會減少,影響產(chǎn)生的磁場強度。因此,在設(shè)計刀型Terfenol-D的超磁致伸縮傳感器的驅(qū)動磁場時,應(yīng)同時考慮線圈的線徑及匝數(shù)對激勵效果的影響;該刀型Terfenol-D結(jié)構(gòu)傳感器的最佳激勵線圈參數(shù)為線圈匝數(shù)為180匝,線徑為0.15 mm。