磁致伸缩导波模式控制传感器技术

磁致伸缩导波模式控制传感器技术
作者：王悦民；朱龙翔；李城华





       磁致伸缩传感器在管道中可以激励出纵波模态、扭转波模态和弯曲波模态的导波。模态的选择可以通过调节偏置磁场和交变磁场的方向来实现。当偏置磁场和交变磁场的方向与管道轴向平行一致时 ,在管道中激励出纵波模态 ;当偏置磁场沿管道圆周切线方向且和交变磁场的方向相互垂直时 ,在管道中激励出扭转波模态 ;当偏置磁场和交变磁场的方向既不平行又不垂直时 ,在管道中易于激励出弯曲波模态。当然 ,在实际制作磁致伸缩传感器过程中 ,控制偏置磁场和交变磁场的方向完全平行或垂直是比较难的 ,因此 ,在检测信号中 ,除了出现想要的模式导波外 ,可能同时出现其他模态的导波。

目前 ,利用磁致伸缩传感器在铁磁性构件中分别激励出纵波模态、扭转波模态和弯曲波模态的导波 ,国外学者开展了相应的研究 ,方法各异 ,各有优缺点。1994 年 , Kwun 等通过改变钢杆中磁致伸缩传感器的设置和偏置磁场的分布 ,在钢杆中分别激励出扭转波 ( T) 、纵波 (L) 和弯曲波 ( F) , ,L , T , F 分别表示检测的纵波、扭转波和弯曲波信号 , 3 表示接收的多个纵波回波信号。可以看出 ,通过改变作用于构件上偏置磁场以及激励单元与接收单元的设置 ,可以极大地改变检测的导波模式。

       回波信号曲线 Ⅰ给出了纵波及其多次回波信号 ,其激励单元采用螺线管线圈事先纵向磁化钢杆而留下的剩磁作为偏置磁场 ,其接收单元采用 U 型永磁铁的一个极面吸附钢杆一端头作为偏置磁场 ,回波信号曲线 Ⅱ 给出了纵波、扭转波及两者的回波信号 ,其激励单元采用的偏置磁场设置与回波信号曲线 Ⅰ的激励单元采用的偏置磁场设置相同 ,但其接收单元用一个 U型永磁铁与杆轴向平行放置在接收线圈上作为偏置磁场而获得的 ;回波信号曲线 Ⅲ给出了弯曲波及其回波 ,其设置是将线圈缠绕在 U 型铁芯上作为激励单元 ,以杆中剩磁作为其偏置磁场 ,而接收单元的设置与回波信号曲线 Ⅱ接收单元的设置相同 ;回波信号曲线 Ⅳ是将线圈缠绕在U 型铁芯上作为激励单元 ,将 U 型永磁铁的一个极面与杆端接触 ,并与杆轴向成 135°角放置 ,作为其偏置磁场 ,而接收单元的设置与回波信号曲线 Ⅱ, Ⅲ 的接收单元设置相同 。

1.纵向导波模式控制技术

      1995 年 , Kwun 等利用磁致伸缩传感器在圆柱壳体中激励和检测纵向导波。在该传感器的结构中 ,激励和接收单元都采用线圈缠绕在钢管上 ,其偏置磁场都用通电螺线管或永久磁铁沿钢管轴向放置而产生。由磁致伸缩效应 ,激励单元产生的交变磁场可在钢管中激励出弹性导波 ,而由磁致伸缩逆效应 ,钢管中传播的波又可引起磁感应的变化 ,并由接收单元检测或接收。钢管中偏置磁场的作用一方面是增加传感器的效率和灵敏度 ,另一方面是使得电信号的频率与产生的弹性导波频率一致。

       2002 年 ,Laguerre 等利用磁致伸缩脉冲回波设备在圆柱体铁磁性材料中激励出纵向导波 ,其传感器设置与 Kwun 的基本相同 ,偏置磁场由通电螺线管产生 ,激励线圈和检测线圈的匝数分别为 15 匝和 200 匝 ,通电螺线管 (即磁化线圈) 为 900 匝。

2 .弯曲导波模式控制技术

       Kim 等利用偏磁轭 (Bias magnet2yoke) 产生偏置磁场 ,接收单元采用螺线管线圈 ,但激励单元使用外部的气枪发射类似子弹的半圆状金属物撞击圆杆表面 ,从而在圆杆中激发出弯曲波=。可看出 ,产生偏置磁场的永磁轭制作不仅成本高 ,而且很难调节偏置磁场的大小 ,因此 , Kim 等为了改进以上传感器 ,又设计了其偏置磁场采用电磁铁 (即在磁轭上绕线圈并通电) ,其他设置基本保持不变。若要改变偏置磁场的大小 ,只要调节通向电磁铁的电流大小即可。

3.扭转导波模式控制技术

       为了在圆管中激发扭转导波 , Kwun 等设计了一种传感器结构 ,该传感器包括一根镍条带和环绕着镍条带的螺线管线圈 ,镍条带沿管周向粘贴在圆管表面上 ,镍条带粘贴在圆管表面之前 ,需要用永磁铁进行预先磁化 (具有高导磁的材料都可以作为条带材料 ,只是因镍条带更易获得 ,而且成本低) ,其传感器及系统设置如图 7 所示。通过对镍条带预先磁化 ,使条带沿着圆管周向产生一静态偏置磁场 ,以HS 表示。当在螺线管线圈上通过交变电流时 , 镍条带上产生了沿管轴向一交变磁场 , 以 HD 表示。若 HS 和 H D 的大小相同 ,由偏置磁场和交变磁场耦合产生的磁场强度方向将指向与管轴成 45°方向 ,从而在镍条带中激励出扭转导波 ,并经镍条带和管道之间的接触耦合到管道中。

       利用上述方法 ,在管道中激发出扭转导波 ,并开发出一种新型的扭转波传感器 , Kwun 在这个领域取得了突破。然而 ,他设计的传感器结构仍有一些缺陷 ,如在传感器使用前 ,镍条带都必须进行预先磁化 ,当传感器应用于地下管道的长距离在线检测时 ,镍条带需要定期进行预先磁化 ,这实现起来比较困难。另外 ,如果 HS 和 HD 的大小不相等 ,在产生扭转波的同时还会产生不希望产生的其他模态的波。

       为了解决上述 Kwun 设计的传感器缺陷 , Kim等[8 ] 提出了一种改进的扭转波传感器。在被检测的圆柱试样上粘贴数根镍条带 ,与其轴线夹角为 45°。由于镍条带的相对磁导率比被测的圆柱试样大得多 ,螺线管线圈产生的磁通量大部分流经镍条带 ,所以由磁致伸缩效应将导致镍条带产生弹性变形并作用于被测圆柱试样上。很明显 ,由此产生的应变将会产生沿着试样轴线产生扭转导波。

       Kwun 设计的传感器与 Kim 改进的传感器之间主要区别在于镍条带排列角度不同 ,然而 ,镍条带角度的改变对于传感器特性有着重大影响 ,一方面不再需要预先磁化 ,另一方面产生的扭转波模态对输入到螺线管线圈上的电流大小不再敏感。尽管作用的偏置磁场可以明显的提高传感器的性能 ,但改进的传感器在没有偏置螺线管线圈的情况下仍可工作。

4.结论

       在导波的激励中 ,偏置磁场及交变磁场的合理设置对于导波的模式控制起着重要的作用。通过对三种导波模式的传感器设置比较可知 ,偏置磁场和交变磁场的方向和大小决定了所激励出的导波模式。深入研究磁致伸缩传感器导波模式的控制技术 ,有利于提高检测构件不同部位缺陷的灵敏度 ,另外 ,为研制激发单一模式导波的磁致伸缩传感器提供借鉴作用 ,有助于推动磁致伸缩导波无损检测技术的进一步发展。






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