用于板结构损伤检测的磁致伸缩传感器

 用于板结构损伤检测的磁致伸缩传感器
作者：无






     随着社会经济与科学技术的不断发展 ,结构健康监测在军事、工业、土木等领域扮演着日益重要的角色。利用超声导波检测结构内部缺陷是近年来结构健康监测领域的重要研究方向。基于压电效应的压电晶片激励和接收导波是目前结构健康监测领域使用较为广泛的一种方法 ,但是 ,压电晶片具有容易老化 ,且必须与被测结构直接接触等缺点 ,从而限制其使用范围。近年来 ,利用铁磁性材料的磁致伸缩特性激励和接收导波在结构健康监测领域得到了应用。美国西南研究所首先提出运用于钢管、钢绳等管状结构缺陷检测的导波激励接收装置 ,称之为磁致伸缩传感器 ,并在实际工程中得以成功运用。本文提出一种用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器 ,该传感器具有价格便宜、灵敏度高、可与被测结构分离等优点。首先 ,介绍传感器设计的理论基础 :导波检测技术以及铁磁性材料的磁致伸缩效应及其逆效应 ;然后 ,提出传感器设计方案 ;最后 ,通过实验激励不同波型导波对铝板上预置损伤进行检测 ,从而验证传感器设计的可行性。 

1　板中的导波

       当超声波在板中传播时 ,将会在板界面来回反射 ,产生复杂的波形转换以及相互干涉。这种经介质边界制导传播的超声波称为超声导波。因为导波沿其边界传播 ,所以 ,结构的几何边界条件对导波的传播特性有很大的影响。与传统的超声波检测技术不同 ,传统的超声波检测是以恒定的声速传播 ,但导波速度因频率和结构几何形状的不同而有很大的变化 ,即具有频散特性。在同一频率激励下 ,导波也存在多种不同的波型和阶次。在板状结构中 ,导波以 2种不同的波型传播 ,分别是 :对称 ( S)和非对称 (A)的纵波 (也称 Lamb波 ) ,以及剪切波 ( SH ) 。导波在 3 mm铝板中传播的频散曲线。从图 1可以看出 : SH0 波无频散。在实际运用中 ,无频散的 SH0 波便于信号的分析处理以及大范围检测。因此 ,虽然导波的传播特性非常复杂 ,但如果对波型和频率进行适当的选择和控制 ,处于低频段的导波(到几百千赫兹 )将能很好地运用于结构健康监测中。

2　磁致伸缩效应及其逆效应

       铁磁性材料的磁致伸缩现象可以通过微观磁畴结构的移动和变形来解释。所谓磁畴 ,是指磁性材料内部的一个个小区域 ,每个区域内部包含大量原子 ,这些原子的磁矩整齐排列 ,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面叫畴壁。宏观物体具有很多磁畴 ,磁畴的磁矩方向各不相同 ,结果相互抵消 ,矢量和为零 ,整个物体的磁矩为零。在外磁场的作用下 ,材料内部能量平衡被破坏 ,内部磁化重新分配 ,从而使得在新状态下材料总能量最小 ,具体表现为磁矩发生转动 ,磁体的磁畴发生畴壁移动和磁畴转动 ,结果导致磁体尺寸发生变化 ,上述现象称之为磁致伸缩效应 ,利用此效应可以在磁性材料中激励导波。相反 ,铁磁体在导波的作用下发生畴壁移动和磁畴转动会引起材料磁场发生变化 ,称之为磁致伸缩逆效应。

3　设计方案

       根据铁磁性材料的磁致伸缩特性 ,本文提出一种用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器。该传感器分为激励和接收两部分 ,由镍带、8字型线圈以及永磁铁组成。由于被测板结构是非铁磁性的 ,不具有磁致伸缩特性 , 因此 , 在铝板上粘贴一条镍带做为‘媒介 ’。两块永磁铁产生一个恒定偏置磁场对镍带进行磁化。当给线圈一个时变激励时 ,相应的线圈产生一个时变磁场 ,由磁致伸缩效应 ,镍带发生变形 ,再耦合到被测板中 ,从而在板中产生导波。波在板中传播 ,遇缺陷或者边界反射 ,反射回来的导波到达传感器接收部分时 ,由逆磁致伸缩效应 ,导致接收部分镍带磁场发生变化 ,从而使得通过接收线圈的磁通量发生变化 ,由法拉第效应 ,接收线圈中产生电压。接收到的电压信号反映出导波的反射情况 ,又已知波在板中的传播速度 ,便可以计算出损伤所在位置。

        另一方面 ,已有的研究成果已经证明在对铁磁性材料施加一个时变磁场和一个恒定偏置磁场 , 2个磁场的方向不同将产生不同波型的导波 。当永磁铁提供的偏置磁场与线圈提供的时变磁场相互垂直时 ,传感器在板中激励 SH 波 ; 当两磁场相互平行时 ,传感器在板中激励 Lamb波。

4实验

4.1实验装置

       实验分为 3个部分 ,首先 ,利用 SH型磁致伸缩传感器在板中激励导波 ,并检测损伤位置 ;其次 ,在不同的中心频率激励下 ,利用 SH型传感器在板中激励导波 ,验证此导波为 SH波 ;最后 ,验证分析改变恒定偏置磁场与时变磁场的方向 ,从而改变传感器在板中激励的波型。实验中 ,被测对象为一块铝板 ,长为 500mm,宽为 200mm,厚为 3mm。镍带厚度为 0. 15mm,长为 25mm,宽为 8mm,用 AB胶粘贴在铝板上。两块钕铁硼永磁铁提供恒定偏置磁场 ,由漆包铜线绕成 8字型线圈提供一个时变磁场。传感器激励部分与接收部分距离 175mm。先对无裂缝的铝板进行实验 ,再在铝板上设置一裂缝 ,裂缝设置在距离板右边缘 150 mm处 ,对称于中轴线长 30mm,宽 0. 5mm,深 3mm。实验使用的仪器设备主要有 N I PX I—5412信号发射卡、K—H Model 7602功率放大器、Tektronix TDS3012示波器以及计算机。

4.2实验结果及分析

        首先 ,利用 SH型磁致伸缩传感器 对无缺陷铝板进行实验 , 激励信号中心频率为 100 kHz。无缺陷时接收到信号 ,信号 A为导波从传感器激励部分发出 ,第一次到达接收部分时线圈接收到的信号。信号 B为导波继续在板中传播 ,遇板右边缘反射回来到达接收线圈所接收到的信号。可以看出 : 2个信号之间的时间间隔为 200μs,这一时间是导波从接收线圈到达铝板右边缘再反射回来的往返时间 , 又已知该段往返距离为600mm,因此 ,可以计算出导波在该铝板中传播的速度为3 000m / s。在铝板上设置裂缝后测得的结果可以看出 :裂缝信号与铝板右边缘反射信号之间的时间间隔为 100. 4μs,又已知波在该铝板中的传播速度为3 000m / s,因此 ,可计算出裂缝距离铝板右边缘的距离为3 000 ×100. 4 ×10 - 3 /2 = 150. 6mm,与实际情况 (150mm)基本符合 ,误差为 0. 4 %。

       中心频率分别为 50, 100, 150, 200 kHz时 ,利用 SH型磁致伸缩传感器对设置裂缝后的铝板进行检测接收到的信号。各检测结果中 ,第一个信号为从传感器激励部分发射的导波首次到达传感器接收部分时接收到的信号 ,它与激励信号之间的时间间隔依次为 57. 1, 58. 3, 58. 9, 59. 5μs。又已知传感器激励部分与接收部分之间的距离为175mm,由此可计算各频率下 ,该导波在板中传播的速度分别为 3 064, 3 000, 2 971, 2 941m / s。可以看出 :该导波随着频率的变化速度无明显变化 ,可以判断该导波为无频散的最低阶 SH波 ,由此证明 :提出的 SH型磁致伸缩传感器在板中激励 SH0 波是可行的。

　利用 Lamb型磁致伸缩传感器对设置裂缝后的铝板进行检测的实验结果表明激励信号中心频率为 50 kHz。C信号为从传感器激励部分激出的导波首次到达接收线圈时接收到的信号，该段时间间隔为 82μs,又已知传感器激励部分与接收部分之间的距离为 175 mm,由此可计算出此导波在板中传播的速度为 175 ×10 - 3 / (82 ×10 - 6 ) = 2 134 m / s,对比频散曲线关系 ,可以判断出此导波为 A0 模态的Lamb波。另外 ,图中 D信号为裂缝反射信号 ,它与 C信号之间的时间间隔为 117μs,由此 ,可计算出裂缝与接收线圈之间的距离为 125 mm,与实际情况 ( 150 mm )有 17 %的误差。Lamb型传感器检测结果不如 SH型传感器清晰 ,初步考虑如下 3个因素 : 1)在 50 kHz时 Lamb波存在 A0 和 S0 2种模态的波型 ,导致信号出现叠加 ; 2)传感器除激励Lamb波外 ,还有部分 SH波产生 ; 3)激励出的 Lamb波传播方向并非完全沿一个方向传播 ,从而会出现板其他边缘的反射信号。这些问题还有待进一步探讨。

5　结 　论

       本文基于材料的磁致伸缩特性 ,设计运用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器。实验结果证明 :该传感器可在板中激励和接收导波 ,从而探测出缺陷所在位置 ;改变恒定偏置磁场与时变磁场的方向 ,传感器在板中激励的波型不同。由于该传感器利用的是材料的磁特性 ,因此 ,可以将传感器中线圈及永磁铁提离被测结构一定距离 ,即该传感器具有非接触性的优点 ,这便于对被测构件处于高温或者运动中等情况进行测量。另外 ,该传感器还具有成本低廉、制作简单、灵敏度高等优点。当然 ,该传感器还存在一些需要进一步探讨和改进的地方 ,如 ,传感器所激励出的导波传播方向单一 ,在检测未知缺陷时 ,需改变传感器放置方向来探测缺陷所在位置 ,因此 ,需进一步改进传感器设计 ,从而能方便地在各个方向上激励导波。





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