周向局部加载型磁致伸缩传感器导波特性

周向局部加载型磁致伸缩传感器导波特性
作者：陈乐 王悦民 耿海泉 叶伟 邓文力





        基于磁致伸缩效应的导波传感器可以在铁磁性材料上激发和接收超声导波，与压电超声相比，该技术可以更方便地激发纵波、扭转波等多种类型的导波，且具有非接触的特点，因而受到了越来越多的关注。国内外学者大多关注轴对称加载型的导波，通过激发出的轴对称型纵向导波或扭转导波 进行检测 ，但是这类导波忽略了被测管道的周向信息，不能确定缺陷的圆周位置。要获取被测管道的圆周信息，必须利用非轴对称的周向局部加载型传感器来产生并接收非轴对称模态导波。 研究周向局部加载型传感器特性，首先要从激励源对导波模态的影响展开研究。而简正模态展开法可以给出导波激励问题的物理解释，具有直观的物理意义，是一种研究波源影响的有效方法。本文在分析了磁致伸缩导波机理的基础上，利用NME法研究了磁致伸缩传感器在周向局部激励时的导波模态特征，得到了各模态幅值周向分布了随传播距离的变化规律，最后通过实验验证了理论分析的正确性，为惯导缺陷的周向定位提提供了理论依据。

1 周向局部加载型磁致伸缩导波理论

1.1导波机理研究

磁致伸缩力产生于铁磁性材料中，对于非导磁材料或弱导磁材料， 一 般需要在被测材料表面粘贴高导磁材料（如铁钻合金）的条带，作为磁致伸缩导波产生和接收的载体。

周向局部加载型导波传感器没有在管道整个圆周布置线圈，而只是覆盖 一 定周向角度。条带沿轴向预先磁化，与载流导线产生的动态磁场方向平行，可在导波产生和接收过程中提供一 个稳定的偏置磁场。铁钻条带在磁致伸缩效应的影响下，在表面产生与激励电流同频率的振动，该振动随后被传递给待测管道，产生超声导波。

磁致伸缩力一般是非线性变化的，与材料属性、应力状态、表面条件和之前受到的磁场-机械载荷等因素有关。但较小的动态磁场加在较大的偏置磁场上，使得磁场变化量很小，因此可将磁致伸缩力看作是在线性区间内变化的。

1.2 导波模态分析

利用NME法对导波模态进行分析，研究磁致伸缩表面力对导波能量周向分布的影响。磁致伸缩力主要是沿轴向分布的，因此导波传播时速度场和应力场的轴向分量最大。

2、周向局部加载型磁致伸缩传感器实验研究

2.1 实验设置

实验钢管外径为159 mm, 壁厚4.5 mm, 长度6 m, 管道材质为20#钢，密度为7 800 kg/m3 , 弹性模量为210 GPa, 泊松比为0.3。激励线圈周向覆盖角度为45 '轴向长度为50 mm,激励频率为91 kHz, 可激发出沿轴向传播的导波。接收线圈由8个独立通道组成，每个通道线圈周向角度为45 °，通道 1 的线圈与激励线圈处千同一母线上，距离激励线圈轴向距离为4m。

2.2 实验结果

由NME法分析可知，在周向局部加载时，可激发出轴对称和非轴对称型导波。由图3可见，在91 kHz时，L (0 ,2)和F(l ,3)模态相速度和群速度相近，而与其他模态的速度相差很大，在时域图中L(0,2)和F0,3)会形成一个波包进行传播。因此，在计算周向特征分布时，只考虑L(0,2)+F0,3)模态组合形式，即M=O和1。

8通道传感器接收到的时域信号。由频散曲线中的群速度可知，左侧虚线框中的波包对应L(0,2)+F0,3)模态导波传播4m时的信号，右侧虚线框中的波包对应L(0,2)+F0,3)模态导波传播8m时的信号。4m处波包和8m处波包幅值与理论曲线的对比，可见理论能量分布曲线和实测信号幅值周向分布较为吻合。

将激励线圈中心位置记为0 0。导波传播4m后，0 0位置对应的信号能量最小，而180°位置对应的信号最大，即此时能量聚焦于180°处。导波传播8m后，0 0位置对应的信号能量最大，180 °位置对应的信号最小，即此时能量聚焦千处。

理论值和实测值存在一定误差，这主要是由于接收传感器数量较少，而且传感器粘贴时存在一定误差造成的。

3、结论

本文对周向局部加载型磁致伸缩传感器进行了研究。通过理论和实验证明：此类传感器可以激发出轴对称和非轴对称模态导波，随着导波在管道中传播，导波能量聚焦在不同的周向角度上，该聚焦点的周向位置与传播距离有关。当导波遇到缺陷发生反射时，可以将缺陷反射的导波信号等效为此类型的激励传感器激发的导波信号，根据导波传播特性即可对缺陷进行周向定位。







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