兆赫兹纵向模态磁致伸缩传感器的设计及其在钢绞线中的试验研究*

兆赫兹纵向模态磁致伸缩传感器的设计及其在钢绞线中的试验研究*

作者：吴  斌   刘秀成   何存富

 

 

 

 

       磁致伸缩传感器(Magnetostrictive sensor, MsS)是超声导波技术中常用的传感器之一。相比压电传感器，MsS 具有非接触式检测等特点，它被广泛研究并应用于特殊工况条件下的无损检测，如带保温层的蒸汽管道检测[1]和具有特殊表面的钢绞线中的缺陷检测[2]。 目前发展的 MsS 主要通过在被测对象中激励出纵向模态和扭转模态(主要为T(0,1) 模态)的超声导波，对被测对象进行无损检测。T(0,1) 模态超声导波具有非频散特性和不受管道内部充液影响等特点，适用于管道缺陷检测。KWUN 等[3-4]利用镍带作为换能器，在管道中激励出不同频率的T(0,1) 模态超声导波。但镍带难以卷曲安装于具有特殊螺旋表面的钢绞线上，在钢绞线中激励出T(0,1) 模态超声导波具有相当的难度。

       目前对钢绞线的检测都采用纵向模态 MsS，在钢绞线中激励出低频L(0,1) 模态导波对其进行检测。XU 等[5]和刘增华等[6-7]分别利用 MsS 在 7 芯钢绞线中激励出 70 kHz 和 160 kHz，L(0,1) 模态导波用于缺陷检测。DI-SCALEA 等[2]利用三段线圈式MsS 在 7 芯钢绞线中激励出 320 kHz，L(0,1) 模态导波。国内外已经报道的L(0,1) 模态 MsS 最高工作频率不超过 350 kHz。 

       虽然低频导波在钢绞线中的能量衰减率较小，可传播距离较远，但当检测中要求更高的轴向检测分辨率以及提高对小缺陷的检测灵敏度时，则需要发展可激励出兆赫兹超声导波的 MsS。 

       MsS 的中心频率等性能主要由感应线圈的结构参数控制。本文在分析多段式感应线圈工作原理的基础上，提出简明的理论依据，指导用于激励兆赫兹超声导波的感应线圈结构参数设计，并对结构参数进行优化选择，设计出一种基于柔性印刷蛇形线圈(Flexible printed meander coil, FPMC)的 MsS，其易折叠并可卷曲贴覆在 7 芯钢绞线表面，并在其中激励出兆赫兹纵向模态超声导波。

1  多段线圈式纵向模态 MsS 

       为提高感应线圈激励和接收超声导波的能量，KWUN 等[8]最先提出三段式线圈结构并用于 MsS。在钢绞线中激励纵向模态超声导波的三段线圈式MsS，包括静态偏置磁场磁路和感应线圈。

       若感应线圈中通入一定频率的脉冲交流信号时，将在钢索内部形成动磁场。当该动磁场与静态偏置磁场在钢绞线中形成的静磁场方向都沿钢绞线轴向时，由磁致伸缩效应可知，MsS 可在钢绞线中激励出纵向模态导波。由逆磁致伸缩效应可知，超声导波引起接收传感器感应线圈内部磁通量的变化，从而以电压信号方式输出至采集电路。

       但段数M 的增加，也会导致线圈阻抗的增大，影响功率放大器输出到线圈的功率，因此在不影响功率放大器输出功率的条件下，可增加线圈段数M ，以提高多段式线圈激励出的超声导波能量。 由于兆赫兹超声导波的能量衰减率较大，为使其能在钢绞线中传播距离更远，需要提高兆赫兹MsS 激励和接收超声导波能量的能力。由上述分析可知，适当增加线圈的段数M 和单位长度内的线圈匝数n ，可提高 MsS 激励超声导波的能量，以使MsS 可检测更长距离的钢绞线。 

2  多段线圈频率特征参数设计 

       多段线圈式 MsS 基于信号叠加原理，增强激励信号幅值的同时，还可抑制噪声信号。其最重要的频率特征参数为相邻两段线圈的间距d ，d 应等于传感器中心频率点对应的超声导波半波长值。为设计兆赫兹纵向模态 MsS，首先分析钢绞线中各纵向模态导波的频散曲线 =Ff(,)v，其中 f 为超声导波频率，v 为对应的超声导波相速度或群速度。计算所设计中心频率对应的半波长值，用于确定多段线圈的频率特征参数d 。 

       本文中使用的试验对象为 7 芯钢绞线，它由 6根直径为6.0 mm 的螺旋钢线围绕直径为6.3 mm 的中心钢线捻制而成，捻角为 7.86°。TREYSSÈDE    等[9]指出，当自由状态下的螺旋钢线具有较小的捻角 (如 7.86°)，在低频范围(小于 500 kHz)其频散曲线与等直径细直钢杆中的频散曲线差别很小。因此，可利用等效直径细直杆模型分析得出螺旋钢线的频散曲线，获取中心频率点对应的半波长值，指导MsS 感应线圈频率特征参数d 的设计。为使所设计的 MsS 能在钢绞线中激励出兆赫兹纵向模态超声导波，选择多段线圈中相邻两段线圈的间距值d =1.20 mm 。由此，该多段式线圈的中心频率在 1.20 MHz 附近。 

.3  柔性印刷蛇形线圈设计 

       多段式线圈用于兆赫兹 MsS 时，由于相邻两段线圈的间距d 较小(如d =1.20 mm )，采用图 1 所示套筒式结构，每段线圈内部可以绕制的电线匝数有限，限制了 MsS 可激励和接收的超声导波能量。 

       本文已经设计出基于柔性印刷线圈(Flexible printed coil, FPC)的 MsS[11]，相比传统的套筒式线圈结构，FPC 具有以下优势。 

(1) FPC 通过连接器将自身锁固后安装于钢绞线表面，可方便安装于钢绞线表面并从其上拆除，适用于实际工程检测。

(2) 柔性印刷电路技术具有微米级的尺寸精度   ，印制的线圈对 MsS 中心频率的控制更为精确。 

        FPC 仍沿用三段式感应线圈结构，只适用于低频 MsS。即便通过缩减间距d 和增加线圈段数(如M = 20 )实现兆赫兹超声导波的激励和接收，但需要使用大数量(如M = 20 )的连接器将 FPC 内部所有铜线进行串接，对连接器的质量要求严格，连接器中任一针脚破损都会导致 MsS 无法正常工作。 为设计可在钢绞线中激励出兆赫兹纵向模态超声导波的 MsS，采用 FPMC 代替 FPC。蛇形布线方式可增加线圈段数M ，提高传感器激励和接收超声导波的能量，且该 FPMC 无须使用连接器，可延长其使用寿命。

        当用于兆赫兹纵向模态MsS 的多段式线圈的频率特征参数d 确定后，还需要确定其线圈段数M 和单位长度内(以d =1.20 mm计算)的线圈匝数n ，其线圈宽度b 随线圈段数M 和特征参数d 而确定。 为选择合适的线圈段数M ，依照多段式线圈对导波信号的叠加效应，进行信号仿真以分析段数M对导波信号叠加效应的影响。M = 40 的多段式线圈工作在 1.20 MHz，激励信号为 10 周期，经汉宁窗调制的正弦波时，某一时刻各段线圈激励出的超声导波(幅度为A )在钢绞线中传播的形态，各段线圈的编号 m=1, 2, …, 40，相邻两段线圈的间距d 为导波的半波长。各段线圈激励的导波将向两侧传播，传播一定距离后产生相互叠加。图 3b 给出了M 分别为 4、8 和20 时的信号叠加结果。可以看出，随着段数M 的增加，叠加信号的幅度不断增加，也即激励的超声导波能量增加。

        在实际检测中，为获取更高的超声导波激励能量，还可通过增加激励信号中调制正弦波的周期数C 实现。图 4 给出了当C 从 10 以步长为 2 增加至20 时，不同线圈段数M 与线圈对原始超声导波信号(幅度为 A )放大倍数的关系曲线。可以看出，当使用固定激励周期数C 时，随着线圈段数M 的增加，其对原始信号的放大倍数不断增加，当M = 2C时，叠加效应达到最大，可对原始信号放大C 倍。如经汉宁窗调制的正弦波的周期数C =10 ，当线圈段数增加至M ≥ 30 时，叠加效应可将超声导波能量放大至10A，为单个线圈激励能量的 10 倍。当叠加效应达到最大时，增加激励信号的周期数，可提高传感器激励超声导波的能量。

       因此，激励线圈段数M 的选择应参考激励信号的周期数C ，在线圈阻抗不影响功率放大器输出功率的前提下，应尽量选择线圈段数M ≥ 2C 。 从对激励线圈叠加效应的分析中获取的规律同样适用于接收传感器线圈。只是由于激励线圈的叠加作用会使超声导波信号的周期数增加，如采用C =10 ，M = 20 时，叠加后周期数变为C′ =15 ，此时接收线圈的段数应选择M ≥ 2C′ ，即M ≥ 30 。综上可知，本文设计的柔性印刷蛇形线圈具有线圈段数 M = 36 ，以确保激励信号的周期数为C =10 时，激励和接收线圈对信号的叠加效应都达到最大。蛇形线圈印制于厚度为 0.16 mm 的柔性基板上，与中心频率相关的特征参数d =1.20 mm ，每段线圈内部包含 7 根铜线(线宽 76.2 μm，线距 152.4 μm)。该柔性印刷线圈可卷曲一次贴覆在钢绞线表面，在其中激励出纵向模态超声导波。

4  FPMC 式 MsS 的试验研究 

       为测试FPMC在钢绞线中激励纵向模态超声导波的性能，搭建如图 6a 所示的试验系统。Agilent 33250a 任意函数发生器输出 10 周期经汉宁窗调制的正弦波，经过 Ritec RPR-4000 型脉冲激励/接收仪放大后输入 FPMC，在钢绞线中激励出纵向模态超声导波。传感器工作在 Pulse-Echo 模式，接收信号经过带通滤波器(250 kHz～2.5 MHz)处理，放大 60 dB 后被 Tektronix TDS3034 型数字示波器平均 512次，以 100 MHz 的采样率采集。 

       试验中使用的钢绞线长 1.0 m，传感器安装于距离钢绞线右端面 300 mm 处。激励传感器激励的超声导波将向两侧传播，右端面和左端面的回波信号分别传播600 mm 和1 400 mm后被传感器接收。

       传感器工作在1.20 MHz 时接收的原始时域信号，其中右端面回波中可观察到两个波包。对该时域信号做时频分析的结果如图 7b 所示。依据右端面回波传播距离(600 mm)，计算图 2 中频散曲线上各频率点所需的传播时间，绘制于图 7b 中。从图 7b 可以看出，接收的信号能量主要集中在 1.20 MHz 附近带宽内，证明基于 FPMC 的 MsS 可在钢绞线中激励和接收兆赫兹纵向模态超声导波。

       对右端面回波中后出现波包的时频分析结果与图 2 中L(0,1) 模态的频散曲线有很好的对应。由于时域信号中该波包的幅值最大，表明 MsS 工作在 1.20 MHz 时，在钢绞线中激励的超声导波能量主要集中于L(0,1) 模态。 

       利用等效直径细直杆模型计算钢绞线中L(0,3) 模态的群速度时，不论是中心钢线还是螺旋钢线的计算结果都与试验结果存在误差。在 f =1.20 MHz 时，等效直径细直杆模型计算钢绞线中L(0,3) 模态的群速度时将引入至少 9.51%的误差。

       对扫频试验所采集信号中的右端面回波波包能量E 进行计算，归一化处理后。可以看出，该 FMPC 式 MsS 的中心频率在 1.20 MHz 左右，与设计的传感器中心频率相吻合。依照 3 dB 带宽的定义，该传感器的带宽大概为 120 kHz 左右。 

       综上可知，基于优化结构参数的 FPMC 式 MsS可以在钢绞线中激励出兆赫兹纵向模态超声导波。

5  结论 

       本文基于柔性电路印刷技术，制作出多段式柔性印刷蛇形线圈用于 MsS，在 7 芯钢绞线中激励出兆光赫兹纵向模态超声导波，扩展了 MsS 的工作频率范围。

(1) 通过分析钢绞线中超声导波的传播特性和多段式线圈结构参数对信号叠加效应的影响规律，设计出具有优化结构参数(包括与中心频率相关的特征参数d ，线圈段数M 等)的 FPMC。 

(2) 试验结果表明，FPMC 式 MsS 可在 7 芯钢绞线中激励出兆赫兹纵向模态超声导波，且其中心频率在 1.20 MHz 附近，与设计中心频率吻合。 

(3) 对试验信号的时频分析结果表明，在 1.20 MHz 附近，等效直径细直杆模型适用于对钢绞线中L(0,1) 模态的频散曲线求解，用于L(0, 3) 模态时存在误差。

(4) 相比传统的套筒式螺线管线圈，FPMC 因其具有柔性可卷曲的特点，易于安装在检测对象表面和从检测对象上拆除，更适合实际工程检测。

       FPMC 具有优于套筒式螺线管线圈的性能，如对中心频率的精确控制，质量轻便和拆装容易等。但利用FPMC式MsS在钢绞线中激励出兆赫兹纵向模态超声导波时，对激励导波模态的控制以及传感器对缺陷的检测灵敏度仍值得进一步研究。

 

 

 

 

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