磁致伸缩与磁弹一体化传感器的研制

磁致伸缩与磁弹一体化传感器的研制

刘秀成 吴斌何存富

 

 

 

 

 

        基于铁磁性材料的磁致伸缩与磁弹效应， 已发展出多种形式的传感器技术， 用千不同结构的缺陷检测与应力测量等。KW口寸等[I]研制出磁致伸缩传感器， 基千超声导波技术对斜拉索、 描杆等波导结构进行缺陷检测； 刘增华等[2]利用纵向模态磁致伸缩传感器对7芯钢绞线进行了缺陷检测试验研究。为实现低碳钢丝的应力测量，KVASNICA等[3]设计出线圈式磁弹传感器，用于试验分析拉应力对材料磁滞回线的影响规律。SUMITRO等[4]提出了局部磁滞回线测量技术，以提高磁弹应力测量方法的稳定性。国内，姜建山等[5]研制出具有旁路励磁结构的磁弹传感器用千钢索应力测猛。上述传感器大多只能进行单一的缺陷检测或 单一的应力测品，要同时获取被测结构的应力状态和缺陷信息，必须采用组合传感技术，不仅增加检 测成本且实施复杂。发展功能集成的单体传感器一 直是无损检测领域的热点之一。例如XU等[6]设计出一种混合传感器，可基丁漏磁与超声导波技术实现[7]斜拉桥索的缺陷检测。WICHMAN等 利用磁弹传 感器对箱梁桥中的预应力钢绞线进行了应力监测，并通过测撮磁导率、磁感应强度等参数变化的方法 实现对局部腐蚀缺陷的检测。

       本文研制出一款找磁致伸缩与磁弹传感器共 同结构的一体化传感器，具备缺陷与应力检测的双功能。首先，基千磁致伸缩与磁弹基本理论，对一 体化传感器的静态偏置磁场进行优化选取并提供一 种补偿方案；其次，将研制的一体化传感器用千钢杆缺陷与应力检测试验研究，以测试一体化传感器 的检测性能。

1 一体化传感器结构和工作原理

       用千在钢杆等波导结构中激励产生纵向模态 超声导波的磁致伸缩传感器一般包括静态偏置磁路 和感应线圈。偏詈磁路提供的静磁场方向应与钢杆 轴向一致，并与感应线圆形成的动磁场方向平行。

        磁弹传感器的偏凳磁路同样用千提供沿钢杆 轴向分布的磁场，只是一般采用内、外两个感应线 圈。外层线圆中通入交变电流以对材料施加动磁场扰动t,,.H, 内层线匮的感应电动势反映出材料内部磁 感应强度的变化/t,,.B, 由此计算得出材料磁导率µ=战／凶九

        上述两种传感器的土体结构基本相同，可集今为一体化结构，以使单体传感器工作于双模式且具 备应力与缺陷检测的双功能。阳l为本文所设计 的一体化传感器结构，主要包括偏置磁路与内、外 层感应线圈。偏置磁路由辄铁、套环和永磁体等 构成。

       一体化传感器涉及磁致伸缩与磁弹两种工作 模式，要实现检测功能集成和检测性能的提升，应 主要解决以下两方面难题：＠工作参数耦合与优 化。 一体化传感器工作千两种模式时需要共用偏栗 磁场，内、外层线图的功能也需要进行切换。应对 传感器涉及的参数耦合等问题进行分析并确定优化 指标；＠可实现一体化传感器激励与接收的集成装 置研制。

        本文根据磁致伸缩与磁弹效应的基本理论，主 要针对一体化传感器的静态偏置磁场优化选取进行 研究。一体化传感器的静态偏置磁场强度进行优化选取时，必须同时考虑传感器的能量转换效率Q与应力测批灵敏度队值得注意的是，当休化传感器工作千磁致伸缩传感器模式时，若在外 层线圈中通入直流，可提供附加静磁场对静态偏置磁场强度进行补偿以调整能量转换效率。

2 偏置磁场仿真与参数优化

       本文选取的测试对象为直径6.3mm的钢杆，钢 杆材料采用60SiMnA钢材进行模拟。阳2为60SiMnA钢材的B-H曲线。依据计算不同外加磁场强度下能量转换效率Q与应力测量灵敏度。为进行对比，还绘出相对磁导率µ,随磁 场强度H变化的分布曲线。可以看出，应力测量灵敏度与相对磁导率的变化趋势基本致。在最大相 对磁导率对应的磁场强度H=l920A• m-1处，应力测噩灵敏度最大而能掀转换效率较低。当磁场强度 H>l 920A• m-1时，随着磁场强度的增加，能量转 换效率不断上升而测蜇灵敏度呈下降趋势。两条表图3传感器性能表征参数变化曲线征曲线相交点的磁场强度约为Hy=3800A•m一l。在该点处，一体化传感器既保待较高的应力测量灵敏 度又具有较高的能批转换效率。

        在H<凡区间内，一体化传感器的应力测量灵敏 度较高而能最转换效率偏低，但利用外层线圈的偏置磁场补偿作用仍可实现能量转换效率的提升。因此，一体化传感器的偏置磁场强度应在H<凡区间内选取并尽噩接近。一体化传感器结构，采用AnsoftMaxwell有限元仿真软件对静态偏置磁路在钢杆中形成的磁场强度分布进行计算，以验证是否满足静 磁场优化选取原则。偏置磁路中所用套环内、外径 分别为7mm和24mm,材料为45钢。辄铁长、宽、 高分别为10mm、20mm和140mm, 材料为20号钢。永磁体为钦铁绷磁铁，其表面磁感应强度约为0.45 T。基千上述几何与材料属性参数对偏置磁路 进行三维建模，并采用AnsoftMaxwell软件的自适应网格划分算法进行网格划分。

        显示为钢杆剖面内的磁场强度分布，在靠近永磁体位置处磁场强度幅值较大。提取钢杆中轴 线的磁场强度分布曲线，绘制千图4b。当z坐标处 千区间[-20,20]范围内时，磁场强度分布较为均匀， 平均值接近H=3500 A• m-1而略小千Hy。从003所 示传感器性能表征曲线的变化趋势分析，此时测量 灵敏度相比H=Hy处的取值有所上升，但传感器的能 量转换效率略有下降，可采用外层线圈对偏置磁场进行补偿以提高体化传感器工作千磁致伸缩传感器模式时的能量转换效率。

        一体化传感器工作于磁弹模式进行磁导率测扯时，一般要求在感应线圈范围内材料的磁导率分 布均匀。由上述偏置磁场仿真结果可知，当内层线 圈轴向长度小千40mm时满足该条件。此外，为确保材料内部 磁导率沿轴向分布均匀， 除需要对偏置磁路进行优化外， 还需要对外层线圈与内层线圈的轴向宽度比值K进行优化， 以确保外层激励线圈在内层线圈长度范围内形成的动磁场也基本一致 。一般认为K习时满足均匀性条件， 本文所设计的体化传感器内、 外层线阻轴向长度分别为40mm和 120mm。通过以上静磁场和内 、 外层线圈轴向长度的优化选取， 所设计的 体化传感器既可以工作千磁致伸缩传感器桵式在钢杆中激励出纵向模态导波进行 缺陷 检测， 又可以基千磁弹法进行钢杆应力测址。

3 缺陷检测试验

       将一体化传感器工作于磁致伸缩传感器模式，在一长2m、直径6.3mm的钢杆中进行缺陷检测试验。 依据直径6.3 mm钢杆中L(O,l)模态的相速度Vp与频率几勺频散关系曲线[2],计算轴向长度L=40mm 的感应线圈对应的中心频率儿，计算结果约为 fc=0.5xv,JL=0.5x5 120(m• s-1)/40(mm)=64 kHz。一体化传感器安装千距离钢杆左端部0.5m处，距离钢杆右端面0.5m处加工一深处、宽度都为1mm的槽型缺陷。试验过程中，一体化传感器工作千Pulse-Echo模式，内层线胧的激励信号为中心频率64kHz、经汉宁窗调制的10周期正弦波。当外层线朋中的直流值I=OA时，接收的试验信 号波形如图5a所示。 传感器激励的L(0,1)模态超声导波在钢杆中将沿左右两侧传播， 先后遇到钢杆左 端面、 槽型缺陷和钢杆右端面， 产生的反射回波再被传感器先后接收。 沿钢籵左右两侧传播的超声导 波传播经过4 m后将同时被传感器接收， 形成图5 所示的叠加回波。分辨出缺陷回波信号，证明一体化一传感器可检测出钢杆中的槽型缺陷。 为进 步提高缺陷检测信号的临值， 调整驱动直流方向以使外层线圈形成的静磁场方向与偏置磁路一致，当电流I=0.75A时传感器所接收的试验信号波形明显看出，驱动直流增加时，端面回波和缺陷回波的幅值都大幅增加。

选取叠加回波波包， 以其所在时域区间内各点幅值的平方和作为波包能益E, 统计不同驱动电流作用下的波包能量。随着驱动直流的增加， 叠加回波波包能址呈上 升趋势， 也即验证了增大外加磁场强度可提高磁致 伸缩传感器激励与接收超声导波的能量转换效率， 由此提高传感器对小缺陷的检测灵敏度。上述试验测试结果表明， 一体化传感器不仅 rt 用作磁致伸缩传感器 ， 并且其静态偏置磁场强度还 可通过改变外层线圈的驱动直流而进行调整， 以进 一步提高磁致伸缩传感器的激励和接收性能。

4 应力测量试验

       为测试一体化传感器基于磁弹法进行钢杆应力测批的性能， 搭建图7所示试验装置， 采用QBD-100型微机伺服控制万能电子试验机对一长为 0.5 m的钢杆进行轴向拉伸试验。 一体化传感器的轴向中心距离钢杆下端部0.27m, 在传感器与试验机夹头所在平台间安装限位套筒， 以保证钢杆拉伸过程中一体化传感器与钢杆的相对位置不发生变化。

        在进行应力测狱试验前， 先对钢杆进行拉伸试 验以确定钢杆弹性变形阶段对应的应力区间。 图8为钢杆拉伸试验所得应力－位移曲线， AB区段为弹 性变形阶段， 磁弹应力测社试验中选取的拉伸应力 范围为0~0.96 GPa, 加载步长为64MPa。

       一体化传感器工作于磁弹传感器模式时， 永磁 体磁路在钢杆中形成静态偏置磁场用于稳定静态工 作点。 任意函数发生器输出图9a所示频率为 5 Hz 的50周期幅值呈线性衰减的正弦波信号至外层激励线圈，激励信号最大峰峰值V'.=S.2610 V. 图9b为内层线圈接收的典型信号波形，与激励信号相比， 各周期正弦波信号最大值点构成的脊线不再是直线，其中包含局部磁滞回线信息。

        当激励电压峰峰值不变时， 外层线圈在钢杆中形成的动磁场扰动tiH保待恒定， 此时材料磁导率µ由材料磁感应强度变化AfJ决定，可采用内层接收线圈的输出电压峰峰值亿进行表征。 分别提取激励信号电压峰峰值V,=4.945 3 V、 V,=2.420 1 V和 V,=0.210 4 V时一体化传感器在不同应力条件下接收信号的峰峰值亿并绘制千图10。对同 一 激励电压下测品所得数据点做线性拟 合， 拟合方程也标注千图10。 激励电压分别为 V,=4.945 3 V, V,=2.420 1 V和V.=0.210 4 V时测阰所 得数据点与拟合直线的确定系数分别为R2=0.992 4, 利用 器基千磁弹法进行钢杆应力测扯时，测量信号峰峰 值与应力间存在良好线性关系，并且随着激励电压的增加，测量结果的线性度更高。将上述拟合方程作为标定计算方程式， 在实际钢杆应力测量中， 提取出测量信号峰峰值， 代入标定方程即可计算得出实际钢杆的应力值。

当激励电压Ve=4.945 3 V时， 一体化传感器对应力的测量灵敏度胪5.559 3 mV/GPa, 远大千激励电压凡=0.2104 V时的/J=0.361 4 mV/GPa。这也表明在 一定范围内， 激励电压的峰峰值越大， 磁弹传感器 对应力的测量灵敏度越高。 总体来看， 激励电压越 高， 测量结果的线性度和应力测量灵敏度更高。

5 结论

    为实现单体传感器具备对钢杆缺陷与应力检测的双功能， 本文提出一种结构一体化传感器并将其用千钢杆缺陷检测与应力测量试验研究， 得到以下主要结论。

(1)采用能量转换效率与应力测量灵敏度计算公式， 结合偏置磁场有限元仿真方法， 可对磁致伸缩与磁弹传感器的静态偏置磁场进行优化，以适用于不同铁磁性材料结构的无损检测。

( 2) 体化传感器工作千磁致伸缩传感器模式 时， 可在直径6 .3 mm钢杆中激励出64 kHz, L(0,1) 模态超声导波并有效检测出切槽宽度和深度均为 1 mm的缺陷信号。 外层线圈中通入直流可实现对静 态偏置磁场强度的补偿， 测试结果表明传感器接收 的导波能量随外层线圈驱动直流增加而呈现近似线 性增加趋势。

(3) 体化传感器工作千磁弹传感器模式时， 传感器输出信号峰峰值与钢杆应力间存在良好线性关系。 激励电压增加时， 传感器对应力测量结果的 线性度和灵敏度增加， 线性拟合确定系数可达R2=0.9924.

 

 

 

 

 

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