纵向导波磁致伸缩传感器信号检测的实验研究

纵向导波磁致伸缩传感器信号检测的实验研究
作者：沈立华；王悦民；范春利；孙丰瑞





       基于磁致伸缩效应导波无损检测技术是一种新兴的数字化无损检测新技术 ,由于导波具有传播距离远、速度快和可检测整个壁厚等优点 ,因此在铁磁性材料特别是管道的无损检测中有着巨大的应用潜力 ,近年来引起了国内外学者的关注和研究 . 传感器是该技术中的重要组成部分 ,导波的激励以及导波信号的检测都是利用磁致伸缩传感器完成的 ,本文通过对钢管进行缺陷检测实验分析了激励纵向导波的磁致伸缩传感器.

1 　传感器基本原理

       铁磁体在外磁场中被磁化时 ,其外型尺寸会发生变化 ,即产生磁致伸缩应变 ,从而在铁磁体内激发应力波 ,亦可称为弹性导波. 反过来 ,铁磁体在受到磁致伸缩的激励力的作用下 ,其磁性将发生变化 ,即导致铁磁体的磁导率或磁阻的变化 ,从而引起导波的反射、透射等. 导波在传播过程中 ,铁磁体内各部分均发生变化 ,与此相应 ,其磁导率也将发生变化 ,它反过来使波的传播特性也发生变化 ,把这种影响称为应变效应 ,进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化 ,根据法拉第电磁感应定律 ,所变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化 ,通过测量电压信号 —导波的反射情况 ,即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹、破损等缺陷. 这就是磁致伸缩效应在无损检测中应用的机理. 导波的激励、导波信号检测以及铁磁体的磁化通过磁致伸缩传感器实现. 为实现各部分的功能该传感器由激励传感器、偏置磁场、接收传感器三部分组成. 导波在管道轴向传播时具有纵向 (Longit udinal) 模态 L ( 0 , m) 、扭转(torisonal) 模态 T (0 , m) 和弯曲 (flexural) 模态 F (n ,m) . 各种类型模态导波的激励的方法不同从而造成磁致伸缩传感器的类型不同 ,本文以纵向导波传感器为研究对象. 偏置磁场是在磁化线圈中产生的 ,它有两个作用 : ①增强传感器的效率 ,即电能转换为机械能以及机械能转换为电能的效率 ; ②使电信号的频率与机械波的频率保持一致 . 当偏置磁场与激励线圈产生的磁场方向平行时 ,在管道中产生的导波为纵向导波.

       导波在管道中传播时 , 由于磁致伸缩逆效应引起了钢管中磁感应强度变化 , 在接收传感器引起了螺线管中磁通量的变化 ,根据电磁感应定律 ,该变化在线圈中产生电流 , 螺线管两端的电压信号即为导波信号. 

2、实验设计与分析

2.1试验设计

       实验对象为长度相同的Φ38 mm 钢管两根 ,长导波时静态偏置磁场应与圆管轴向 z 方向平行 , 则径向和周向的磁化强度为零 , 所以磁致伸缩力只有轴向方向.

       弹性导波在圆管中传播时 ,存在频散特性 ,即不同的频率成分以不同的速度传播. 由于频散效应导波传播一定距离后时域波形发生变化 ,即信号的时域宽度增加幅值减小. 利用数值模拟的方法可以计算在钢管中传播时不同频率、模态导波的频散曲线 ,管径为φ38mm的钢管中导播传播时关于群速度和相速度的频散曲线，曲线越趋近于水平处频散越小，越适合于钢管监测中缺陷信号的识别。

2.2实验结果

       利用磁致伸缩传感器激励并通过其接收到的导波信号 ,激励频率分别为 f = 20 k Hz、33 k Hz、40 k Hz、50 k Hz 和 70 k Hz. 曲线图可以得到其中 20 k Hz 和 33 k Hz 时导波的频散现象不明显 ,而其他频率时的波形频散比较严重 ,符合以上数值计算结果.根据以上数值计算和实验结果选择频率为 20 k Hz、33 k Hz 激励导波 ,对带有缺陷的钢管实验检测. 通过磁致伸缩传感器接收到的波形图可以非常明显地判断出缺陷信号. 

3 　结论

       传感器的设计优化是基于磁致伸缩效应导波无损检测的关键技术之一 ,传感器的优劣直接影响着检测结果. 本文分析了纵向导波磁致伸缩传感器的基本原理 ,通过实验对两种管道进行了检测 ,实验结果和数值模拟分析相一致 ,选择频散效应小的频率导波检测存在缺陷管道时 ,缺陷信号比较明显. 以上表明该型传感器在检测中是可行的.






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