基于磁致伸縮效應的超聲應力波傳感器設計與完善

吳蓉蓉

摘 要：運用超聲應力波多結構的破損進行檢測，其效率比較高，而且精確度高，是一種新型的檢測技術。最近這幾年，運用磁鐵材料的伸縮性特點，支撐了一種能哦股將超聲應力波接收的傳感器，這種傳感器能夠進行磁致伸縮，而且其結構并不復雜，價格比較實惠，能夠進行非接觸型檢測，因此，得到了廣泛地應用。本文通過對磁鐵材料的伸縮性特點進行分析，從而能夠運用此貼性的板結構進行損傷的檢測，確保傳感器的實用性。

關鍵詞：磁致伸縮；傳感器；超聲應力波；結構健康檢測；優化設計

運用超聲應力波的方法進行檢測，實現了一種健康的檢測方法，這種方法能夠迅速地找到損傷的部位，現在，在壓電材料的檢測中得到了廣泛地使用，而且，壓電材料也具有極強的接收超聲應力波的能力，磁鐵的磁致伸縮特點還是比較顯著的，制成的磁致伸縮傳感器的結構不復雜，而且應用效果比較好。本文通過對磁致伸縮傳感器進行研究，在此基礎上，設計一種精確檢測的磁致伸縮傳感器。

1 磁致伸縮傳感器的設計原理

磁致伸縮這類現象發生的機理在于磁鐵的特點，在上個世紀，Joule發現當磁鐵材料不置于磁場中的時候，其尺寸會發生變化，其長度會沿著磁力線發生延長或者收縮的現象，這種現象被稱為磁力伸縮現象。在極化環境中，磁鐵的晶體會受到外界的反應，就會發生一系列的應變反應，這類應變反應會使磁鐵的內部形成一個強大的磁場，這類應變反應與磁致伸縮效應的互逆的。應力波在傳播的過程中，由于傳播的介質不同，所以，應力波的傳播環境是比較復雜的，其在傳播的過程中會呈現出彌散性特點，通過模態的轉換，在不同程度的損傷之間都能夠互相作用。最低階的應力波在傳輸的過程中是不具備彌散性的，所以，在進行無損檢測的過程中，一般也會采用最低階的應力波。

在對一個薄板結構進行無損檢測的過程中，一般就會借助其不會產生外界應力的特點，按照磁致伸縮的效應，能夠分析出薄板結構的磁致伸縮的應力分量以及彈性剛度系數。

2 設計方案

在對磁致伸縮傳感器進行設計的過程中，應該本著簡單和實用性的原則，可以運用一塊非磁鐵性的板結構進行健康檢測，制作的傳感器應該分成激勵與接收兩個部分，這兩個部分的結構差異不大，而且制作的材料是相同的，都是由鎳帶、磁鐵和磁芯構成的，其各個部分的尺寸如圖1所示。由于薄板的結構不是磁鐵制作的，所以，其不具有磁致伸縮的特點，將一個鎳帶制成的結構作為磁致伸縮的媒介。

磁致伸縮傳感器的工作原理主要分為三個步驟：

第一個步驟為超聲應力波的產生，在傳感器的激勵部分附加一個電壓的信號時，線圈就會產生一個在鎳帶周圍的磁場，這時，按照磁鐵材料的性質，就會產生不同的磁致伸縮效應，這時，磁場具有一定的時變性特點，當磁場在鎳帶中產生變化的過程中，就會產生磁致伸縮力，在薄板中就會產生超聲應力波。

第二個步驟是超聲應力波的傳播，在這個過程中，傳感器由于激勵的原因，就會產生超聲應力波，這個應力波就會沿著薄板的結構向四周傳播。

第三個步驟是超聲應力波的接收，在這個過程中，應力波受到作用反射，到達傳感器的接收部位，這時，就會通過耦合的作用，應力波直接傳遞到鎳帶中，按照磁鐵材料會產生磁致伸縮效應，在時變的磁場中，當線圈接收到應力波時就會產生電壓。

3 相關的實驗分析

3.1 實驗所用的裝置分析

為了能夠更好地分析磁致伸縮傳感器的效果，在試驗中應該完善一套檢測系統，系統是由信號發射器、功率放大器和示波器構成的，在試驗的過程中，被測試的薄板是一塊鋁板，將傳感器與鋁板呈垂直的方向放置，傳感器與鋁板的距離控制在20厘米。在激勵的過程中，應該將傳感器與鋁板的水平方向的距離控制在10厘米，實驗的主要裝置如圖2所示。

3.2 實驗的結果分析

在試驗的過程中，激勵信號的中心頻率是發生變化的，其范圍能夠控制在100-300赫茲，其頻率的間隔為50赫茲，激勵信號的幅值差異忽略不計。在200赫茲的激勵下，在磁致伸縮傳感器的作用下，還是能夠接收到時域信號的，在對接收的信號進行處理時，采用應力波的方式，將信號轉化成小波分析，分析信號在時域中的范圍，其結果如圖3所示。在圖3中可以看出，接收到的信號的頻率與激勵信號的頻率是能夠契合在一起的，通過對小波的相關的理論進行分析，可以看出，在不同的頻率上，都能夠達到小波的峰值，所以，通過對傳感器激勵部分和鋁板邊界的距離進行分析，就能夠得到應力波的傳播速率。在相同頻率的應力波的激勵中，能夠得到應力波的傳輸速度。

4 損傷檢測

為了能夠更好的進行磁致伸縮傳感器在結構檢測中的實用性，在滿足試驗條件的前提下，對一塊具有損傷的鋁板進行分析，從而能夠快速地找出鋁板的損傷位置。鋁板在左邊緣處出現了一條垂直于鋁板中軸線的裂縫，裂縫的寬度為0.6毫米，深度為3毫米，長度為30毫米。在運用傳感器的激勵部分的時候，將傳感器與鋁板的中軸線垂直放置，在試驗的過程中，運用調解正弦的方法，對電壓信號進行分析，從而能夠得到中心頻率。

5 優化設計

在對傳感器進行優化設計的目的在于完善傳感器的作用，在傳感器產生磁致伸縮效應的過程中，能夠在結構中形成應力，傳感器中的垂直方向會產生偏振問題，在水平方向會有應力波傳遞，而且傳遞的是最低階的應力波。所以，要提高傳感器運行的效率，就要提高應力波運行的幅值，按照電磁學的相關的原理，可以設計鐵磁芯，從而運用鎳帶，使水平方向的磁感應強度達到最大值。

6 結語

本文通過對磁致伸縮的特點進行分析，然后對鋁板進行損傷檢測的實驗，通過理論和實踐角度的分析，可以看出傳感器的效果比較好，能夠準確而快速地找出鋁板損傷產生的部位，而且應用成本低。

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