基于小直徑金屬桿的磁致伸縮導波檢測傳感器設計

田少華　楊錄　張艷花　魏艷龍　王高

摘 要：通過分析磁致伸縮超聲導波檢測原理，討論了傳感器執行元件的選擇、偏置磁場的設計及線圈參數的選擇與計算。研制了兆赫茲小直徑金屬桿磁致伸縮導波檢測傳感器，實現了傳感器的小型化、高精度、高分辨率。本文研制的傳感器在脈沖激勵電流的作用下，在細桿中激發、接收L（0，1）模態超聲導波，可用于缺陷、溫度、壓力等物理量的檢測。

關鍵詞：磁致伸縮 ；小直徑；兆赫茲；L（0，1）模態

磁致伸縮導波檢測技術作為一種新興的無損檢測技術，其具有非接觸、無需耦合介質、傳播距離遠和檢測效率高的特點，被廣泛應用于接地圓鋼、工業管道，橋梁纜索等桿狀、管狀以及束狀構件的在役檢測和長期監測。國內外學者如：KWUN等和王悅民、武新軍等對管道缺陷檢測進行了理論與實驗研究；XU等和吳斌、劉增華等對鋼絞線缺陷檢測進行了理論與實驗研究。目前磁致伸縮導波檢測技術的研究大多基于大直徑桿狀、管狀金屬，很少有應用于小直徑桿及金屬絲的研究，而且磁致伸縮傳感器的工作頻率不超過400kHz，無法滿足高精度、高分辨率、狹小空間等特殊要求。

本文以小直徑（d=3mm）金屬桿為研究對象，通過導波頻散特性的計算，設計了一種工作頻率高達1M的磁致伸縮超聲波導傳感器，實現了傳感器小型化、高精度、高分辨率。

1 磁致伸縮導波檢測原理

如圖1，超聲信號的激勵是基于磁致伸縮效應，接收是基于磁致伸縮逆效應。當交變磁場作用于被偏置磁場磁化的鐵磁性構件時，由于磁致伸縮效應，構件處于交變磁場中的部位在尺寸和形狀上會發生變化，從而振動產生彈性波。沿構件傳播的彈性波遇到缺陷或者構件端部等聲阻抗突變的位置將發生反射，反射回波途經接收傳感器時，磁致伸縮逆效應將使構件在此處的磁場發生變化，從而使其磁通量發生變化，通過電磁感應將在接收傳感器的線圈中產生感應電壓信號。通過對這些包含缺陷信息的信號進行采集和處理，即可實現對鐵磁性構件的檢測。

2 磁致伸縮傳感器設計

磁致伸縮傳感器由鐵磁性材料、偏置磁場、交變磁場三部分組成，鐵磁性材料是執行元件，偏置磁場提供靜態工作點，交變磁場提供動態工作空間。

2.1 鐵磁性材料的選擇

鐵磁性材料是實現機電轉換的核心部件，國內牌號為1J22的鐵鈷釩軟磁合金，具有飽和磁感應強度高（2.4T），飽和磁致伸縮系數大（60～100 10-6），居里點高（980℃）等特點，能夠很好的用作磁致伸縮傳感器的執行元件。

2.2 偏置磁場的設計

偏置磁場的作用表現在提供合適的靜態工作點、提高換能效率，且均勻的偏置磁場還可以的保證導波模態單一性。由于直流線圈偏置磁場長時間工作會發熱，無法保證磁場的穩定性，因此本文選用能夠提供長期穩定偏置磁場的釹鐵硼永磁體。利用COMSOL有限元仿真軟件對偏置磁場作用下1J22內部磁場進行分析，仿真模型如圖2所示，1J22為長50mm、直徑3mm的桿；釹鐵硼永磁體為長8mm、寬6mm、厚6mm的長方體，沿厚度方向充磁，剩磁380mT，相對磁導率1.05；軛鐵為長30mm、寬8mm、厚8mm的長方形純鐵。仿真結果如圖3所示，1J22內部的磁感應強度高達1.9T，在15～35mm的范圍內磁場分布相對均勻。

交變的磁場由線圈通以交變的電流提供，其作用表現在提供動態工作空間；改變線圈的寬度可以實現導波模態的選擇，線圈寬度需取激發聲波半波長的整數倍。使用GUIGUW軟件繪制直徑為3mm的1J22頻散曲線如圖4所示，頻散曲線中有L（0，1）、L（0，2）、L（0，3）三種模態，其中L（0，1）模態從低頻段開始延伸到高頻段，而L（0，2）、L（0，3）模態存在一個下限截止頻率。在0～1MHz頻率范圍內只存在L（0，1）模態縱向導波，且500kHz～1MHz頻率范圍內群速度隨頻率的變化較大。由頻散曲線估算聲波的群速度和半波長，以確定線圈的寬度。1MHz聲波的群速度和半波長估算值分別為：Cg=2250m/s、0.5λ=1.13mm，所以線圈的繞制寬度應為1.13mm。

3 實驗研究

通過搭建如圖5所示自主研制的實驗系統進行實驗研究，FPGA控制DA產生頻率、周期數、觸發間隔均可調的漢寧窗調制正弦波脈沖源，經濾波、功率放大后驅動激勵線圈，在1J22桿（長50cm）中激勵出1MHz的L（0，1）模態超聲導波。傳感器工作在一發一收模式，接收線圈將超聲導波信號轉換為電壓信號，再經前置放大、濾波、再發大（共放大60dB），最后輸入示波器顯示。

隨著頻率的增加，材料質點振幅會減小，產生的超聲信號減弱，且超聲信號在傳播過程中衰減增大，為了提高換能效率，激勵與接收線圈需采用正反交替繞制的多段式線圈。本實驗中為了能夠實現兆赫茲超聲導波的激勵與接收，激勵與接收線圈均采用正反交替繞制的六段式線圈。傳感器工作在中心頻率為1MHz的實驗結果如圖6所示，圖6（a）表示激勵信號峰峰值為20V，接收信號依次為空間電磁信號、超聲波經桿長傳播直接到達接收端的信號、超聲波在桿中經過一次來回反射的信號。圖6（b）表示對接收端時域信號進行頻域分析的結果，接收端信號的頻率接近1MHz。實驗所得980kHz聲波的群速度：Cg=2264m/s，與理論估算值基本接近。

4 結論

本文提供了一種磁致伸縮換能效率高的鐵磁性材料，可以很好的用于磁致伸縮傳感器的執行元件；同時提供了偏置磁場和感應線圈的設計方法。基于直徑3mm的1J22金屬桿研制出了兆赫茲的磁致伸縮式超聲導波傳感器，并通過實驗驗證了傳感器的可靠性，實現了磁致伸縮傳感器的小型化、高精度、高分辨率。

參考文獻

[1]KWUN H， KIM S Y， MATSUMOTO H， et al.Detection of axial cracks in tube and pipe using torsional guided wave[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 2008， 975： 193-199.

[2]王悅民，康宜華，武新軍等.磁致伸縮效應在圓管中激勵縱向導波的理論和試驗研究[J].機械工程報，2005，41（10）：174-179.

[3]武新軍，徐江，沈功田. 非接觸式磁致伸縮導波管道無損檢測系統的研制[J].無損檢測，2010，03：166-170.

[4]吳斌，劉秀成，何存富等.兆赫茲縱向模態磁致伸縮傳感器的設計及其在鋼絞線中的試驗研究[J].機械工程學報，2011，47（22）：1-6.

[5]劉秀成.磁致伸縮與磁彈一體化傳感技術及其鋼索檢測應用研究[D].北京工業大學，2013.

作者簡介

田少華（1988-），男，在讀碩士研究生，主要從事超聲檢測和信號處理方面的研究。