基于小直徑金屬桿的磁致伸縮導(dǎo)波檢測傳感器設(shè)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(dǎo)波檢測原理，討論了傳感器執(zhí)行元件的選擇、偏置磁場的設(shè)計及線圈參數(shù)的選擇與計算。研制了兆赫茲小直徑金屬桿磁致伸縮導(dǎo)波檢測傳感器，實現(xiàn)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(xì)桿中激發(fā)、接收L（0，1）模態(tài)超聲導(dǎo)波，可用于缺陷、溫度、壓力等物理量的檢測。

關(guān)鍵詞：磁致伸縮 ；小直徑；兆赫茲；L（0，1）模態(tài)

磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)，其具有非接觸、無需耦合介質(zhì)、傳播距離遠(yuǎn)和檢測效率高的特點，被廣泛應(yīng)用于接地圓鋼、工業(yè)管道，橋梁纜索等桿狀、管狀以及束狀構(gòu)件的在役檢測和長期監(jiān)測。國內(nèi)外學(xué)者如：KWUN等和王悅民、武新軍等對管道缺陷檢測進(jìn)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(jìn)行了理論與實驗研究。目前磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)的研究大多基于大直徑桿狀、管狀金屬，很少有應(yīng)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(dǎo)波頻散特性的計算，設(shè)計了一種工作頻率高達(dá)1M的磁致伸縮超聲波導(dǎo)傳感器，實現(xiàn)了傳感器小型化、高精度、高分辨率。

1 磁致伸縮導(dǎo)波檢測原理

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

2 磁致伸縮傳感器設(shè)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(zhí)行元件，偏置磁場提供靜態(tài)工作點，交變磁場提供動態(tài)工作空間。

2.1 鐵磁性材料的選擇

鐵磁性材料是實現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的核心部件，國內(nèi)牌號為1J22的鐵鈷釩軟磁合金，具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高（2.4T），飽和磁致伸縮系數(shù)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(zhí)行元件。

2.2 偏置磁場的設(shè)計

偏置磁場的作用表現(xiàn)在提供合適的靜態(tài)工作點、提高換能效率，且均勻的偏置磁場還可以的保證導(dǎo)波模態(tài)單一性。由于直流線圈偏置磁場長時間工作會發(fā)熱，無法保證磁場的穩(wěn)定性，因此本文選用能夠提供長期穩(wěn)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(nèi)部磁場進(jìn)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(dǎo)率1.05；軛鐵為長30mm、寬8mm、厚8mm的長方形純鐵。仿真結(jié)果如圖3所示，1J22內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.9T，在15～35mm的范圍內(nèi)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(xiàn)在提供動態(tài)工作空間；改變線圈的寬度可以實現(xiàn)導(dǎo)波模態(tài)的選擇，線圈寬度需取激發(fā)聲波半波長的整數(shù)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(tài)，其中L（0，1）模態(tài)從低頻段開始延伸到高頻段，而L（0，2）、L（0，3）模態(tài)存在一個下限截止頻率。在0～1MHz頻率范圍內(nèi)只存在L（0，1）模態(tài)縱向?qū)Р?，?00kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)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(yīng)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(tǒng)進(jìn)行實驗研究，F(xiàn)PGA控制DA產(chǎn)生頻率、周期數(shù)、觸發(fā)間隔均可調(diào)的漢寧窗調(diào)制正弦波脈沖源，經(jīng)濾波、功率放大后驅(qū)動激勵線圈，在1J22桿（長50cm）中激勵出1MHz的L（0，1）模態(tài)超聲導(dǎo)波。傳感器工作在一發(fā)一收模式，接收線圈將超聲導(dǎo)波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)前置放大、濾波、再發(fā)大（共放大60dB），最后輸入示波器顯示。

隨著頻率的增加，材料質(zhì)點振幅會減小，產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)兆赫茲超聲導(dǎo)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(jié)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(jīng)桿長傳播直接到達(dá)接收端的信號、超聲波在桿中經(jīng)過一次來回反射的信號。圖6（b）表示對接收端時域信號進(jìn)行頻域分析的結(jié)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(jié)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(zhí)行元件；同時提供了偏置磁場和感應(yīng)線圈的設(shè)計方法?；谥睆?mm的1J22金屬桿研制出了兆赫茲的磁致伸縮式超聲導(dǎo)波傳感器，并通過實驗驗證了傳感器的可靠性，實現(xiàn)了磁致伸縮傳感器的小型化、高精度、高分辨率。

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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。