鋼板缺陷的磁致伸縮SH0模態(tài)導波掃查傳感器

吳 斌，劉飛鵬，劉秀成，王 歡，楊寧祥，劉 堯

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術(shù)學院，北京 100124；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519002)

特種設(shè)備行業(yè)的大型儲罐壁板、起重機械橫梁等均可視為板類結(jié)構(gòu)，在服役過程中，板內(nèi)缺陷的形成和擴展直接影響結(jié)構(gòu)的運行安全，因此需要發(fā)展專用技術(shù)對結(jié)構(gòu)缺陷進行檢測。由于具備對大范圍內(nèi)的缺陷進行快速有效檢測的能力，超聲導波技術(shù)近年來被廣泛應用于壓力容器、管道等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[1]。

目前，在SH0模態(tài)導波激發(fā)的壓電傳感器技術(shù)方面已取得突破性進展[2]，但磁致伸縮SH0模態(tài)傳感器在實際應用中仍具有拆裝簡便的獨特優(yōu)勢。美國西南研究院率先采用鐵鈷合金條帶作為傳感材料，基于魏德曼效應激發(fā)SH0模態(tài)導波，通過更換激發(fā)線圈的連接方式即可實現(xiàn)傳感器中心頻率的調(diào)整[3]。國內(nèi)北京工業(yè)大學、浙江大學等研究團隊針對特定的檢測要求，相繼研制出多類型的磁致伸縮SH0模態(tài)傳感器[4]。

為了提高導波激發(fā)效率，實現(xiàn)傳感器的陣列化，VINOGRADOV等[5]研制了基于逆魏德曼效應的磁致伸縮傳感器，激發(fā)SH0模態(tài)導波對儲罐壁板、大口徑管道進行缺陷檢測。上述傳感器激發(fā)導波聲場的擴散角有限，需在被測結(jié)構(gòu)表面安裝多個傳感器，才能覆蓋大范圍內(nèi)的缺陷檢測需求。SEUNG等[6]利用環(huán)繞導線的鎳環(huán)片，在板中激發(fā)出全向的SH0模態(tài)導波，解決了單向聲場覆蓋范圍有限的問題，但全向波場對缺陷的定位能力不足。

一種兼顧大范圍和高精度定位的檢測模式為：利用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生單向性較好的SH0模態(tài)導波聲場，沿直線移動傳感器完成大范圍內(nèi)板中缺陷的掃查與成像。筆者通過試驗優(yōu)化方法，研制了鋼板缺陷的磁致伸縮SH0模態(tài)導波掃查器。重點優(yōu)化了檢測線圈結(jié)構(gòu)及尺寸，提高了傳感器激發(fā)的導波幅值；分析了鐵鈷合金帶材剩磁狀態(tài)對信號質(zhì)量的影響，優(yōu)化設(shè)計了永磁式偏置磁場，提高了檢測信號質(zhì)量；最后，利用研制的SH0模態(tài)導波掃查器實現(xiàn)了板中缺陷的檢測與幅值成像。

1 SH模態(tài)磁致伸縮傳感器

1.1 工作原理

磁致伸縮SH模態(tài)導波傳感器基本工作原理如圖1所示。一般采用永磁磁路對磁致伸縮帶材進行單向靜態(tài)偏置磁化，檢測線圈中通入高頻交變或?qū)拵}沖電流以提供與動態(tài)磁場Hd方向相垂直的動態(tài)磁場Hs。由魏德曼效應可知，磁致伸縮帶材在正交的動、靜磁場作用下，將產(chǎn)生高頻剪切形變，通過橫波耦合劑耦合至待測鋼板并沿鋼板傳播形成水平剪切的SH模態(tài)導波?；谀娲胖律炜s效應，反射回磁致伸縮帶材的導波將擾動其內(nèi)部的靜態(tài)磁場，被檢測線圈接收并以電壓信號輸出。由上述工作原理可知，磁致伸縮帶材的靜態(tài)偏置磁化和動態(tài)磁場的構(gòu)建方式均會影響SH模態(tài)磁致伸縮傳感器的性能。

圖1 磁致伸縮SH模態(tài)導波傳感器基本工作原理示意

在常規(guī)的檢測模式中，采用的是永磁體預先磁化方式，使得磁致伸縮帶材處于剩磁狀態(tài)，對應圖1中磁特性曲線的R點位置。在動態(tài)磁場Hd恒定的條件下，磁致伸縮帶材的換能效率β主要由偏置磁場Hs的均勻性及材料磁感應強度B決定[7]。一方面，人工預先磁化操作不當或外界磁場干擾等因素易導致磁致伸縮帶材內(nèi)的剩磁強度呈現(xiàn)不均勻性，劣化傳感器的導波檢測性能；另一方面，從圖1所示的換能效率曲線可知，在剩磁強度附近(R點)磁致伸縮帶材的換能效率相對較低，適當選取偏置磁場強度Hs(例如A點)以提高材料的磁感應強度B，可進一步提升傳感器的換能效率[8]。

1.2 方案設(shè)計

為了解決上述偏置磁場與檢測線圈的相關(guān)技術(shù)問題，設(shè)計了磁致伸縮SH0模態(tài)導波掃查器(見圖2)。采用U型永磁磁路對鐵鈷合金磁致伸縮帶材進行恒定磁化，確保掃查過程中鐵鈷合金帶材內(nèi)偏置磁場滿足均勻性要求，并提供比剩磁狀態(tài)更高的偏置磁場強度，提升傳感器的換能效率。

圖2 磁致伸縮導波掃查器結(jié)構(gòu)示意

矩形截面檢測線圈內(nèi)部放置厚度為h的鐵磁性屏蔽層。當檢測線圈內(nèi)部通入交變電流時，上導線電流形成的交變磁場將集聚在鐵磁性屏蔽層中并同時形成渦流場，由此削弱直接耦合至線圈底部磁致伸縮帶材的磁場分量，減小上、下導線形成的動態(tài)磁場的相消程度。相比空心矩形檢測線圈，鐵磁性屏蔽層的引入，可以在確保導波激勵幅值的情況下，大幅降低矩形線圈的高度w。

實際采用的檢測線圈由柔性扁平排線制成，截面高度和長度分別固定為w=10 mm，長度L=70 mm。通過試驗,對比分析了屏蔽層的材料、厚度及其與下導線的提離距離l對傳感器導波激勵幅值的影響。

2 試驗系統(tǒng)

為了對磁致伸縮SH0模態(tài)導波掃查器進行試驗優(yōu)化與應用測試，構(gòu)建了如圖3(a)所示的試驗系統(tǒng)。采用USB-UT350T型超聲檢測儀進行導波激勵與信號采集，檢測參數(shù)可以通過上位機的LabVIEW軟件進行控制。試驗過程中，信號增益為70 dB，采樣頻率為6.25 MHz，平均次數(shù)為100。研制的SH0模態(tài)導波掃查器實物照片如圖3(a)所示。柔性扁平排線繞制在3D打印的塑料矩形框架上，屏蔽層嵌入塑料矩形框架內(nèi)，通過增減墊片調(diào)整其提離距離l。柔性扁平排線與自制的適配器連接，以設(shè)定線圈工作的中心頻率。

圖3 試驗裝置實物及試件尺寸示意

試驗裝置外觀及試件尺寸示意如圖3(b)所示，測試的鋼板尺寸(長×寬×厚)為1.5 mX0.75 mX2 mm。長約0.75 m的鐵鈷合金條帶通過環(huán)氧樹脂沿鋼板寬度方向黏貼，距離鋼板左側(cè)邊界約0.3 m。試驗過程中，首先將導波掃查器置于鐵鈷合金條帶的中點位置，通過采集無缺陷鋼板中左、右兩側(cè)邊界的反射回波信號幅值，對屏蔽層與永磁磁路的作用進行對比評價。其次，在距離鋼板下邊界、右邊界分別為0.375 m和0.5 m的位置加工直徑約6 mm的通孔缺陷，利用優(yōu)化后的導波掃查器沿鐵鈷合金條帶進行掃查，并對檢測信號進行幅值成像處理，實現(xiàn)缺陷定位。

3 屏蔽層試驗優(yōu)化與分析

3.1 屏蔽層材料

先后選用鎳和純鐵薄板作為屏蔽層，測試含不同材料屏蔽層的矩形截面排線的導波檢測能力。試驗過程中，鐵鈷合金條帶采用預先磁化方式工作于剩磁狀態(tài)。固定導波的激勵中心頻率為64 kHz，屏蔽層厚度及提離距離分別為h=0.1 mm和l=1 mm。在自發(fā)自收模式下，傳感器檢測到的典型時域?qū)Рㄐ盘柸鐖D4所示?？梢钥闯觯袩o屏蔽層時，傳感器均可以有效激發(fā)導波并檢測到鋼板左右兩側(cè)邊界的反射回波。左側(cè)邊界反射回波時間為0.2 ms，計算導波波速約為3 256 m·s-1，與SH0模態(tài)導波的群速度3 260 m·s-1接近。因此，研制的導波掃查器可以有效激勵出SH0模態(tài)導波。

圖4 有無屏蔽層時的導波檢測信號

相比無屏蔽層的情況，在矩形截面線圈內(nèi)先后水平嵌入鎳和純鐵薄板，傳感器檢測的導波幅值分別增加了約30%和40%。這驗證了引入屏蔽層提升傳感器導波檢測能力的有效性。

相比純鐵而言，鎳的磁導率更高，與鐵鈷合金帶材的磁導率處于同一量級。上導線形成的磁場可以更好地聚集在鎳薄板中，但同樣下導線提供的部分磁場也會進入高導磁的鎳薄板中，反而降低了耦合至鐵鈷合金帶材的磁場分量，導致傳感器激勵的導波幅值略有下降。因此，最終選擇利用純鐵薄板作為屏蔽層。

3.2 屏蔽層厚度

為了探究屏蔽層厚度對傳感器導波檢測能力的影響，固定屏蔽層的提離距離l=1 mm，先后將厚度h分別為0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 mm的純鐵屏蔽層嵌入檢測線圈，進行不同中心頻率的導波檢測。

圖5(a)為中心頻率分別選取32 kHz,64 kHz,128 kHz時的時域信號。在不同頻率的試驗中，均顯示：相比厚度1 mm的屏蔽層，采用0.1 mm厚屏蔽層時，傳感器檢測到的鋼板邊界反射回波幅值更高。統(tǒng)計屏蔽層厚度h變化時鋼板左邊界的反射回波幅值，并以h=0.1 mm時測得的反射回波幅值為基準進行幅值歸一化處理，結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 屏蔽層厚度對導波檢測幅值的影響

屏蔽層一方面可以減小上、下導線形成磁場的相消程度，另一方面也作為檢測線圈磁芯而改變線圈的電感或電阻抗。當適配器內(nèi)的阻抗匹配電路不變時，屏蔽層厚度的增大將導致檢測線圈阻抗增加，使得電路諧振頻率偏離波長控制決定的中心頻率，此時傳感器的導波檢測性能下降。從圖5(b)可以看出，當屏蔽層厚度由0.1 mm增加至0.5 mm時，傳感器檢測的導波幅值明顯降低，預示著在h處于0.10.5 mm范圍內(nèi)時，屏蔽層厚度的變化對電路諧振頻率的影響較為劇烈；當h>0.5 mm時，隨屏蔽層厚度的增加，線圈的阻抗變化趨于平緩，此時傳感器檢測的導波信號只出現(xiàn)微小幅度的下降。

3.3 屏蔽層提離距離

選擇h=0.1 mm厚的純鐵屏蔽層，在02 mm范圍內(nèi)，以0.5 mm為步長改變磁屏蔽層提離距離l，記錄不同條件下的導波檢測信號，典型結(jié)果如圖6(a)所示。鋼板左側(cè)邊界回波幅值隨提離距離l的增加呈近似線性下降的規(guī)律(見圖6)。

圖6 屏蔽層提離距離對導波檢測幅值的影響

上導線形成的交變磁場磁力線遍及矩形截面空間，穿過屏蔽層上部空間的磁力線易被屏蔽層集束。當屏蔽層不斷靠近上導線的(對應提離距離l增加)過程中，屏蔽層影響的上部空間逐漸減小，也即繞過屏蔽層進入下部空間和磁致伸縮帶材的磁力線增加，不斷抵消下導線形成的磁場強度，降低了傳感器的導波檢測性能。

4 偏置磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗驗證

采用永磁磁路對鐵鈷合金條帶進行磁化，可以確保掃查過程中偏置磁化(與導波檢測能力相關(guān))的一致性，也可以提高傳感器的導波激發(fā)效率。針對前述優(yōu)化的檢測線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計了偏置磁路結(jié)構(gòu)。檢測線圈的長度L=70 mm，在該長度范圍內(nèi)，應盡量保持鐵鈷合金條帶內(nèi)的磁場均勻且強度較高。以此為優(yōu)化指標，在COMSOL有限元仿真軟件中建立了如圖7所示的磁路模型。模型采用自由四面體網(wǎng)格劃分，對鐵鈷合金帶材上方信號提取處進行局部細化。永磁鐵表面剩磁強度為0.42 T，鐵鈷合金條帶的磁導率設(shè)置為5 100 H·m-1。

圖7 磁路有限元仿真模型及典型結(jié)果

采用單因素分析方法，先后改變磁路跨距k和高度g，仿真計算鐵鈷合金條帶內(nèi)沿長度方向中心線(x軸)上的磁感應強度分布情況。

首先，固定磁路跨距k=90 mm，高度g為2050 mm，以步長為10 mm進行調(diào)整，典型的磁感應強度分布仿真結(jié)果如圖8(a)所示?？梢钥闯?，隨著高度g的增大，磁路中間區(qū)域范圍內(nèi)鐵鈷合金條帶的磁感應強度峰值不斷增加并最終趨于穩(wěn)定，同時沿x軸方向鐵鈷合金條帶內(nèi)的磁感應強度分布更加均勻。因此，選擇磁路高度g=50 mm。

其次，固定偏置磁路的高度g=50 mm，研究磁路跨距k對磁化效果的影響。為了制作結(jié)構(gòu)緊湊的掃查器，設(shè)定磁路跨距k不大于160 mm。在120160 mm內(nèi)以步長為10 mm改變k值，計算得到不同模型中的磁感應強度分布曲線，結(jié)果如圖8(b)所示。以x=0處的磁感應強度B0為基準，統(tǒng)計磁感應強度波動15%時對應的x軸取值范圍，稱為磁化均勻長度Le。圖9為不同跨距時B0和Le的統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，在磁極跨距k縮減過程中，B0上升但Le呈下降趨勢。當k=120 mm，滿足Le>70 mm的要求且此時B0取值最大，有利于增強傳感器的導波激發(fā)效率。

圖8 帶材內(nèi)磁感應強度的分布仿真結(jié)果

圖9 不同跨距時磁感應強度與均勻長度統(tǒng)計結(jié)果

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的準確性，選擇導波激發(fā)頻率為64 kHz，開展不同磁化條件下的導波檢測對比試驗。測試的磁化條件包括：① 采用永磁體對鐵鈷合金條帶進行擾動磁化，使其磁化不具備單向性；② 采用永磁體對鐵鈷合金條帶進行單向磁化，使其工作于剩磁狀態(tài)；③ 采用優(yōu)化后的偏置磁路對鐵鈷合金條帶進行恒定磁化。3種不同磁化條件下的導波檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 3種不同磁化條件下的導波檢測結(jié)果

在雜亂磁化狀態(tài)下，傳感器檢測到的左端面回波信號幅值很低且信號本底噪聲高。結(jié)果表明：采用永磁磁路恒定磁化時，傳感器的導波激發(fā)能力顯著增強，檢測的左端面回波信號幅值約為剩磁狀態(tài)時的2.4倍。

5 鋼板中缺陷掃查與成像

利用研制的磁致伸縮SH0模態(tài)導波掃查器沿鋼板寬度方向進行掃查，當傳感器靠近鋼板下邊界時，只檢測到左、右端面回波信號。在傳感器正對圓孔缺陷時，檢測到的缺陷回波幅值最高。圖11顯示的第一個缺陷回波是沿右側(cè)傳播導波遇到缺陷時的反射信號，第二個缺陷回波是沿左側(cè)傳播導波從左邊界折返后再次遇到缺陷時的反射信號。由于傳感器激發(fā)的導波聲場具有一定的擴散角，在傳感器偏離圓孔缺陷一定角度時，傳感器仍能接收到缺陷反射回波信號。

圖11 不同位置缺陷掃查結(jié)果

在正對缺陷附近位置，以步長n=10 mm進行掃查，共采集到20組導波檢測數(shù)據(jù)，進行幅值成像的結(jié)果如圖12所示。從成像圖中可以清晰地看到缺陷回波信號，通過計算信號波形的希爾伯特包絡(luò)，并合理選擇閾值，可以對缺陷進行定位。

圖12 缺陷區(qū)域的掃查成像結(jié)果

以所有20組檢測數(shù)據(jù)中左端面回波峰峰值的變異系數(shù)ρ為指標，評價掃查器的工作性能。變異系數(shù)ρ為標準差和均值之比，越接近0，表明測試多組數(shù)據(jù)間的一致性較好。統(tǒng)計結(jié)果顯示：ρ約為9.1%，這表明在實際掃查過程中，所研制掃查器的導波檢測能力具有高穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

(1) 通過在矩形截面檢測線圈內(nèi)部嵌入磁屏蔽層的方式，可以在保持線圈導波檢測能力的基礎(chǔ)上大幅減小線圈高度。研究結(jié)果表明，純鐵材料的屏蔽效果優(yōu)于純鎳的，減小屏蔽層材料的厚度和提離距離，均可以提升檢測線圈的導波檢測能力。

(2) 采用具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的永磁磁路，提供更強的偏置磁場對鐵鈷合金進行均勻磁化，可大幅提升傳感器的導波激發(fā)效率。利用設(shè)計的掃查器進行試驗結(jié)果顯示，相比剩磁狀態(tài)，永磁磁路磁化時傳感器檢測的回波信號峰峰值提升約1.4倍。

(3) 研制的磁致伸縮SH0模態(tài)導波掃查器具有高穩(wěn)定性，多次掃查檢測的試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)小于9.1%。利用掃查器獲得的信號進行幅值成像，可以準確檢測出鋼板中的圓孔缺陷。