刀型Terfenol-D傳感器激勵線圈對激勵效果的影響

姜銀方，陳 波，雷玉蘭，郭永強，劉 兵,匡泓錦，蔣俊俊

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

目前用于超聲導波管道檢測最常見的傳感器為壓電式，其敏感元件材料PZT的機電耦合系數(shù)較低、能量轉(zhuǎn)化效率較差限制了檢測距離，而超磁致伸縮材料Terfenol-D 具有較大的機電耦合系數(shù)和能量轉(zhuǎn)化效率[1-8]。所以需要研制磁致伸縮式傳感器來提高檢測距離尤為重要。

傳統(tǒng)的超磁致伸縮傳感器采用棒狀或長方體狀的Terfenol-D作為敏感元件[9]，其驅(qū)動磁場的設(shè)計可按照螺線管的磁場規(guī)律。但本文設(shè)計的Terfenol-D傳感器是用于管道無損檢測，故傳統(tǒng)的棒狀或長方體狀無法實現(xiàn)與管道任意表面耦合，因此，需要設(shè)計一種特殊結(jié)構(gòu)類似于刀型Terfenol-D傳感器[10-12]。本文通過試驗來研究激勵線圈的線徑和線圈匝數(shù)與刀型Terfenol-D傳感器激勵回波系數(shù)的關(guān)系，確定最佳的激勵線圈參數(shù)。為將來磁致伸縮式傳感器的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗系統(tǒng)

超磁致伸縮材料的磁伸應(yīng)變通常與磁場的方向無關(guān)，而只與大小有關(guān)[13]；為了研究激勵線圈參數(shù)對刀型Terfenol-D傳感器的激勵效果影響，本文線圈選用漆包銅線繞制，如圖1所示。

圖1 激勵線圈結(jié)構(gòu)簡圖

回波反射系數(shù)[14]是評價傳感器性能的一項重要指標，它反映了傳感器的振動幅值及衰減率，回波系數(shù)可由下式表示

(1)

式(1)中，Ad表示缺陷幅值；A0表示激勵波幅值。

圖2(a)所示為檢測的系統(tǒng)示意圖，包括：計算機、前置放大器、任意波發(fā)生器、示波器、壓電陶瓷(PZT-5)、Terfenol-D、試驗管道、502膠水、砂紙等。

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)試驗管道采用工業(yè)中常用的碳鋼管道，如圖2(b)所示，管道的外徑為108 mm，壁厚為5 mm，全長為10.34 m，在管道的2.9 m、5.2 m、7.5 m處均焊有焊縫沒有其他缺陷。管道一端粘于一片刀型Terfenol-D作為激勵端，Terfenol-D一端套上不同規(guī)格的螺線管線圈提供激勵磁場，頂端采用3片尺寸為?5mm×1mm的永磁鐵提供偏置磁場，接收端采用16片PZT-5A環(huán)形貼于管道。使用任意波函數(shù)發(fā)生器提供經(jīng)漢寧窗調(diào)制的10周期10Vpp正弦音頻信號，接收傳感器接收的信號經(jīng)40 dB的前置放大器放大后在示波器中顯示出來，電腦采集示波器中顯示的信號。

1.2 線圈匝數(shù)對激勵效果試驗研究

研究刀型Terfenol-D傳感器激勵線圈的匝數(shù)對激勵信號的影響，因此需要保證在其他條件都不變的前提下進行試驗。為避免導波遇到焊縫會發(fā)生復雜的反射、干涉及衰減問題，只選擇第一條焊縫(位于管道2.9 m處焊縫1)的回波系數(shù)作為衡量指標。

表1 試驗所用線圈參數(shù)

按表1中線圈參數(shù)試驗，采集的數(shù)據(jù)導入編寫好的MatLab程序中，提取第一條焊縫回波系數(shù)并繪制相同線徑下，不同線圈匝數(shù)隨頻率變化的回波系數(shù)圖，如圖3所示。

圖3 不同線圈匝數(shù)隨頻率變化的回波系數(shù)圖

由圖3(a)可得，當線徑為0.1 mm時，中心頻率為90 kHz，在中心頻率處隨著匝數(shù)的增加，焊縫的回波系數(shù)也隨著增大。同樣，當線徑為0.2 mm和0.3 mm時，變化規(guī)律0.1 mm線徑相同，即在中心頻率處焊縫的回波系數(shù)都隨著線圈匝數(shù)的增加而增大。

為了更直觀的看出線圈匝數(shù)對刀型Terfenol-D傳感器激勵信號的影響，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行了分析，如圖4所示。

圖4 回波系數(shù)隨線圈匝數(shù)變化關(guān)系圖

由圖4可得，當線圈線徑相同時，回波系數(shù)隨著線圈匝數(shù)的增加而增大。當線圈匝數(shù)為180匝時，再增加匝數(shù)時，回波系數(shù)增加趨勢開始緩慢，說明在本文的試驗環(huán)境下，其磁場強度接近飽和區(qū)，當線圈匝數(shù)再增加時已不具備太大的實用價值，再者為了傳感器的小型化，匝數(shù)繞制太多會增大傳感器的體積，因此選用180匝制成螺線管線圈為最佳線圈匝數(shù)。

1.3 線徑對激勵效果影響試驗研究

研究激勵線圈的線徑對激勵信號的影響，因此在匝數(shù)及其他條件一定的情況下進行試驗。分析不同線徑對回波系數(shù)的影響規(guī)律，試驗選擇線徑為0.1～0.3 mm的漆包銅線，密繞180匝形成螺線管線圈。選擇第一條焊縫(位于管道2.9 m處焊縫1)的回波系數(shù)作為衡量指標。通過試驗分析激勵線圈的線徑與回波系數(shù)的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 線圈線徑對焊縫回波系數(shù)的影響

由圖5可得，當繞制匝數(shù)一定時，線徑增大，回波系數(shù)先增加后減小，這是由于本文試驗所用是電壓源，電壓保持不變，線徑的變化會導致線圈的阻值發(fā)生改變，線圈越粗，電阻就越小，所以電流越大，電流增大會使得磁場變大，所以回波系數(shù)曲線上升。

由于線圈的直徑增大的同時，會導致通過線圈的電流隨之增大，可能會產(chǎn)生熱量，從而影響線圈的工作。再者由于線圈直徑的增加，單位面積內(nèi)的匝數(shù)就會減少，影響產(chǎn)生的磁場強度和磁場的均勻性。通過試驗分析，在線徑為0.15 mm時，接收到的焊縫回波系數(shù)最高，因此，采用0.15 mm線徑的漆包銅線密繞180匝制成螺線管線圈用以提供驅(qū)動磁場。

2 結(jié)束語

本文探究刀型Terfenol-D傳感器的激勵效果與線圈參數(shù)之間的關(guān)系如下：通過試驗研究激勵效果與纏繞在刀型Terfenol-D上的線圈參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在中心頻率處焊縫反射回波系數(shù)隨著匝數(shù)增加而增大，但到一定程度后增長趨勢減緩，說明可能已達到磁致伸縮材料特性曲線的“飽和區(qū)”；隨著線徑的增加，反射回波系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于線圈越粗，電阻就越小，所以電流越大，但線圈直徑的增加，單位面積內(nèi)的匝數(shù)就會減少，影響產(chǎn)生的磁場強度。因此，在設(shè)計刀型Terfenol-D的超磁致伸縮傳感器的驅(qū)動磁場時，應(yīng)同時考慮線圈的線徑及匝數(shù)對激勵效果的影響；該刀型Terfenol-D結(jié)構(gòu)傳感器的最佳激勵線圈參數(shù)為線圈匝數(shù)為180匝，線徑為0.15 mm。