偏置磁場強度對交叉線圈式扭轉導波換能器換能效率的影響

劉志偉 徐江 陳廣

摘要：交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器偏置磁場強度直接影響換能器換能效率，為獲得較佳的檢測效果，需要研究偏置磁場強度對該換能器換能效率的影響。首先，從磁致伸縮效應出發(fā)，分析交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器的工作原理。其次，在模態(tài)驗證實驗的基礎上，分別對激勵和接收換能器換能過程中偏置磁場的作用進行研究。實驗結果表明隨著偏置磁場強度的增大激勵端和接收端換能器換能效率均先增大后減小。最后進行缺陷檢測實驗，當激勵端和接收端均選擇最佳換能區(qū)域時，對比模態(tài)驗證實驗，缺陷信號明顯增大。該研究結果可為換能器的現(xiàn)場應用提供技術支持。

關鍵詞：交叉線圈;扭轉模態(tài);磁致伸縮導波換能器;偏置磁場強度;換能效率

中圖分類號：TB552 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0139-06

收稿日期：2018-12-25;收到修改稿日期：2019-02-25

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題資助項目（2016YFC0801904）;國家自然科學基金資助項目（51575213）

作者簡介：劉志偉（1994-），男，河北邢臺市人，碩士研究生，專業(yè)方向為機械工程。

通信作者：徐江（1978-），男，江西奉新縣人，副教授，博士，主要研究方向為電磁超聲導波檢測技術及應用。

0 引言

管道作為一種輸送物料的基礎設施，在各行業(yè)中都有著廣泛使用。但在腐蝕、沖擊、高溫等惡劣外界環(huán)境的作用下，在役管道會出現(xiàn)腐蝕坑、裂紋、穿孔等結構損傷，嚴重時發(fā)生泄漏甚至爆炸，對人們的生命財產安全造成巨大危害[1]。因此，需要對管道進行定期檢測。超聲導波檢測是管狀構件缺陷無損檢測的有效方法之一[2-3]。導波檢測技術具有單點激勵即可實現(xiàn)長距離檢測、不可達區(qū)域檢測等優(yōu)點，其中由于最低階扭轉模態(tài)導波（T（0，1））呈現(xiàn)非頻散特性，所以在管道檢測中得到廣泛應用[4-6]。常見的管道扭轉導波換能器有壓電式[7]、洛倫茲力式[8]和磁致伸縮式[9]，其中磁致伸縮式基于磁致伸縮效應及其逆效應在管道中激勵和接收導波信號，具有耐久性好、便于設計、易于安裝等優(yōu)點[10]。

目前用于管道檢測的磁致伸縮扭轉導波換能器的偏置磁場主要有兩種提供方式，一種是利用永磁鐵在高飽和磁致伸縮帶中產生靜態(tài)偏置磁場，這種形式的偏置磁場雖然穩(wěn)定，但永磁鐵不方便現(xiàn)場安裝;另一種是利用剩磁來提供靜態(tài)偏置磁場，這種形式的偏置磁場不穩(wěn)定，其強度會逐漸衰減，不適用于進行長期監(jiān)測[11]，且以上兩種形式的偏置磁場強度均不可調。VinogradoV[12]提出了一種交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器，該換能器由高飽和磁致伸縮帶、環(huán)形線圈和螺線管線圈組成。其中環(huán)形線圈提供靜態(tài)偏置磁場，可以通過調節(jié)環(huán)形線圈中電流的大小改變偏置磁場的強度。然而沒有相關文獻對偏置磁場強度對該換能器換能效率的影響進行研究。

由于偏置磁場強度影響交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器的換能效率，進而直接影響檢測精度，所以需要研究偏置磁場強度對該換能器換能效率的影響，以期找到適用于檢測的最佳磁場強度區(qū)間，為換能器的現(xiàn)場應用提供支持。本文在分析了交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器工作原理的基礎上，分別對該換能器的激勵端和接收端換能過程進行了實驗研究，得到了偏置磁場強度與換能器換能效率的關系。

1 基于磁致伸縮效應的交叉線圈式扭轉導波換能器工作原理

磁致伸縮導波換能過程可分為激勵過程和接收過程，其基本原理是基于磁致伸縮效應及其逆效應。磁致伸縮效應的本質為外部磁場H導致鐵磁性材料產生應變ε，磁致伸縮逆效應的本質為彈性波在傳播過程中產生的應力σ導致鐵磁性材料的磁感應強度B發(fā)生變化。由能量守恒定律得到彈性能和磁能之間的力磁耦合方程[13]為

E=sHo-+dH（1）

B=d^*σ+μ^σH（2）其中s^H為恒定磁場H下的彈性柔量，d為磁致伸縮變換常數，d^*為逆磁致伸縮變換常數，μ^σ為恒定應力σ下的磁導率。式（1）給出了鐵磁性材料發(fā)生磁致伸縮效應時，外加磁場與應變之間的關系。式（2）給出了鐵磁性材料發(fā)生逆磁致伸縮效應時，鐵磁性材料磁感應強度與應力的關系。

激勵和接收磁致伸縮扭轉導波主要是基于Wiedemann效應及其逆效應。Wiedemann效應，即鐵磁性材料中相互垂直的磁場會導致材料產生剪切變形。常被用來在板中激勵SH波[14-15]和在管中激勵扭轉導波。柱坐標系中，在周向靜態(tài)偏置磁場和軸向動態(tài)磁場的作用下，應變[16]可表示為其中ε_θθ，ε_ZZ，ε_θZ為應變分量;H_θ，H_Z和H_r為磁場分量;d₁₁，d₁₂和d₃₅為壓磁耦合矩陣的元素，分別為

其中f（H）為材料的磁致伸縮曲線;H_S為靜態(tài)偏置磁場強度。

交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器結構如圖1所示，由高飽和磁致伸縮帶、環(huán)形線圈和螺線管線圈3部分組成，檢測時用耦合劑將繞有環(huán)形線圈的高飽和磁致伸縮帶粘貼于待測構件上。該換能器作為激勵端換能器時，環(huán)形線圈中通人直流電流，在高飽和磁致伸縮帶中產生周向靜態(tài)偏置磁場;螺線管線圈中通人交流激勵信號，在高飽和磁致伸縮帶中產生軸向動態(tài)磁場?；赪iedemann效應，高飽和磁致伸縮帶中發(fā)生剪切振動，振動通過耦合劑傳遞到管狀構件，在構件中激勵出扭轉模態(tài)導波。該換能器作為接收端換能器時，當扭轉導波傳遞到接收端，管狀構件表面的振動通過耦合劑傳遞到高飽和磁致伸縮帶，基于Wiedemann逆效應，在空間中產生感應磁場，螺線管線圈將其轉化為電壓信號輸出。

2 實驗設置

實驗用不銹鋼管牌號為304不銹鋼、直徑為73mm、壁厚為3mm、長度為2475mm，距端部390mm處有一刻槽缺陷，缺陷最深處為2mm，橫截面損失約為6%。該不銹鋼管頻散曲線如圖2[17]所示。

實驗用高飽和磁致伸縮帶為鐵鉆帶，其寬度為25mm、長度為229mm、厚度為0.1mm;環(huán)形線圈由線徑為0.49mm的漆包線繞制而成，其匝數為180匝;螺線管線圈由線徑為0.49mm的漆包線繞制而成，其匝數為50匝。換能器實物圖如圖3所示，換能器安裝位置如圖4所示。激勵端換能器安裝在距離不銹鋼管左端1225mm處，接收端換能器安裝在距離不銹鋼管右端650mm處。用ShearGel橫波耦合劑將繞有環(huán)形線圈的高飽和磁致伸縮帶粘貼在不銹鋼管上。

搭建如圖5所示的實驗平臺。實驗平臺由磁致伸縮導波檢測儀器[18]、恒流源、便攜式計算機、不銹鋼管試件、激勵換能器和接收換能器組成。圖6為實驗布置實物圖。實驗使用3周期加漢寧窗調制的中心頻率為64kHz的200V正弦交流信號作為激勵信號。根據電磁場理論靜態(tài)偏置磁場強度為

H_S=NI/L（4）其中N為環(huán)形線圈的漆包線匝數，為180匝;L為鐵鉆帶長度，為229mm;I為環(huán)形線圈中偏置電流值。

1）為驗證交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器在試件中激勵和接收的導波模態(tài)，接收端和激勵端偏置磁場強度均固定為1.2kA/m。

2）為研究偏置磁場強度對換能器激勵端換能過程的影響。接收端偏置磁場固定為2.4kA/m，調節(jié)激勵端偏置磁場從0A/m增大到4.6kA/m（偏置電流以0.2A為步進從OA調整到5.8A）。

3）為研究偏置磁場強度對換能器接收端換能過程的影響。激勵端偏置磁場固定為2.4kA/m，調節(jié)接收端偏置磁場從0A/m增大到4.6kA/m（偏置電流以0.2A為步進從0A調整到5.8A）。

3 實驗結果

3.1 模態(tài)驗證實驗

實驗1）檢測信號及處理結果如圖7所示。從檢測信號圖7（a）可以依次觀測到電磁脈沖、通過信號、近端部回波、缺陷回波和遠端部回波。通過信號峰峰值為1.121V，缺陷回波信號峰峰值為0.058V。其中通過信號傳播距離較短，所受干擾比較小，在后續(xù)研究中，用通過信號峰峰值作為表征換能器換能效率的參數。在圖7（a）中還可以看到其他模態(tài)的信號，原因可能是因為螺線管線圈的不對中性以及繞制環(huán)形線圈時漆包線疏密程度的不一致使動態(tài)磁場和靜態(tài)偏置磁場存在不均勻性，且換能器安裝時鐵鉆帶在周向上存在間隙。這些非軸對稱因素的存在，使換能器激勵出部分彎曲模態(tài)導波。但其幅值較小，對實驗結果無太大影響。

為了獲得導波傳播距離與信號到達時間的關系，提取圖7（a）中通過信號、近端部回波和遠端部回波到達的時間，結合圖4換能器安裝位置，做線性擬合。結果得出換能器在不銹鋼管中激勵產生的導波實際群速度約為3 189m/s，與T（0，1）模態(tài)導波理論群速度3200m/s相近。圖7（b）為檢測信號的短時傅里葉變換[19]，結合圖4換能器安裝位置，可以看出群速度不隨頻率變化而變化，具有非頻散的特性。結合圖2（b）的群速度頻散曲線，最終確認交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器可以激勵和接收T（0，1）模態(tài)導波[20]。

3.2 偏置磁場強度對交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器激勵過程的影響

實驗2）可以得出激勵端偏置磁場強度與通過信號峰峰值之間的關系，如圖8所示。隨著偏置磁場強度的增大通過信號峰峰值先增大后減小，即激勵端換能器換能效率先增大后減小。將整條曲線分為5個區(qū)域，分別為弱磁場區(qū)域、不穩(wěn)定區(qū)域、緩變上升區(qū)域、激勵端最佳換能區(qū)域和衰減區(qū)域。在弱磁場區(qū)域，偏置磁場強度小于0.6kA/m，該區(qū)域換能效率過低，不適宜用于檢測;在不穩(wěn)定區(qū)域，偏置磁場強度為0.6～1.1kA/m，該區(qū)域檢測信號幅值受偏置磁場強度的變化擾動很大，也不適宜在該區(qū)域進行檢測;在緩變上升區(qū)域，偏置磁場強度為1.1～1.7kA/m，該區(qū)域通過信號峰峰值隨偏置磁場強度的增加而逐漸增大，但小于最大峰峰值的95%;在激勵端最佳換能區(qū)域，其通過信號峰峰值為最大值的95%以上，對應的偏置磁場強度為1.7～3.1kA/m，該區(qū)域跨度較大，信號幅值受偏置磁場強度的變化擾動很小并且相對其他區(qū)域幅值最大，適宜在該區(qū)域進行檢測;在衰減區(qū)域，偏置磁場強度大于3.1kA/m，隨著偏置磁場強度的增加，換能效率逐漸減小，不宜在該區(qū)域進行檢測。

3.3 偏置磁場強度對交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器接收過程的影響

實驗3）可以得出接收端偏置磁場強度與通過信號峰峰值之間的關系，如圖9所示。隨著偏置磁場強度的增大通過信號峰峰值先增大后減小，即接收端換能器換能效率先增大后減小。將整條曲線分為5個區(qū)域，分別為弱磁場區(qū)域、不穩(wěn)定區(qū)域、緩變上升區(qū)域、接收端最佳換能區(qū)域和衰減區(qū)域。在弱磁場區(qū)域，偏置磁場強度小于1.3kA/m，該區(qū)域換能效率過低，不適宜用于檢測;在不穩(wěn)定區(qū)域，偏置磁場強度為1.3～1.9kA/m，該區(qū)域檢測信號幅值受偏置磁場強度的變化擾動很大，也不適宜在該區(qū)域進行檢測;在緩變上升區(qū)域，偏置磁場強度為1.9～2.4kA/m，該區(qū)域通過信號峰峰值隨偏置磁場強度的增加而逐漸增大，但小于最大峰峰值的95%;在接收端最佳換能區(qū)域，其通過信號峰峰值為最大值的95%以上，對應的偏置磁場強度為2.4～3.5kA/m，該區(qū)域跨度較大，信號幅值受偏置磁場強度的變化擾動很小并且相對其他區(qū)域幅值最大，適宜在該區(qū)域進行檢測;在衰減區(qū)域，偏置磁場強度大于3.5kA/m，隨著偏置磁場強度的增加，換能效率逐漸減小，不宜在該區(qū)域進行檢測。

4 缺陷檢測實驗

從圖8和圖9可知，激勵端和接收端偏置磁場強度均存在最佳換能點，即當激勵端偏置磁場強度為2.2kA/m且接收端偏置磁場強度為3.0kA/m時，可以獲得最大換能效率。固定激勵端偏置磁場強度和接收端偏置磁場強度分別為2.2kA/m和3.0kA/m，獲得的檢測信號如圖10所示，其中通過信號峰峰值為4.055V，缺陷回波信號峰峰值為0.194V。與圖5（a）模態(tài)驗證實驗檢測信號相比，通過信號變?yōu)樵瓉淼?.6倍，缺陷回波信號變?yōu)樵瓉淼?.3倍。

5 結束語

本文在對交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器工作原理分析的基礎上，針對該換能器偏置磁場強度對換能效率的影響進行了研究。實驗結果表明隨著偏置磁場強度的增大激勵端和接收端換能器換能效率均先增大后減小，其關系曲線可分為5個區(qū)域：弱磁場區(qū)域、不穩(wěn)定區(qū)域、緩變上升區(qū)域、最佳換能區(qū)域和衰減區(qū)域。其中激勵端最佳換能區(qū)域的偏置磁場強度為1.7～3.1kA/m，接收端最佳換能區(qū)域的偏置磁場強度為2.4～3.5kA/m。檢測時應盡量避開弱磁場區(qū)域、不穩(wěn)定區(qū)域、衰減區(qū)域和緩變上升區(qū)域，選擇最佳換能區(qū)域，使得換能器獲得最大換能效率，得到最佳檢測效果。當換能器同時作為激勵換能器和接收換能器使用時，應選擇激勵和接收最佳換能區(qū)域的重疊區(qū)域對應的偏置磁場強度進行檢測。本研究得到的結果可為交叉線圈式帶狀磁致伸縮扭轉導波換能器的現(xiàn)場應用提供技術支持。

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（編輯：莫婕）