超磁致伸縮傳感器背襯層參數(shù)優(yōu)化的實驗研究

姜銀方，胡華健，郭永強，吳 搏

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

超聲導波檢測應用中，磁致伸縮材料的伸縮振動并不會隨著激勵信號的停止而結束[1-2,4]。多余的振動導致激勵信號的波包時間被拉長，降低了檢測缺陷信號的信噪比，增大了檢測盲區(qū)，造成缺陷漏檢。為了避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)，利用背襯層材料高衰減、低聲阻抗屬性吸收磁致伸縮傳感器的余振，從而提高信噪比，縮短檢測盲區(qū)的時間[9]。不同參數(shù)的背襯層吸收余振的效果不同，對傳感器激勵性能的影響也良莠不齊。因此研究背襯層不同參數(shù)的優(yōu)化，對于提高傳感器的激勵性能和檢測效率有著重要的意義。

1 背襯層的材料選擇與制備

1.1 背襯層材料的選擇

磁致伸縮傳感器為低頻導波傳感器，低頻超聲波的能量小且頻帶窄，為了激勵和接收單模態(tài)導波，選用低阻抗、高衰減特性的背襯層。低阻抗減少振動元件能量的損失，高衰減快速吸收背襯層內部的聲能，達到提高靈敏度和信噪比的目的。試驗將采用碳化硅、鎢粉、環(huán)氧樹脂和聚硫橡膠按照一定的比例混合后試制背襯層。其中碳化硅增加背襯層的聲阻抗，鎢粉材料吸收振動，環(huán)氧樹脂作為粘接劑，聚硫橡膠則用來提高背襯層的聲衰減率。

1.2 背襯層的制備

背襯層的試制過程如下，首先模具內外用酒精擦拭干凈，將制備材料按一定比例混合并攪拌均勻，注入到如圖1所示的模具中。隨后將模具置于35 ℃的溫度下恒溫固化24 h。最后將模具的頂蓋和底板分離，取出背襯層，加工成所需的尺寸，背襯層制備即告完畢。

圖1 背襯材料制備模具結構圖Figure 1. Structure diagram of backing material preparation mold

2 背襯層的試驗

2.1 實驗平臺搭建

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖Figure 2. Schematic of test system

按照圖2所示的實驗平臺進行試驗。平臺主要由任意波函數(shù)發(fā)生器、磁致伸縮傳感器、前置放大器、數(shù)字示波器、計算機和標準管道組成。函數(shù)發(fā)生器發(fā)出激勵信號，激勵信號傳輸?shù)郊瞽h(huán)傳感器。由于磁致伸縮特性，電信號轉變?yōu)檎駝有盘?。振動信號遇到管道缺陷發(fā)生反射，接收環(huán)傳感器接收回波信號，回波信號由示波器顯示并保存，將保存的波形信號導入計算機中進一步分析。

2.2 背襯層材料聲阻抗對傳感器激勵性能的影響

背襯層的設計試制中聲阻抗是非常重要的參數(shù)，背襯層材料的聲阻抗R可以表示為

R=ρc

(1)

式中，ρ表示密度；c表示聲波在材料中的傳播速度。

表1 4種不同比例制備的背襯層參數(shù)表

如表1所示，4種不同配比的背襯材料制成同規(guī)格的背襯層進行試驗，并加入一組無背襯層試驗作為對比。背襯層對傳感器的作用在于減小余振及縮短余振時間，因此除了分析回波信號的回波系數(shù)，還需分析信噪比與盲區(qū)時間，研究不同聲阻抗對激勵性能的影響規(guī)律。本文選取100 ～140 kHz頻率段的數(shù)據進行處理，試驗結果如圖3所示。

由圖3(a)回波系數(shù)隨頻率的變化結果可知，100～140 kHz之間的回波系數(shù)整體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著碳化硅比例的增加，1號～4號背襯層的聲阻抗值增大，透射到背襯層的聲能也增大。由于磁致伸縮材料的機電耦合特性，轉換的電能相應減少，導致回波系數(shù)的降低。

由圖3(b)回波信噪比隨頻率的變化結果可知，回波信噪比變化規(guī)律：3號>4號>2號>1號>無背襯層，證明了背襯層可有效地提高回波信噪比。從背襯材料的構成分析可知，3號背襯層含聚硫橡膠的比例最高，聚硫橡膠提高背襯層的衰減率，減少激勵信號的損失，從而提高信噪比。從背襯層的聲阻抗性能上分析可知，編號1、編號2、編號4的回波信噪比隨著聲阻抗的提高而提高，說明聲阻抗的提高有利于提高回波信號信噪比。

由圖3(c)盲區(qū)時間隨頻率的變化結果可知，編號1、編號2、編號4的盲區(qū)時間隨頻率變化的曲線無明顯規(guī)律。3號的盲區(qū)時間整體上要低于其余3種背襯層，其盲區(qū)時間短是因為聚硫橡膠的比例高于另外3種背襯層。聚硫橡膠比例的提高可起到軟化材料的作用，從而提高背襯層的聲衰減率。無背襯的盲區(qū)時間明顯高于1號～4號，說明背襯層的存在可有效縮短盲區(qū)時間。綜合分析得出，背襯層聲阻抗值越高，回波系數(shù)降低，回波信噪比提高。聚硫橡膠比例適當?shù)奶岣呖梢蕴岣咝旁氡扰c縮短盲區(qū)時間。3號背襯層的信噪比與盲區(qū)時間都優(yōu)于其余3種且回波系數(shù)正常，因此選擇3號背襯層的配比方式來制備超磁致伸縮傳感器的背襯層。

(a)

(b)

(c) 圖3 不同材料配比的背襯層對傳感器激勵性能的影響(a)回波系數(shù)的影響 (b)信噪比的影響 (c)盲區(qū)時間的影響Figure 3. Effects of backing layers with different material ratios on sensor excitation performance(a) Effect of echo coefficient (b) Effect of signal to noise ratio (c) Effect of dead zone time

2.3 背襯層長度對傳感器激勵性能的影響

文中試驗所用的振動元件為類似刀型的鋱鏑鐵，螺線管線圈繞于刀柄部。鑒于其結構的特殊性，設計的背襯層長度有以下3種形式，即在刀柄上表面12 mm、刀部上表面13 mm、整個上表面25 mm，如圖4所示。

圖4 不同形式的背襯層示意圖Figure 4. Diagram of different forms of the backing layer

首先，采用環(huán)氧樹脂將鋱鏑鐵與背襯層粘接制成超磁致伸縮傳感器。然后運用實驗的方法，采集回波信號數(shù)據經過濾波處理分析。最后通過比較信號的信噪比，確定背襯層的長度，實驗結果如圖5所示。

由圖5可知，使用背襯層之后，焊縫和端面的回波信號幅值及回波系數(shù)均降低?；夭ㄐ盘柕男旁氡纫哂谖词褂帽骋r層的信噪比。長度為25 mm的背襯信噪比最高，缺陷分辨率最大，從圖5中清晰的識別出3條焊縫及端面。由于長度25 mm的背襯層與整個鋱鏑鐵粘接，吸收整個鋱鏑鐵的余振，使余振的能量降低，從而提高回波信號信噪比。綜合分析得出長度為25 mm的背襯層信噪比優(yōu)于其他兩種長度的背襯層，故制備超磁致伸縮傳感器背襯層的長度選用25 mm。

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 不同長度的背襯層實驗波形圖(a)12 mm (b)13 mm (c)25 mm (d)無背襯層Figure 5. Experimental waveforms of backing layers of different lengths(a) 12 mm (b)13 mm (c)25 mm (d) No backing layer

2.4 背襯層厚度對傳感器激勵性能的影響

采用實驗與理論計算相結合的方法，研究背襯層厚度對傳感器激勵性能的影響。實驗測得聲波在背襯層中的傳播速度約為2 450 m·s-1，檢測頻率為85～90 kHz，波長為27 mm，背襯厚度可根據1/4的波長來確定，經理論計算，背襯的厚度約為6.8 mm。

考慮到背襯層與鋱鏑鐵的平行度以及粘接材料的厚度和均勻度，實驗分別采用厚度為5 mm、6 mm、7 mm的背襯層進行實驗分析，實驗結果如圖6所示。

由圖6可知，背襯厚度為6 mm的傳感器信噪比高，缺陷分辨率高，波形圖中直接清晰地分辨出焊縫和端面。綜合分析得出厚度為6 mm的背襯層信噪比優(yōu)于其他兩種厚度的背襯層，故制備超磁致伸縮傳感器背襯層的厚度選用6 mm。

(a)

(b)

(c)

(d)圖6 不同厚度背襯的傳感器激勵波形圖(a)7 mm (b)6 mm (c)5 mm (d)無背襯層Figure 6. Sensor excitation waveforms for backings with different thickness(a) 7 mm (b) 6 mm (c) 5 mm (d) No backing layer

3 背襯層參數(shù)優(yōu)化結果驗證

將研制的新型背襯層超磁致伸縮傳感器與傳統(tǒng)背襯層超磁致伸縮傳感器進行實驗對比，從回波系數(shù)、信噪比與盲區(qū)時間3個因素對比分析來驗證研制的超磁致伸縮傳感器的實際性能。實驗結果如圖7所示。

(a)

(b)圖7 兩種背襯層傳感器激勵性能對比試驗(a)新型超磁致伸縮傳感器回波圖 (b)傳統(tǒng)超磁致伸縮傳感器回波圖Figure 7. Comparison tests of excitation performance of two kinds of backing layer sensors(a) Newmagnetostrictive sensor echo chart (b) Traditional magnetostrictive sensor echo chart

由圖7(a)可知，新型超磁致伸縮換能器的激勵信號與缺陷信號的幅值分別為1.35 V與0.46 V，最大噪聲信號的幅值0.07 V。圖7(b)中傳統(tǒng)超磁致伸縮傳感器的激勵信號與缺陷信號的幅值分別為0.81 V與0.19 V，最大噪聲信號的幅值0.08 V。將上述參數(shù)經理論計算，結果如表2所示。

表2顯示，新型背襯層超磁致伸縮傳感器在回波系數(shù)與信噪比上要高于傳統(tǒng)背襯層磁致伸縮傳感器，回波系數(shù)提升了10.7%，信噪比提高了10.6 dB；檢測盲區(qū)時間上，新型背襯層超磁致伸縮傳感器減少了0.4×10-4s。試驗結果表明新型超磁致伸縮傳感器的背襯層不僅能有效吸收余振還能提高傳感器的激勵性能，進一步證明了背襯層參數(shù)優(yōu)化的正確性與實用性。

表2 新型超磁致伸縮傳感器與傳統(tǒng)磁致伸縮傳感器激勵性能表

4 結束語

通過一系列實驗，本文得出以下結論：(1)當背襯層的聲阻抗增大時，回波系數(shù)減小，信噪比提高，盲區(qū)時間無明顯變化，通過加入適當比例的聚硫橡膠可提高回波信號的信噪比，縮短盲區(qū)時間；(2)背襯層回波信號的信噪比要高于未使用背襯層的信噪比，且長度為25 mm的背襯信噪比較高，缺陷分辨率較大；(3)使用背襯層后，回波系數(shù)明顯降低，且厚度為6 mm的背襯信噪比較高，缺陷分辨率較大。

綜上所述，優(yōu)化后的背襯層配比方式選擇編號3，長度25 mm，厚度為6 mm，超磁致伸縮傳感器激勵性能較好，更能滿足實際檢測的需要。