基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的管道扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波監(jiān)測(cè)換能器設(shè)計(jì)

張 帆，馬共立，李 策，王淑娟

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱鐵路科研所科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150006)

0 引言

金屬管材、棒材等在服役過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)腐蝕坑、裂紋、穿孔等結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此需要定期進(jìn)行檢測(cè)或長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。超聲導(dǎo)波作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以其單點(diǎn)激勵(lì)、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、檢測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)，成功應(yīng)用于在役管道、儲(chǔ)罐等大型工業(yè)設(shè)施的檢測(cè)中[1-3]。其中，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在傳播過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)沿管道周向振動(dòng)，對(duì)縱向缺陷敏感，且低模數(shù)的T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波具有非頻散特性，被廣泛應(yīng)用于管材、棒材缺陷檢測(cè)[4]?；诖胖律炜s效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波激勵(lì)方法由于換能效率高、換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

目前，長(zhǎng)距離磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。研制可長(zhǎng)期安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和無(wú)線(xiàn)激勵(lì)/接收裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)威德曼效應(yīng)，管狀、棒狀鐵磁性材料在正交磁場(chǎng)的作用下，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形式的形變(板狀鐵磁性材料中為水平剪切形式的形變)。因此，用于磁致伸縮SH導(dǎo)波檢測(cè)的換能器通常由預(yù)先磁化的磁致伸縮貼片和曲折線(xiàn)圈構(gòu)成，分別提供方向垂直的靜磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)。但是，偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波換能器換能效率影響明顯，預(yù)磁化方式提供的偏置磁場(chǎng)較小，導(dǎo)致?lián)Q能器換能效率低，導(dǎo)波傳播距離短[5]。此外，預(yù)磁化的磁致伸縮貼片中的剩磁會(huì)隨時(shí)間增加逐漸消退，導(dǎo)致預(yù)磁化式的磁致伸縮換能器無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。美國(guó)西南研究院提出了一種永磁式磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波換能器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了管道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，但是并未對(duì)換能器參數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了管道周向永磁陣列和柔性曲折線(xiàn)圈換能器結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元仿真分析永磁鐵陣列對(duì)偏置磁場(chǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)證明該換能器能夠激勵(lì)純凈的T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波，并且能夠通過(guò)調(diào)整磁致伸縮貼片寬度調(diào)整換能器中心頻率。

1 磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 換能器換能機(jī)理

磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波激勵(lì)與接收是威德曼效應(yīng)的典型應(yīng)用，如圖1(a)所示，鐵磁性管材或棒材在周向靜態(tài)磁場(chǎng)和軸向動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的共同作用下，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變。圖1(b)則給出了另一種激勵(lì)和接收扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的方法，即將靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的方向改變，同樣能夠在管材、棒材中激勵(lì)和接收扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波，這一現(xiàn)象稱(chēng)為反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)[6]。

基于威德曼效應(yīng)或反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)，在管材、棒材表面通過(guò)耦合劑粘貼高磁致伸縮系數(shù)的材料，使其在方向垂直的靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)共同作用下，即可激勵(lì)和接收長(zhǎng)距離傳播的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。

(a)正威德曼效應(yīng)

1.2 換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)比2種結(jié)構(gòu)的換能器在鋁材料中信號(hào)幅值隨靜磁場(chǎng)變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，磁致伸縮貼片長(zhǎng)25 mm、寬10 mm、厚0.1 mm，粘貼在4 mm厚鋁板表面。圖2(a)為預(yù)磁化方式實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，使用霍爾元件測(cè)得2塊永磁鐵N極表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為241.6 mT和603.4 mT，線(xiàn)圈長(zhǎng)25 mm，寬10 mm。圖2(b)為基于威德曼效應(yīng)的換能器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，線(xiàn)圈長(zhǎng)25 mm、寬10 mm。圖2(c)為基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的換能器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，線(xiàn)圈長(zhǎng)25 mm，寬10 mm。線(xiàn)圈均采用線(xiàn)徑為0.03 mm的銅制漆包線(xiàn)緊密繞制，激勵(lì)頻率為200 kHz。通過(guò)調(diào)整電磁鐵，使霍爾元件測(cè)得的靜磁場(chǎng)大小由30 Gs增加至600 Gs，步進(jìn)值為30 Gs(1 Gs=10-4T)。

(a)預(yù)磁化實(shí)驗(yàn)裝置

換能器為自發(fā)自收結(jié)構(gòu)，記錄換能器接收到的端面回波信號(hào)幅值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明：

圖3 靜磁場(chǎng)-幅值曲線(xiàn)

(1)隨著預(yù)磁化使用的磁鐵強(qiáng)度增加，接收到的端面信號(hào)幅值增加，且預(yù)磁化方式接收到的導(dǎo)波端面信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于最佳偏置磁場(chǎng)下基于威德曼效應(yīng)和反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的換能器接收到的導(dǎo)波端面信號(hào)幅值。

(2)隨著偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，導(dǎo)波端面回波信號(hào)幅值呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。因此，為了獲得最大換能效率，需要將偏置磁場(chǎng)設(shè)置為最佳偏置磁場(chǎng)。

(3)偏置磁場(chǎng)大小相同的情況下，基于威德曼效應(yīng)的換能器換能效率略大于基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的換能器。

考慮到管狀、棒狀試件中難以通過(guò)永磁體產(chǎn)生均勻的周向靜磁場(chǎng)，且在最佳偏置磁場(chǎng)條件下，2種換能器結(jié)構(gòu)激勵(lì)和接收的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波幅值接近，因此采用基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的換能器結(jié)構(gòu)。如圖4所示，將永磁鐵沿管道周向排布，永磁鐵沿管道軸向方向充磁，產(chǎn)生軸向靜磁場(chǎng)，柔性PCB線(xiàn)圈在磁致伸縮貼片上下表面交替排布，通入交流脈沖信號(hào)后產(chǎn)生周向動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。

圖4 基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)換能器結(jié)構(gòu)

2 永磁鐵陣列參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 靜磁場(chǎng)有限元建模

為了通過(guò)永磁鐵陣列獲得最佳偏置磁場(chǎng)，使用COMSOL Multiphysics軟件建立換能器靜磁場(chǎng)有限元模型，仿真分析永磁鐵尺寸、提離距離對(duì)偏置磁場(chǎng)的影響。仿真模型如圖5所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量本文所使用的鐵鈷合金HB曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖5 靜磁場(chǎng)仿真模型

圖6 磁致伸縮帶HB曲線(xiàn)

表1 仿真模型具體參數(shù)

2.2 靜磁場(chǎng)仿真分析

偏置磁場(chǎng)由多個(gè)永磁鐵沿管道周向排列，每個(gè)永磁鐵沿管道周向方向尺寸10 mm，永磁鐵共30個(gè)。

為了研究磁鐵徑向尺寸和軸向尺寸對(duì)靜磁場(chǎng)的影響，采用控制變量法對(duì)上述2個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真。

首先，對(duì)永磁鐵軸向尺寸進(jìn)行仿真，以5 mm為步長(zhǎng)，分別計(jì)算永磁鐵軸向尺寸5～30 mm時(shí)磁致伸縮貼片中的偏置磁場(chǎng)。模型其他參數(shù)如表1所示，其中永磁鐵徑向尺寸為1 mm、提離距離為0.2 mm。磁致伸縮貼片中的偏置磁場(chǎng)如圖7所示，其中圖7(a)為靜磁場(chǎng)軸向分量沿管道周向方向的分布，圖7(b)為靜磁場(chǎng)軸向分量沿管道軸向方向的分布。結(jié)果表明，永磁鐵軸向尺寸對(duì)偏置磁場(chǎng)分布的均勻性和大小影響明顯。當(dāng)永磁鐵軸向尺寸小于磁致伸縮貼片寬度時(shí)，磁致伸縮貼片中靜磁場(chǎng)軸向分量在管道周向和軸向分布均不均勻，波動(dòng)明顯；且隨著永磁鐵軸向尺寸增加，靜磁場(chǎng)均勻性明顯改善，磁場(chǎng)大小降低。當(dāng)永磁鐵軸向尺寸大于磁致伸縮貼片寬度時(shí)，靜磁場(chǎng)均勻性、大小基本相同。因此，為了獲得分布均勻的偏置磁場(chǎng)，需要使永磁鐵軸向尺寸大于磁致伸縮貼片寬度。

(a)管道周向的軸向分量

然后，對(duì)永磁鐵徑向尺寸進(jìn)行仿真，以1 mm為步長(zhǎng)，分別計(jì)算永磁鐵徑向尺寸1～5 mm時(shí)磁致伸縮貼片中的偏置磁場(chǎng)。模型其他參數(shù)如表1所示，其中永磁鐵軸向尺寸為30 mm、提離距離為0.2 mm。磁致伸縮貼片中的偏置磁場(chǎng)如圖8所示，其中圖8(a)為靜磁場(chǎng)軸向分量沿管道周向的分布，圖8(b)為靜磁場(chǎng)軸向分量沿管道軸向的分布。結(jié)果表明，永磁鐵徑向尺寸對(duì)偏置磁場(chǎng)大小影響明顯，對(duì)磁場(chǎng)分布均勻性幾乎無(wú)影響。隨著永磁鐵軸向尺寸增加，偏置磁場(chǎng)軸向分量沿管道周向和軸向2個(gè)方向的分布均勻性幾乎不變，磁場(chǎng)大小線(xiàn)性增加。因此，可通過(guò)調(diào)整永磁鐵徑向尺寸，調(diào)整偏置磁場(chǎng)大小。

最后，對(duì)永磁鐵提離距離進(jìn)行仿真，以1 mm為步長(zhǎng)，分別計(jì)算永磁鐵提離距離0～5 mm時(shí)磁致伸縮貼片中的偏置磁場(chǎng)。模型其他參數(shù)如表1所示，其中永磁鐵軸向尺寸為30 mm、徑向尺寸為1 mm。磁致伸縮貼片中的偏置磁場(chǎng)如圖9所示，其中圖9(a)為靜磁場(chǎng)軸向分量沿管道周向方向的分布，圖9(b)為靜磁場(chǎng)軸向分量沿管道軸向方向的分布。結(jié)果表明，永磁鐵提離距離對(duì)偏置磁場(chǎng)大小影響明顯，對(duì)磁場(chǎng)分布均勻性幾乎無(wú)影響。

(a)管道周向的軸向分量

(a)管道周向的軸向分量

隨著永磁鐵提離距離增加，偏置磁場(chǎng)軸向分量沿管道周向和軸向2個(gè)方向的分布均勻性幾乎不變，磁場(chǎng)大小線(xiàn)性減小。因此，可通過(guò)調(diào)整永磁鐵提離距離，調(diào)整偏置磁場(chǎng)大小。

綜上所述，為了保證偏置磁場(chǎng)的均勻性，永磁鐵軸向尺寸需大于磁致伸縮貼片的寬度；偏置磁場(chǎng)的大小，可以通過(guò)調(diào)整永磁鐵徑向尺寸和提離距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波激勵(lì)與接收實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的換能器結(jié)構(gòu)激勵(lì)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的可行性，在厚度為2 mm的鋁管上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。將4 mm寬的磁致伸縮貼片環(huán)繞在管道表面，使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行粘接。激勵(lì)線(xiàn)圈為柔性PCB曲折線(xiàn)圈，相鄰導(dǎo)線(xiàn)族間距為10 mm，導(dǎo)線(xiàn)族寬度為2 mm，交替分布在磁致伸縮貼片上下表面。將軸向尺寸為15 mm、徑向尺寸為10 mm的N35釹鐵硼永磁鐵(剩磁約1.2 T)放置在磁致伸縮貼片上方，通過(guò)調(diào)整永磁鐵的提離距離，改變磁致伸縮貼片中偏置磁場(chǎng)的大小。

圖10 基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置

使用RITEC RAM-5000 SNAP非線(xiàn)性高能超聲測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)與接收，激勵(lì)頻率為300 kHz，接收換能器為周期永磁鐵型寬頻電磁超聲換能器。

接收信號(hào)如圖11所示，發(fā)射換能器與接收換能器間距為45 mm，接收到的超聲導(dǎo)波信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)間為142.8 μs，聲速為3 151 m/s，與鋁管中T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波的理論聲速基本一致。因此，本文提出的換能器結(jié)構(gòu)，能夠在管道中激勵(lì)純凈的T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波。

圖11 反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)在管道中激勵(lì)SH導(dǎo)波

偏置磁場(chǎng)過(guò)大或者過(guò)小，均會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮導(dǎo)波換能器換能效率降低。為了獲取最佳偏置磁場(chǎng)，將永磁鐵的提離距離從36 mm逐漸降低至0 mm，步進(jìn)值為2 mm。由于永磁鐵距離磁致伸縮貼片較近時(shí)，磁致伸縮貼片會(huì)被磁化，為了避免提離距離較大時(shí)磁致伸縮貼片中剩磁對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將永磁鐵從較大的提離位置開(kāi)始逐漸減小。記錄永磁鐵不同提離距離對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)幅值，結(jié)果如圖12所示，隨著提離距離逐漸降低，接收到的超聲導(dǎo)波信號(hào)幅值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

圖12 提離高度-信號(hào)幅值曲線(xiàn)

通過(guò)調(diào)整永磁鐵的提離距離，能夠有效調(diào)整磁致伸縮貼片中偏置磁場(chǎng)大小，選擇恰當(dāng)?shù)奶犭x距離，能夠使換能器換能效率達(dá)到最高水平。

4 換能器頻率響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)

使用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常采集多個(gè)頻率的導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析。因此，研究換能器中心頻率影響因素具有重要意義。理想情況下，對(duì)于有限寬度的均勻力源，激勵(lì)的超聲導(dǎo)波信號(hào)幅值最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，滿(mǎn)足力源寬度等于(n+0.5)倍波長(zhǎng)，其中n為非負(fù)整數(shù)。這可以直觀(guān)地理解為力源寬度小于波長(zhǎng)的1/2時(shí)，力源寬度逐漸增加，每一個(gè)點(diǎn)力源產(chǎn)生的位移對(duì)于和位移增加都是有貢獻(xiàn)的，所以力源寬度增加，即位移增加，接收信號(hào)幅值增加。當(dāng)力源寬度增加至1/2波長(zhǎng)后，繼續(xù)增加的點(diǎn)力源與相距為1/2波長(zhǎng)的點(diǎn)力源產(chǎn)生的位移恰好相互抵消，因此隨著力源寬度增加，和位移減小，接收信號(hào)幅值降低。

磁致伸縮貼片式換能器通過(guò)磁致伸縮貼片形變產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，因此試件表面力源分布與磁致伸縮貼片幾何形狀相似，即能夠通過(guò)調(diào)整磁致伸縮貼片寬度改變力源寬度，調(diào)整換能器中心頻率。本文分別使用寬度為4、6、8、10、12 mm的磁致伸縮貼片，在200～600 kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波激勵(lì)，其中激勵(lì)頻率步進(jìn)值為20 kHz。記錄各磁致伸縮貼片在不同頻率下接收信號(hào)的幅值，結(jié)果如圖13所示。結(jié)果表明，各接收信號(hào)幅值與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)頻率約為380、300、220、450、380 kHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為8.4、10.7、14.5、7.1、8.4 mm。由寬度為4、6、8 mm的磁致伸縮貼片的結(jié)果可知，隨著磁致伸縮貼片寬度增加，接收信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率逐漸降低，且滿(mǎn)足磁致伸縮貼片寬度約1/2波長(zhǎng)。根據(jù)上述關(guān)系，當(dāng)磁致伸縮貼片寬度為10 mm和12 mm時(shí)，接收信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率約為160 kHz和135 kHz，不在本實(shí)驗(yàn)激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀(guān)測(cè)。但是，其接收信號(hào)第2個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，滿(mǎn)足磁致伸縮貼片寬度約等于1.5倍波長(zhǎng)，這一對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)一步證明磁致伸縮貼片寬度為10 mm和12 mm時(shí)，接收信號(hào)第1個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為磁致伸縮貼片寬度的2倍。

圖13 導(dǎo)波換能器的頻率響應(yīng)特性

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)預(yù)磁化式磁致伸縮導(dǎo)波換能器無(wú)法應(yīng)用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的不足，本文提出了一種基于反轉(zhuǎn)威德曼效應(yīng)的周向永磁陣列式換能器結(jié)構(gòu)。通過(guò)有限元仿真分析了永磁鐵尺寸和提離距離對(duì)偏置磁場(chǎng)的影響，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的換能器結(jié)構(gòu)激勵(lì)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的可行性。具體結(jié)論如下：

(1)為了保證偏置磁場(chǎng)均勻性，永磁鐵軸向尺寸須大于磁致伸縮貼片寬度；磁致伸縮貼片中偏置磁場(chǎng)大小隨永磁鐵徑向尺寸增加而增加，隨永磁鐵提離距離增加而減小。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)永磁鐵徑向尺寸和提離距離，調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)大小，直至換能效率達(dá)到最高。本文通過(guò)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波激勵(lì)實(shí)驗(yàn)證明了調(diào)節(jié)永磁鐵提離距離，能夠使換能器達(dá)到最佳換能效率。

(2)實(shí)驗(yàn)證明本文提出的換能器能激勵(lì)純凈的T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波，適用于工業(yè)管道長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)。

(3)實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的換能器中心頻率與磁致伸縮貼片寬度有關(guān)，中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，滿(mǎn)足磁致伸縮貼片寬度約為1/2波長(zhǎng)。因此，通過(guò)調(diào)整磁致伸縮貼片寬度，能夠設(shè)計(jì)預(yù)期中心頻率的換能器。