丁秀莉， 武新軍， 孫鵬飛

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器原理的實(shí)驗(yàn)研究*

丁秀莉， 武新軍， 孫鵬飛

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)具有單點(diǎn)激勵(lì)即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但在檢測(cè)非鐵磁性構(gòu)件或端部外露構(gòu)件時(shí)面臨難題。在分析已有磁致伸縮導(dǎo)波傳感器檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，提出首先利用磁致伸縮效應(yīng)在鐵磁性波導(dǎo)管中產(chǎn)生導(dǎo)波；然后通過(guò)端部將其傳入構(gòu)件實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的原理，構(gòu)建了開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器原理的研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用270 kHz的縱向模態(tài)導(dǎo)波，在長(zhǎng)2 800 mm，壁厚2.5 mm的Φ25 mm低碳鋼鋼管上可檢測(cè)出0.5 mm深刻槽和Φ5 mm的通孔缺陷，且在長(zhǎng)2 800 mm，壁厚2.5 mm的Φ25mm不銹鋼鋼管上可得到明顯的端部回波信號(hào)，從而為該傳感器進(jìn)一步應(yīng)用于非鐵磁性或端部外露構(gòu)件檢測(cè)提供了依據(jù)。

磁致伸縮效應(yīng)； 傳感器; 導(dǎo)波； 波導(dǎo)管； 開(kāi)放式磁路

0 引 言

磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)只需單點(diǎn)激勵(lì)，即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)，大大節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間。傳統(tǒng)的磁致伸縮縱向?qū)Р▊鞲衅魇墙柚曡F，使永久磁鐵、被測(cè)構(gòu)件和銜鐵三者構(gòu)成閉合磁回路，而檢測(cè)線圈則需安裝在位于磁路中的構(gòu)件部位上[1,2]。該結(jié)構(gòu)的傳感器需要在構(gòu)件中形成均勻的偏置磁場(chǎng)，但對(duì)于端部外露很少的構(gòu)件，如石化行業(yè)常用的換熱管，其整體都處于換熱器內(nèi)，外露在管板端面僅1～5 mm的構(gòu)件[3]而言，無(wú)法在構(gòu)件上形成閉合的磁路。

本文提出了一種開(kāi)放磁路式的磁致伸縮導(dǎo)波傳感器，其利用永久磁鐵在鐵磁性波導(dǎo)管中形成開(kāi)放磁路的偏置磁場(chǎng)，再利用磁致伸縮效應(yīng)在波導(dǎo)管中產(chǎn)生導(dǎo)波，然后通過(guò)端部將其傳入構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，為檢測(cè)換熱管等端部外露構(gòu)件提供了一種可能的方法。此外，相比已有的磁致伸縮傳感器而言，該傳感器可直接用于檢測(cè)非鐵磁構(gòu)件，而無(wú)須粘結(jié)鎳帶等磁致伸縮材料[4]。因此，提出的開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器可直接在構(gòu)件端部進(jìn)行檢測(cè)[5]，無(wú)需預(yù)緊力[6,7]，且可直接檢測(cè)非鐵磁構(gòu)件。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括永久磁鐵、線圈和鐵磁性波導(dǎo)管。永久磁鐵直接吸附在波導(dǎo)管一端，形成開(kāi)放磁路，波導(dǎo)管另一端通過(guò)聲耦合劑直接耦合到被測(cè)構(gòu)件端部，線圈可細(xì)分為繞在波導(dǎo)管外壁的第一外線圈、第二外線圈和繞在波導(dǎo)管內(nèi)部的第一內(nèi)線圈、第二內(nèi)線圈。檢測(cè)時(shí)，第一外線圈與第一內(nèi)線圈串聯(lián)作為激勵(lì)線圈，第二外線圈與第二內(nèi)線圈串聯(lián)作為接收線圈;反之,亦可。

開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的檢測(cè)原理如下：永久磁鐵在波導(dǎo)管中形成開(kāi)放的軸向靜態(tài)偏置磁場(chǎng)。在激勵(lì)線圈中通高頻電流，在線圈周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的交變磁場(chǎng)。波導(dǎo)管中的磁致伸縮效應(yīng)利用的是外線圈內(nèi)部的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和內(nèi)線圈外部的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，因此,內(nèi)外線圈需反接串聯(lián)才能在波導(dǎo)管中形成方向一致的磁致伸縮應(yīng)變。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，波導(dǎo)管在軸向偏置磁場(chǎng)與軸向動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生縱向模態(tài)的導(dǎo)波沿波導(dǎo)管傳播，再經(jīng)傳聲耦合劑耦合到被測(cè)構(gòu)件上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波在被測(cè)構(gòu)件中的傳播。傳感器的接收是激勵(lì)的逆過(guò)程，利用的是逆磁致伸縮效應(yīng)，被測(cè)構(gòu)件中的回波經(jīng)傳聲耦合劑耦合到波導(dǎo)管中，當(dāng)導(dǎo)波經(jīng)過(guò)接收線圈下方時(shí)，線圈由于逆磁致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而獲得攜帶被測(cè)構(gòu)件相關(guān)信息的回波信號(hào)。

圖1 開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of open magnetic circuit magnetostrictive guided wave sensor

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的可行性，構(gòu)建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用實(shí)驗(yàn)室自研制的非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波管道無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)[8]，將激勵(lì)信號(hào)送給傳感器中的激勵(lì)線圈，傳感器與被測(cè)的鋼管構(gòu)件之間通過(guò)聲耦合劑緊密結(jié)合。傳感器中的接收線圈接收到的電信號(hào)又送入主機(jī)進(jìn)行濾波、放大等處理，然后送入示波器DPO4032進(jìn)行顯示，示波器數(shù)據(jù)由USB存儲(chǔ)器保存，可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig 2 Block diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的波導(dǎo)管采用長(zhǎng)25 mm，壁厚2.5 mm的Φ25 mm低碳鋼管制作。傳感器的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)由8個(gè)外徑25 mm、內(nèi)徑8 mm、厚6 mm(極化方向)的N42釹鐵硼永磁體提供。線圈采用Φ0.21 mm的漆包線手工繞制而成，如圖3與圖4所示。圖3為直接纏繞在波導(dǎo)管上的第一外線圈和第二外線圈，匝數(shù)為23，寬度為5 mm，間隔5 mm。圖4為纏繞在外徑19 mm，長(zhǎng)20 mm的塑料管上的第一內(nèi)線圈和第二內(nèi)線圈，匝數(shù)為23，寬度為5 mm，間隔為5 mm。繞有線圈的塑料管插入波導(dǎo)管中，保證第一內(nèi)線圈正對(duì)第一外線圈，第二內(nèi)線圈正對(duì)第二外線圈。永磁體吸附在波導(dǎo)管一端，第一內(nèi)線圈和第二內(nèi)線圈的引線穿過(guò)塑料管上的通孔，并沿永磁體的孔引出。第一外線圈和第一內(nèi)線圈反向串聯(lián)作為激勵(lì)線圈，第二外線圈和第二內(nèi)線圈反向串聯(lián)作為接收線圈。將上述的端部磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝在壁厚2.5 mm的Φ25 mm鋼管端部，便可進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示。

圖3 第一外線圈和第二外線圈Fig 3 The first and the second outer coils

圖4 第一內(nèi)線圈和第二內(nèi)線圈Fig 4 The first and the second inner coils

圖5 開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝示意圖Fig 5 Installation diagram of open magnetic circuit magnetostrictive guided wave sensor

實(shí)驗(yàn)中,用到2根Φ25 mm×2 800 mm，壁厚2.5 mm的鋼管，其中一根為低碳鋼鋼管，加工有0.5 mm深刻槽和Φ5 mm的通孔，另一根為無(wú)缺陷的非鐵磁性不銹鋼鋼管。

2.2 低碳鋼鋼管缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)的鋼管材料為鐵磁性的低碳鋼，鋼管上有一個(gè)Φ5 mm的通孔缺陷與一個(gè)深度為0.5 mm、沿鋼管軸向?qū)? mm的外壁周向平底刻槽。開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的布置如圖6所示，永久磁鐵的S極連接波導(dǎo)管，圖6中的T表示激勵(lì)線圈，R表示接收線圈。采用2個(gè)周期270 kHz正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)頻率為5 Hz。接收信號(hào)的放大增益設(shè)為40 dB，濾波帶寬設(shè)為50～800 kHz，進(jìn)行缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。

圖6 低碳鋼鋼管的缺陷分布與傳感器布置圖Fig 6 Diagram of defect distributions in low carbon steel pipe and sensor arrangement

圖7 低碳鋼鋼管的缺陷檢測(cè)信號(hào)Fig 7 Defect detecting signal of low carbon steel pipe

由于接收線圈與激勵(lì)線圈距離很近，電磁脈沖信號(hào)與通過(guò)信號(hào)重疊在一起。圖7中A為電磁脈沖與通過(guò)信號(hào)的重疊信號(hào)，B為0.5 mm深刻槽的回波信號(hào)，C為Φ5 mm通孔的回波信號(hào)，D為鋼管右端部的回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明：開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器可以直接安裝在鋼管端部進(jìn)行檢測(cè)，并能有效檢測(cè)出鋼管構(gòu)件中的周向刻槽和通孔缺陷，易于識(shí)別。

2.3 非鐵磁性不銹鋼鋼管檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

非鐵磁性不銹鋼的實(shí)驗(yàn)布置如圖8所示，與檢測(cè)低碳鋼鋼管的傳感器布置相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于不銹鋼鋼管為非鐵磁性，傳感器無(wú)法直接吸附在鋼管上，因此，需要人為加壓使得傳感器與鋼管緊密接觸。采用2個(gè)周期270 kHz正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)頻率為5 Hz。接收信號(hào)的放大增益設(shè)為40 dB，濾波帶寬設(shè)為50～800 kHz，檢測(cè)信號(hào)如圖9所示，A為電磁脈沖和通過(guò)信號(hào)的重疊信號(hào)，D為無(wú)缺陷鋼管的右端部回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明：開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器可以得到明顯的非鐵磁性鋼管端部回波信號(hào)。

圖8 檢測(cè)不銹鋼鋼管的傳感器布置圖Fig 8 Arrangement diagram of sensor for stainless steel pipe detecting

圖9 非鐵磁不銹鋼鋼管的檢測(cè)信號(hào)Fig 9 Detecting signal of non-ferromagnetic stainless steel pipe

3 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)換熱管等端部外露構(gòu)件遇到的難題，本文提出了一種開(kāi)放磁路式的磁致伸縮導(dǎo)波傳感器。該傳感器的最大特點(diǎn)是可直接安裝在構(gòu)件端部進(jìn)行檢測(cè)，不需要形成閉合磁路，且無(wú)需將線圈纏繞在被測(cè)構(gòu)件上，具有安裝簡(jiǎn)單，重復(fù)使用率高的優(yōu)點(diǎn)。借助波導(dǎo)管的作用，還可將該傳感器應(yīng)用于非鐵磁性構(gòu)件檢測(cè)。本研究工作為端部外露構(gòu)件難檢測(cè)的技術(shù)問(wèn)題提供了一種新方法，也為非鐵磁性構(gòu)件的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)奠定了一定基礎(chǔ)。

[1] 陳福梁.基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[2] Masahiko Hirao,Hirotsugu Ogi.EMATs for science and industry: Noncontacting ultrasonic measurements[M].New York:Kluwer Academic Publishers(KAPs),2003:13,43-44.

[3] GB 151—1999管殼式換熱器[S].

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Experimental research on principle of open magnetic circuit magnetostrictive guided wave sensor*

DING Xiu-li, WU Xin-jun, SUN Peng-fei

(School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Magnetostrictive guided wave technology can realize long distance testing with single point excitation,however,it faces challenges when testing non-ferromagnetic components or components with exposed ends.On the basis of analyzing testing principle of existing magnetostrictive guided wave sensors,firstly,propose using magnetostrictive effect to generate guided wave in ferromagnetic waveguide tube;and then transfers the wave to component to be tested,and also laboratory platform for principle research on open magnetic circuit magnetostrictive guided wave sensor is built.Longitudinal mode waveguide of 270 kHz is used to detect the notch with 0.5 mm thickness and through-hole defect ofΦ5 mm in a 25 mm-diameter,2.5 mm-wall thickness,2800 mm-length low carbon steel pipe,and the sensor also can receive obvious end echo signal in a 25 mm-diameter,2.5 mm-wall thickness,2 800 mm-length stainless steel pipe,which provides basis for further application in detection of non-ferromagnetic or end-exposed component.

magnetostrictive effect; sensor; guided wave; waveguide tube; open magnetic circuit

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0017—03

2014—09—02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205148); 國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ09017502)

TG 115.28

A

1000—9787(2014)12—0017—03

丁秀莉(1990-)，女，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶懦暉o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。