吳 斌，劉飛鵬，劉秀成，王 歡，楊寧祥，劉 堯

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519002)

特種設(shè)備行業(yè)的大型儲(chǔ)罐壁板、起重機(jī)械橫梁等均可視為板類結(jié)構(gòu)，在服役過程中，板內(nèi)缺陷的形成和擴(kuò)展直接影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全，因此需要發(fā)展專用技術(shù)對結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行檢測。由于具備對大范圍內(nèi)的缺陷進(jìn)行快速有效檢測的能力，超聲導(dǎo)波技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于壓力容器、管道等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[1]。

目前，在SH0模態(tài)導(dǎo)波激發(fā)的壓電傳感器技術(shù)方面已取得突破性進(jìn)展[2]，但磁致伸縮SH0模態(tài)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍具有拆裝簡便的獨(dú)特優(yōu)勢。美國西南研究院率先采用鐵鈷合金條帶作為傳感材料，基于魏德曼效應(yīng)激發(fā)SH0模態(tài)導(dǎo)波，通過更換激發(fā)線圈的連接方式即可實(shí)現(xiàn)傳感器中心頻率的調(diào)整[3]。國內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)針對特定的檢測要求，相繼研制出多類型的磁致伸縮SH0模態(tài)傳感器[4]。

為了提高導(dǎo)波激發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)傳感器的陣列化，VINOGRADOV等[5]研制了基于逆魏德曼效應(yīng)的磁致伸縮傳感器，激發(fā)SH0模態(tài)導(dǎo)波對儲(chǔ)罐壁板、大口徑管道進(jìn)行缺陷檢測。上述傳感器激發(fā)導(dǎo)波聲場的擴(kuò)散角有限，需在被測結(jié)構(gòu)表面安裝多個(gè)傳感器，才能覆蓋大范圍內(nèi)的缺陷檢測需求。SEUNG等[6]利用環(huán)繞導(dǎo)線的鎳環(huán)片，在板中激發(fā)出全向的SH0模態(tài)導(dǎo)波，解決了單向聲場覆蓋范圍有限的問題，但全向波場對缺陷的定位能力不足。

一種兼顧大范圍和高精度定位的檢測模式為：利用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生單向性較好的SH0模態(tài)導(dǎo)波聲場，沿直線移動(dòng)傳感器完成大范圍內(nèi)板中缺陷的掃查與成像。筆者通過試驗(yàn)優(yōu)化方法，研制了鋼板缺陷的磁致伸縮SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器。重點(diǎn)優(yōu)化了檢測線圈結(jié)構(gòu)及尺寸，提高了傳感器激發(fā)的導(dǎo)波幅值；分析了鐵鈷合金帶材剩磁狀態(tài)對信號(hào)質(zhì)量的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)了永磁式偏置磁場，提高了檢測信號(hào)質(zhì)量；最后，利用研制的SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器實(shí)現(xiàn)了板中缺陷的檢測與幅值成像。

1 SH模態(tài)磁致伸縮傳感器

1.1 工作原理

磁致伸縮SH模態(tài)導(dǎo)波傳感器基本工作原理如圖1所示。一般采用永磁磁路對磁致伸縮帶材進(jìn)行單向靜態(tài)偏置磁化，檢測線圈中通入高頻交變或?qū)拵}沖電流以提供與動(dòng)態(tài)磁場Hd方向相垂直的動(dòng)態(tài)磁場Hs。由魏德曼效應(yīng)可知，磁致伸縮帶材在正交的動(dòng)、靜磁場作用下，將產(chǎn)生高頻剪切形變，通過橫波耦合劑耦合至待測鋼板并沿鋼板傳播形成水平剪切的SH模態(tài)導(dǎo)波?；谀娲胖律炜s效應(yīng)，反射回磁致伸縮帶材的導(dǎo)波將擾動(dòng)其內(nèi)部的靜態(tài)磁場，被檢測線圈接收并以電壓信號(hào)輸出。由上述工作原理可知，磁致伸縮帶材的靜態(tài)偏置磁化和動(dòng)態(tài)磁場的構(gòu)建方式均會(huì)影響SH模態(tài)磁致伸縮傳感器的性能。

圖1 磁致伸縮SH模態(tài)導(dǎo)波傳感器基本工作原理示意

在常規(guī)的檢測模式中，采用的是永磁體預(yù)先磁化方式，使得磁致伸縮帶材處于剩磁狀態(tài)，對應(yīng)圖1中磁特性曲線的R點(diǎn)位置。在動(dòng)態(tài)磁場Hd恒定的條件下，磁致伸縮帶材的換能效率β主要由偏置磁場Hs的均勻性及材料磁感應(yīng)強(qiáng)度B決定[7]。一方面，人工預(yù)先磁化操作不當(dāng)或外界磁場干擾等因素易導(dǎo)致磁致伸縮帶材內(nèi)的剩磁強(qiáng)度呈現(xiàn)不均勻性，劣化傳感器的導(dǎo)波檢測性能；另一方面，從圖1所示的換能效率曲線可知，在剩磁強(qiáng)度附近(R點(diǎn))磁致伸縮帶材的換能效率相對較低，適當(dāng)選取偏置磁場強(qiáng)度Hs(例如A點(diǎn))以提高材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，可進(jìn)一步提升傳感器的換能效率[8]。

1.2 方案設(shè)計(jì)

為了解決上述偏置磁場與檢測線圈的相關(guān)技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了磁致伸縮SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器(見圖2)。采用U型永磁磁路對鐵鈷合金磁致伸縮帶材進(jìn)行恒定磁化，確保掃查過程中鐵鈷合金帶材內(nèi)偏置磁場滿足均勻性要求，并提供比剩磁狀態(tài)更高的偏置磁場強(qiáng)度，提升傳感器的換能效率。

圖2 磁致伸縮導(dǎo)波掃查器結(jié)構(gòu)示意

矩形截面檢測線圈內(nèi)部放置厚度為h的鐵磁性屏蔽層。當(dāng)檢測線圈內(nèi)部通入交變電流時(shí)，上導(dǎo)線電流形成的交變磁場將集聚在鐵磁性屏蔽層中并同時(shí)形成渦流場，由此削弱直接耦合至線圈底部磁致伸縮帶材的磁場分量，減小上、下導(dǎo)線形成的動(dòng)態(tài)磁場的相消程度。相比空心矩形檢測線圈，鐵磁性屏蔽層的引入，可以在確保導(dǎo)波激勵(lì)幅值的情況下，大幅降低矩形線圈的高度w。

實(shí)際采用的檢測線圈由柔性扁平排線制成，截面高度和長度分別固定為w=10 mm，長度L=70 mm。通過試驗(yàn),對比分析了屏蔽層的材料、厚度及其與下導(dǎo)線的提離距離l對傳感器導(dǎo)波激勵(lì)幅值的影響。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了對磁致伸縮SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化與應(yīng)用測試，構(gòu)建了如圖3(a)所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。采用USB-UT350T型超聲檢測儀進(jìn)行導(dǎo)波激勵(lì)與信號(hào)采集，檢測參數(shù)可以通過上位機(jī)的LabVIEW軟件進(jìn)行控制。試驗(yàn)過程中，信號(hào)增益為70 dB，采樣頻率為6.25 MHz，平均次數(shù)為100。研制的SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器實(shí)物照片如圖3(a)所示。柔性扁平排線繞制在3D打印的塑料矩形框架上，屏蔽層嵌入塑料矩形框架內(nèi)，通過增減墊片調(diào)整其提離距離l。柔性扁平排線與自制的適配器連接，以設(shè)定線圈工作的中心頻率。

圖3 試驗(yàn)裝置實(shí)物及試件尺寸示意

試驗(yàn)裝置外觀及試件尺寸示意如圖3(b)所示，測試的鋼板尺寸(長×寬×厚)為1.5 mX0.75 mX2 mm。長約0.75 m的鐵鈷合金條帶通過環(huán)氧樹脂沿鋼板寬度方向黏貼，距離鋼板左側(cè)邊界約0.3 m。試驗(yàn)過程中，首先將導(dǎo)波掃查器置于鐵鈷合金條帶的中點(diǎn)位置，通過采集無缺陷鋼板中左、右兩側(cè)邊界的反射回波信號(hào)幅值，對屏蔽層與永磁磁路的作用進(jìn)行對比評價(jià)。其次，在距離鋼板下邊界、右邊界分別為0.375 m和0.5 m的位置加工直徑約6 mm的通孔缺陷，利用優(yōu)化后的導(dǎo)波掃查器沿鐵鈷合金條帶進(jìn)行掃查，并對檢測信號(hào)進(jìn)行幅值成像處理，實(shí)現(xiàn)缺陷定位。

3 屏蔽層試驗(yàn)優(yōu)化與分析

3.1 屏蔽層材料

先后選用鎳和純鐵薄板作為屏蔽層，測試含不同材料屏蔽層的矩形截面排線的導(dǎo)波檢測能力。試驗(yàn)過程中，鐵鈷合金條帶采用預(yù)先磁化方式工作于剩磁狀態(tài)。固定導(dǎo)波的激勵(lì)中心頻率為64 kHz，屏蔽層厚度及提離距離分別為h=0.1 mm和l=1 mm。在自發(fā)自收模式下，傳感器檢測到的典型時(shí)域?qū)Рㄐ盘?hào)如圖4所示?？梢钥闯?，有無屏蔽層時(shí)，傳感器均可以有效激發(fā)導(dǎo)波并檢測到鋼板左右兩側(cè)邊界的反射回波。左側(cè)邊界反射回波時(shí)間為0.2 ms，計(jì)算導(dǎo)波波速約為3 256 m·s-1，與SH0模態(tài)導(dǎo)波的群速度3 260 m·s-1接近。因此，研制的導(dǎo)波掃查器可以有效激勵(lì)出SH0模態(tài)導(dǎo)波。

圖4 有無屏蔽層時(shí)的導(dǎo)波檢測信號(hào)

相比無屏蔽層的情況，在矩形截面線圈內(nèi)先后水平嵌入鎳和純鐵薄板，傳感器檢測的導(dǎo)波幅值分別增加了約30%和40%。這驗(yàn)證了引入屏蔽層提升傳感器導(dǎo)波檢測能力的有效性。

相比純鐵而言，鎳的磁導(dǎo)率更高，與鐵鈷合金帶材的磁導(dǎo)率處于同一量級。上導(dǎo)線形成的磁場可以更好地聚集在鎳薄板中，但同樣下導(dǎo)線提供的部分磁場也會(huì)進(jìn)入高導(dǎo)磁的鎳薄板中，反而降低了耦合至鐵鈷合金帶材的磁場分量，導(dǎo)致傳感器激勵(lì)的導(dǎo)波幅值略有下降。因此，最終選擇利用純鐵薄板作為屏蔽層。

3.2 屏蔽層厚度

為了探究屏蔽層厚度對傳感器導(dǎo)波檢測能力的影響，固定屏蔽層的提離距離l=1 mm，先后將厚度h分別為0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 mm的純鐵屏蔽層嵌入檢測線圈，進(jìn)行不同中心頻率的導(dǎo)波檢測。

圖5(a)為中心頻率分別選取32 kHz,64 kHz,128 kHz時(shí)的時(shí)域信號(hào)。在不同頻率的試驗(yàn)中，均顯示：相比厚度1 mm的屏蔽層，采用0.1 mm厚屏蔽層時(shí)，傳感器檢測到的鋼板邊界反射回波幅值更高。統(tǒng)計(jì)屏蔽層厚度h變化時(shí)鋼板左邊界的反射回波幅值，并以h=0.1 mm時(shí)測得的反射回波幅值為基準(zhǔn)進(jìn)行幅值歸一化處理，結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 屏蔽層厚度對導(dǎo)波檢測幅值的影響

屏蔽層一方面可以減小上、下導(dǎo)線形成磁場的相消程度，另一方面也作為檢測線圈磁芯而改變線圈的電感或電阻抗。當(dāng)適配器內(nèi)的阻抗匹配電路不變時(shí)，屏蔽層厚度的增大將導(dǎo)致檢測線圈阻抗增加，使得電路諧振頻率偏離波長控制決定的中心頻率，此時(shí)傳感器的導(dǎo)波檢測性能下降。從圖5(b)可以看出，當(dāng)屏蔽層厚度由0.1 mm增加至0.5 mm時(shí)，傳感器檢測的導(dǎo)波幅值明顯降低，預(yù)示著在h處于0.10.5 mm范圍內(nèi)時(shí)，屏蔽層厚度的變化對電路諧振頻率的影響較為劇烈；當(dāng)h>0.5 mm時(shí)，隨屏蔽層厚度的增加，線圈的阻抗變化趨于平緩，此時(shí)傳感器檢測的導(dǎo)波信號(hào)只出現(xiàn)微小幅度的下降。

3.3 屏蔽層提離距離

選擇h=0.1 mm厚的純鐵屏蔽層，在02 mm范圍內(nèi)，以0.5 mm為步長改變磁屏蔽層提離距離l，記錄不同條件下的導(dǎo)波檢測信號(hào)，典型結(jié)果如圖6(a)所示。鋼板左側(cè)邊界回波幅值隨提離距離l的增加呈近似線性下降的規(guī)律(見圖6)。

圖6 屏蔽層提離距離對導(dǎo)波檢測幅值的影響

上導(dǎo)線形成的交變磁場磁力線遍及矩形截面空間，穿過屏蔽層上部空間的磁力線易被屏蔽層集束。當(dāng)屏蔽層不斷靠近上導(dǎo)線的(對應(yīng)提離距離l增加)過程中，屏蔽層影響的上部空間逐漸減小，也即繞過屏蔽層進(jìn)入下部空間和磁致伸縮帶材的磁力線增加，不斷抵消下導(dǎo)線形成的磁場強(qiáng)度，降低了傳感器的導(dǎo)波檢測性能。

4 偏置磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

采用永磁磁路對鐵鈷合金條帶進(jìn)行磁化，可以確保掃查過程中偏置磁化(與導(dǎo)波檢測能力相關(guān))的一致性，也可以提高傳感器的導(dǎo)波激發(fā)效率。針對前述優(yōu)化的檢測線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了偏置磁路結(jié)構(gòu)。檢測線圈的長度L=70 mm，在該長度范圍內(nèi)，應(yīng)盡量保持鐵鈷合金條帶內(nèi)的磁場均勻且強(qiáng)度較高。以此為優(yōu)化指標(biāo)，在COMSOL有限元仿真軟件中建立了如圖7所示的磁路模型。模型采用自由四面體網(wǎng)格劃分，對鐵鈷合金帶材上方信號(hào)提取處進(jìn)行局部細(xì)化。永磁鐵表面剩磁強(qiáng)度為0.42 T，鐵鈷合金條帶的磁導(dǎo)率設(shè)置為5 100 H·m-1。

圖7 磁路有限元仿真模型及典型結(jié)果

采用單因素分析方法，先后改變磁路跨距k和高度g，仿真計(jì)算鐵鈷合金條帶內(nèi)沿長度方向中心線(x軸)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況。

首先，固定磁路跨距k=90 mm，高度g為2050 mm，以步長為10 mm進(jìn)行調(diào)整，典型的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布仿真結(jié)果如圖8(a)所示。可以看出，隨著高度g的增大，磁路中間區(qū)域范圍內(nèi)鐵鈷合金條帶的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值不斷增加并最終趨于穩(wěn)定，同時(shí)沿x軸方向鐵鈷合金條帶內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布更加均勻。因此，選擇磁路高度g=50 mm。

其次，固定偏置磁路的高度g=50 mm，研究磁路跨距k對磁化效果的影響。為了制作結(jié)構(gòu)緊湊的掃查器，設(shè)定磁路跨距k不大于160 mm。在120160 mm內(nèi)以步長為10 mm改變k值，計(jì)算得到不同模型中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，結(jié)果如圖8(b)所示。以x=0處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)15%時(shí)對應(yīng)的x軸取值范圍，稱為磁化均勻長度Le。圖9為不同跨距時(shí)B0和Le的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，在磁極跨距k縮減過程中，B0上升但Le呈下降趨勢。當(dāng)k=120 mm，滿足Le>70 mm的要求且此時(shí)B0取值最大，有利于增強(qiáng)傳感器的導(dǎo)波激發(fā)效率。

圖8 帶材內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布仿真結(jié)果

圖9 不同跨距時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與均勻長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇導(dǎo)波激發(fā)頻率為64 kHz，開展不同磁化條件下的導(dǎo)波檢測對比試驗(yàn)。測試的磁化條件包括：① 采用永磁體對鐵鈷合金條帶進(jìn)行擾動(dòng)磁化，使其磁化不具備單向性；② 采用永磁體對鐵鈷合金條帶進(jìn)行單向磁化，使其工作于剩磁狀態(tài)；③ 采用優(yōu)化后的偏置磁路對鐵鈷合金條帶進(jìn)行恒定磁化。3種不同磁化條件下的導(dǎo)波檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 3種不同磁化條件下的導(dǎo)波檢測結(jié)果

在雜亂磁化狀態(tài)下，傳感器檢測到的左端面回波信號(hào)幅值很低且信號(hào)本底噪聲高。結(jié)果表明：采用永磁磁路恒定磁化時(shí)，傳感器的導(dǎo)波激發(fā)能力顯著增強(qiáng)，檢測的左端面回波信號(hào)幅值約為剩磁狀態(tài)時(shí)的2.4倍。

5 鋼板中缺陷掃查與成像

利用研制的磁致伸縮SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器沿鋼板寬度方向進(jìn)行掃查，當(dāng)傳感器靠近鋼板下邊界時(shí)，只檢測到左、右端面回波信號(hào)。在傳感器正對圓孔缺陷時(shí)，檢測到的缺陷回波幅值最高。圖11顯示的第一個(gè)缺陷回波是沿右側(cè)傳播導(dǎo)波遇到缺陷時(shí)的反射信號(hào)，第二個(gè)缺陷回波是沿左側(cè)傳播導(dǎo)波從左邊界折返后再次遇到缺陷時(shí)的反射信號(hào)。由于傳感器激發(fā)的導(dǎo)波聲場具有一定的擴(kuò)散角，在傳感器偏離圓孔缺陷一定角度時(shí)，傳感器仍能接收到缺陷反射回波信號(hào)。

圖11 不同位置缺陷掃查結(jié)果

在正對缺陷附近位置，以步長n=10 mm進(jìn)行掃查，共采集到20組導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行幅值成像的結(jié)果如圖12所示。從成像圖中可以清晰地看到缺陷回波信號(hào)，通過計(jì)算信號(hào)波形的希爾伯特包絡(luò)，并合理選擇閾值，可以對缺陷進(jìn)行定位。

圖12 缺陷區(qū)域的掃查成像結(jié)果

以所有20組檢測數(shù)據(jù)中左端面回波峰峰值的變異系數(shù)ρ為指標(biāo)，評價(jià)掃查器的工作性能。變異系數(shù)ρ為標(biāo)準(zhǔn)差和均值之比，越接近0，表明測試多組數(shù)據(jù)間的一致性較好。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：ρ約為9.1%，這表明在實(shí)際掃查過程中，所研制掃查器的導(dǎo)波檢測能力具有高穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

(1) 通過在矩形截面檢測線圈內(nèi)部嵌入磁屏蔽層的方式，可以在保持線圈導(dǎo)波檢測能力的基礎(chǔ)上大幅減小線圈高度。研究結(jié)果表明，純鐵材料的屏蔽效果優(yōu)于純鎳的，減小屏蔽層材料的厚度和提離距離，均可以提升檢測線圈的導(dǎo)波檢測能力。

(2) 采用具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的永磁磁路，提供更強(qiáng)的偏置磁場對鐵鈷合金進(jìn)行均勻磁化，可大幅提升傳感器的導(dǎo)波激發(fā)效率。利用設(shè)計(jì)的掃查器進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果顯示，相比剩磁狀態(tài)，永磁磁路磁化時(shí)傳感器檢測的回波信號(hào)峰峰值提升約1.4倍。

(3) 研制的磁致伸縮SH0模態(tài)導(dǎo)波掃查器具有高穩(wěn)定性，多次掃查檢測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)小于9.1%。利用掃查器獲得的信號(hào)進(jìn)行幅值成像，可以準(zhǔn)確檢測出鋼板中的圓孔缺陷。