田少華　楊錄　張艷花　魏艷龍　王高

摘 要：通過分析磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理，討論了傳感器執(zhí)行元件的選擇、偏置磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)及線圈參數(shù)的選擇與計(jì)算。研制了兆赫茲小直徑金屬桿磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了傳感器的小型化、高精度、高分辨率。本文研制的傳感器在脈沖激勵(lì)電流的作用下，在細(xì)桿中激發(fā)、接收L（0，1）模態(tài)超聲導(dǎo)波，可用于缺陷、溫度、壓力等物理量的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：磁致伸縮 ；小直徑；兆赫茲；L（0，1）模態(tài)

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)作為一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，其具有非接觸、無需耦合介質(zhì)、傳播距離遠(yuǎn)和檢測(cè)效率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于接地圓鋼、工業(yè)管道，橋梁纜索等桿狀、管狀以及束狀構(gòu)件的在役檢測(cè)和長期監(jiān)測(cè)。國內(nèi)外學(xué)者如：KWUN等和王悅民、武新軍等對(duì)管道缺陷檢測(cè)進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究；XU等和吳斌、劉增華等對(duì)鋼絞線缺陷檢測(cè)進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。目前磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的研究大多基于大直徑桿狀、管狀金屬，很少有應(yīng)用于小直徑桿及金屬絲的研究，而且磁致伸縮傳感器的工作頻率不超過400kHz，無法滿足高精度、高分辨率、狹小空間等特殊要求。

本文以小直徑（d=3mm）金屬桿為研究對(duì)象，通過導(dǎo)波頻散特性的計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種工作頻率高達(dá)1M的磁致伸縮超聲波導(dǎo)傳感器，實(shí)現(xiàn)了傳感器小型化、高精度、高分辨率。

1 磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)原理

如圖1，超聲信號(hào)的激勵(lì)是基于磁致伸縮效應(yīng)，接收是基于磁致伸縮逆效應(yīng)。當(dāng)交變磁場(chǎng)作用于被偏置磁場(chǎng)磁化的鐵磁性構(gòu)件時(shí)，由于磁致伸縮效應(yīng)，構(gòu)件處于交變磁場(chǎng)中的部位在尺寸和形狀上會(huì)發(fā)生變化，從而振動(dòng)產(chǎn)生彈性波。沿構(gòu)件傳播的彈性波遇到缺陷或者構(gòu)件端部等聲阻抗突變的位置將發(fā)生反射，反射回波途經(jīng)接收傳感器時(shí)，磁致伸縮逆效應(yīng)將使構(gòu)件在此處的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而使其磁通量發(fā)生變化，通過電磁感應(yīng)將在接收傳感器的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)。通過對(duì)這些包含缺陷信息的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性構(gòu)件的檢測(cè)。

2 磁致伸縮傳感器設(shè)計(jì)

磁致伸縮傳感器由鐵磁性材料、偏置磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)三部分組成，鐵磁性材料是執(zhí)行元件，偏置磁場(chǎng)提供靜態(tài)工作點(diǎn)，交變磁場(chǎng)提供動(dòng)態(tài)工作空間。

2.1 鐵磁性材料的選擇

鐵磁性材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的核心部件，國內(nèi)牌號(hào)為1J22的鐵鈷釩軟磁合金，具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高（2.4T），飽和磁致伸縮系數(shù)大（60～100 10-6），居里點(diǎn)高（980℃）等特點(diǎn)，能夠很好的用作磁致伸縮傳感器的執(zhí)行元件。

2.2 偏置磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)

偏置磁場(chǎng)的作用表現(xiàn)在提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)、提高換能效率，且均勻的偏置磁場(chǎng)還可以的保證導(dǎo)波模態(tài)單一性。由于直流線圈偏置磁場(chǎng)長時(shí)間工作會(huì)發(fā)熱，無法保證磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，因此本文選用能夠提供長期穩(wěn)定偏置磁場(chǎng)的釹鐵硼永磁體。利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)偏置磁場(chǎng)作用下1J22內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行分析，仿真模型如圖2所示，1J22為長50mm、直徑3mm的桿；釹鐵硼永磁體為長8mm、寬6mm、厚6mm的長方體，沿厚度方向充磁，剩磁380mT，相對(duì)磁導(dǎo)率1.05；軛鐵為長30mm、寬8mm、厚8mm的長方形純鐵。仿真結(jié)果如圖3所示，1J22內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.9T，在15～35mm的范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布相對(duì)均勻。

交變的磁場(chǎng)由線圈通以交變的電流提供，其作用表現(xiàn)在提供動(dòng)態(tài)工作空間；改變線圈的寬度可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波模態(tài)的選擇，線圈寬度需取激發(fā)聲波半波長的整數(shù)倍。使用GUIGUW軟件繪制直徑為3mm的1J22頻散曲線如圖4所示，頻散曲線中有L（0，1）、L（0，2）、L（0，3）三種模態(tài)，其中L（0，1）模態(tài)從低頻段開始延伸到高頻段，而L（0，2）、L（0，3）模態(tài)存在一個(gè)下限截止頻率。在0～1MHz頻率范圍內(nèi)只存在L（0，1）模態(tài)縱向?qū)Р?，?00kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)群速度隨頻率的變化較大。由頻散曲線估算聲波的群速度和半波長，以確定線圈的寬度。1MHz聲波的群速度和半波長估算值分別為：Cg=2250m/s、0.5λ=1.13mm，所以線圈的繞制寬度應(yīng)為1.13mm。

3 實(shí)驗(yàn)研究

通過搭建如圖5所示自主研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，F(xiàn)PGA控制DA產(chǎn)生頻率、周期數(shù)、觸發(fā)間隔均可調(diào)的漢寧窗調(diào)制正弦波脈沖源，經(jīng)濾波、功率放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈，在1J22桿（長50cm）中激勵(lì)出1MHz的L（0，1）模態(tài)超聲導(dǎo)波。傳感器工作在一發(fā)一收模式，接收線圈將超聲導(dǎo)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)前置放大、濾波、再發(fā)大（共放大60dB），最后輸入示波器顯示。

隨著頻率的增加，材料質(zhì)點(diǎn)振幅會(huì)減小，產(chǎn)生的超聲信號(hào)減弱，且超聲信號(hào)在傳播過程中衰減增大，為了提高換能效率，激勵(lì)與接收線圈需采用正反交替繞制的多段式線圈。本實(shí)驗(yàn)中為了能夠?qū)崿F(xiàn)兆赫茲超聲導(dǎo)波的激勵(lì)與接收，激勵(lì)與接收線圈均采用正反交替繞制的六段式線圈。傳感器工作在中心頻率為1MHz的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖6（a）表示激勵(lì)信號(hào)峰峰值為20V，接收信號(hào)依次為空間電磁信號(hào)、超聲波經(jīng)桿長傳播直接到達(dá)接收端的信號(hào)、超聲波在桿中經(jīng)過一次來回反射的信號(hào)。圖6（b）表示對(duì)接收端時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻域分析的結(jié)果，接收端信號(hào)的頻率接近1MHz。實(shí)驗(yàn)所得980kHz聲波的群速度：Cg=2264m/s，與理論估算值基本接近。

4 結(jié)論

本文提供了一種磁致伸縮換能效率高的鐵磁性材料，可以很好的用于磁致伸縮傳感器的執(zhí)行元件；同時(shí)提供了偏置磁場(chǎng)和感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)方法。基于直徑3mm的1J22金屬桿研制出了兆赫茲的磁致伸縮式超聲導(dǎo)波傳感器，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的可靠性，實(shí)現(xiàn)了磁致伸縮傳感器的小型化、高精度、高分辨率。

參考文獻(xiàn)

[1]KWUN H， KIM S Y， MATSUMOTO H， et al.Detection of axial cracks in tube and pipe using torsional guided wave[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 2008， 975： 193-199.

[2]王悅民，康宜華，武新軍等.磁致伸縮效應(yīng)在圓管中激勵(lì)縱向?qū)Рǖ睦碚摵驮囼?yàn)研究[J].機(jī)械工程報(bào)，2005，41（10）：174-179.

[3]武新軍，徐江，沈功田. 非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波管道無損檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].無損檢測(cè)，2010，03：166-170.

[4]吳斌，劉秀成，何存富等.兆赫茲縱向模態(tài)磁致伸縮傳感器的設(shè)計(jì)及其在鋼絞線中的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（22）：1-6.

[5]劉秀成.磁致伸縮與磁彈一體化傳感技術(shù)及其鋼索檢測(cè)應(yīng)用研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2013.

作者簡介

田少華（1988-），男，在讀碩士研究生，主要從事超聲檢測(cè)和信號(hào)處理方面的研究。