磁致伸缩型圆管超声导波检测

磁致伸缩型圆管超声导波检测1.基于磁致伸缩的圆管超声导波换能器设计1.1磁致伸缩原理磁致伸缩现象是铁磁性材料所具有的一种材料特性，指的是当铁磁材料置于外磁场中时，它的几何尺寸沿磁力线方向产生伸长或缩短。铁磁性材料的磁致伸缩现象可以通过微观磁畴结构的移动和变形来解释。磁畴指的是磁性材料内部的一个个小区域，每个小区域内部包含有大量原子，这些原子的磁矩排列整齐，但是相邻不同区域间原子磁矩排列方向不同。磁畴间的交界面称为畴壁。由于宏观物体具有很多磁畴，各磁畴的磁矩方向随机分布，结果相互抵消，整体表现为零磁矩。当存在外磁场时，材料内部平衡破坏，内部磁化重新分配，具体表现为磁矩发生转动，磁体的磁畴发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化，上述现象称之为磁致伸缩效应。基于此效应可以在磁性材料中激发应力振动，产生超声导波。相反，在极化条件下的铁磁晶体，当受到外界交变应力作用而引起应变时，铁磁体将会发生畴壁移动和磁畴转动，从而引起材料磁场变化，产生交变磁场，这种现象被称为逆磁致伸缩逆效应。利用逆磁致伸缩效应可以将导波产生的应力振动转换成为电磁信号，从而实现导波信号的接收。1.2T(0，1)模态换能器设计为了在圆管中激发选定模态，需要换能器产生的位移场尽量与所激发模态位移相匹配。圆管中T(0，1)模态主要以沿圆周方向位移为主，本节基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，设计了超声导波T(0，1)模态换能器。T(0，1)模态换能器由磁铁，线圈和镍箔组成，结构如图1-1所示。其中磁铁用于提供恒定的静态磁场，对铁磁性材料进行预磁化。磁铁沿管道周向均匀布置，不同磁铁相邻面磁极方向相反，以形成磁力线沿管道周向的静磁场。线圈用于产生动态磁场，布置于磁铁下方，并沿管道周向绕制。在激发超声时，线圈中通入交变电流，以产生交变磁场，进而在铁磁性材料中激发位移振动。镍片使用环氧树脂胶粘贴于管道表面，起增强磁致伸缩效应的作用。动静磁场基于磁致伸缩效应在镍片中产生的位移振动将通过胶层传递至管道中，从而在管道中激发出超声导波。磁铁和线圈T(0，1)模态换能器图1-1T（0,1）模态换能器磁铁和线圈在镍片中产生的磁场分布如图1-2所示，图中将镍片沿管道轴向(Z方向)切开并展平。镍片中由周向布置磁铁产生的静磁场沿轴方向，线圈在擦片中产生的动磁场方向沿Z轴方向交替变换。镍片中动静磁场方向相互垂直，根据Wiedemann效应，将在镍片中产生剪切应变，由于镍片粘贴于管道表面，因此镍片中的剪切应变将在管道中带动产生沿管道周向(轴方向)的应变振动，进而在管道中激发出以周向位移为主的T(0，1)模态。镍片中产生的磁场分布如图1-3所示，为了便于显示，图中将镍片沿管道轴向(Z方向)切开并展平。镍片中由周向布置磁铁产生的静磁场沿轴方向，线圈在擦片中产生的动磁场方向沿Z轴方向交替变换。镍片中动静磁场方向相互垂直，根据Wiedemann效应，将在镍片中产生剪切应变，由于镍片粘贴于管道表面，因此擦片中的剪切应变将在管道中带动产生沿管道周向(轴方向)的应变振动，进而在管道中激发出以周向位移为主的T(0，1)模态。图1-2T（0,1）模态换能器磁场分布2.T(0,1)模态换能器验证研究2.1实验仪器超声导波激发及接收实验平台如图2-1所示，由信号激发端、换能器、和信号接收端组成。导波信号激发端由电脑和信号发生器组成，电脑控制信号发生器产生导波激发波形，产生的激发波形直接输入激发换能器。激发的电信号经激发换能器转换为应力振动，并在管道中激发出沿管道传播的超声导波。管道中传播的导波振动可由接收换能器转换为电信号，并由接收端接收。由磁致伸缩型换能器转换的电信号幅值极低，属于微弱信号，而数据采集卡A/D转换分辨率为mV级，远大于接收换能器输出信号幅值，因此需要在接收换能器和数据采集卡间接入三个前置放大器，用以放大接收信号。前置放大器为实验室自行开发，由高压保护电路和低噪音放大模块组成，放大增益为-4.5dB至55.5dB。经放大后的信号送入数据采集卡进行A/D转换并传入电脑记录保存。导波检测通常利用传播时间计算传播距离，需要数据采集卡在导波信号激发的同时开始记录波形。同时设置信号发生器在输出激发波形的起始时刻同时向数据采集卡输出一个高电平，并利用数据采集卡的外触发模式实现导波激发和接收间的同步。图2-1超声导波激发及接收实验平台2.2T(0,1)模态换能器实验验证T(0，1)模态激发换能器具有一层线圈、2个磁铁；接收换能器与激发换能器结构相同。激发换能器和接收换能器布置，如图2-2-1所示。管道总长2300mm，外径60mm，壁厚3mm。图2-2-1激发换能器和接收换能器布置启动LabVIEW程序，打开导波信号检测程序框图2-2-2，在导波信号检测前面板中，将3个前置放大器单元，脉冲激发单元等单元各项参数进行设定，模态激发频率选择为350kHz，激发波形为汉宁窗调制正弦波。接收换能器采集的检测信号如图2-2-3所示。图2-2-2导波信号检测程序框图2-2-3导波信号检测前面板上述过程是对无损管道进行了T（0,1）模态换能器进行了验证试验，验证得到了单次采样峰波和平均采样峰波。由图中可知在1500um内起始处第一个波包为激发耦合噪音，第2个波包出现在675um，为由激发换能器直接传播至接收换能器信号，第3个幅值较大波包出现在1318um，其与第2个波包间时间差为643um。3.圆管损伤检测实验研究沿管道传播的超声导波模态遇到损伤后会发生反射，基于磁致伸缩型导波换能器对管道损伤检测进行实验研究，利用损伤反射回波可以实现管道损伤检测。使用电火花加工在距接收换能器500mm处加工管道周向裂纹作为损伤，裂纹长度为圆管1/4周长，宽1.5mm，裂纹贯穿整个管道壁厚。利用上述T（0,1）模态换能器的验证试验来进行管道损伤检测，得到3-1图。由图3-1所示波包的位置、激发换能器和接受换能器在受损管道之间的位置、时间关系，可以在圆管轴向准确的识别和定位损伤。图3.1圆管导波损伤检测4.总结和致谢在综述磁致伸缩原理的基础上，基于铁磁性材料的磁致伸缩效应设计了T(0，1)模态换能器，并在实验室条件下对所设计换能器特性进行了实验研究。随后基于所设计的换能器，对圆管中人为模拟损伤进行了检测实验研究，结果表明:基于所设计的轴对称模态换能器，利用损伤反射轴对称模态信号，可以准确的识别损伤，同时定位损伤在圆管中所处的轴向位置。感谢老师、师兄和同学对实验过程中的指导，在师兄的帮助，完成了相关实验，在实验过程中也学会了圆管超声导波检测的专业知识。