磁致伸縮與磁彈一體化傳感器的研制

劉秀成 吳斌何存富

 

 

 

 

 

        基于鐵磁性材料的磁致伸縮與磁彈效應， 已發(fā)展出多種形式的傳感器技術(shù)， 用千不同結構的缺陷檢測與應力測量等。KW口寸等[I]研制出磁致伸縮傳感器， 基千超聲導波技術(shù)對斜拉索、 描桿等波導結構進(jìn)行缺陷檢測； 劉增華等[2]利用縱向模態(tài)磁致伸縮傳感器對7芯鋼絞線(xiàn)進(jìn)行了缺陷檢測試驗研究。為實(shí)現低碳鋼絲的應力測量，KVASNICA等[3]設計出線(xiàn)圈式磁彈傳感器，用于試驗分析拉應力對材料磁滯回線(xiàn)的影響規律。SUMITRO等[4]提出了局部磁滯回線(xiàn)測量技術(shù)，以提高磁彈應力測量方法的穩定性。國內，姜建山等[5]研制出具有旁路勵磁結構的磁彈傳感器用千鋼索應力測猛。上述傳感器大多只能進(jìn)行單一的缺陷檢測或 單一的應力測品，要同時(shí)獲取被測結構的應力狀態(tài)和缺陷信息，必須采用組合傳感技術(shù)，不僅增加檢 測成本且實(shí)施復雜。發(fā)展功能集成的單體傳感器一 直是無(wú)損檢測領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。例如XU等[6]設計出一種混合傳感器，可基丁漏磁與超聲導波技術(shù)實(shí)現[7]斜拉橋索的缺陷檢測。WICHMAN等 利用磁彈傳 感器對箱梁橋中的預應力鋼絞線(xiàn)進(jìn)行了應力監測，并通過(guò)測撮磁導率、磁感應強度等參數變化的方法 實(shí)現對局部腐蝕缺陷的檢測。

       本文研制出一款找磁致伸縮與磁彈傳感器共 同結構的一體化傳感器，具備缺陷與應力檢測的雙功能。首先，基千磁致伸縮與磁彈基本理論，對一 體化傳感器的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化選取并提供一 種補償方案；其次，將研制的一體化傳感器用千鋼桿缺陷與應力檢測試驗研究，以測試一體化傳感器 的檢測性能。

1 一體化傳感器結構和工作原理

       用千在鋼桿等波導結構中激勵產(chǎn)生縱向模態(tài) 超聲導波的磁致伸縮傳感器一般包括靜態(tài)偏置磁路 和感應線(xiàn)圈。偏詈磁路提供的靜磁場(chǎng)方向應與鋼桿 軸向一致，并與感應線(xiàn)圓形成的動(dòng)磁場(chǎng)方向平行。

        磁彈傳感器的偏凳磁路同樣用千提供沿鋼桿 軸向分布的磁場(chǎng)，只是一般采用內、外兩個(gè)感應線(xiàn) 圈。外層線(xiàn)圓中通入交變電流以對材料施加動(dòng)磁場(chǎng)擾動(dòng)t,,.H, 內層線(xiàn)匱的感應電動(dòng)勢反映出材料內部磁 感應強度的變化/t,,.B, 由此計算得出材料磁導率µ=戰／兇九

        上述兩種傳感器的土體結構基本相同，可集今為一體化結構，以使單體傳感器工作于雙模式且具 備應力與缺陷檢測的雙功能。陽(yáng)l為本文所設計 的一體化傳感器結構，主要包括偏置磁路與內、外 層感應線(xiàn)圈。偏置磁路由輒鐵、套環(huán)和永磁體等 構成。

       一體化傳感器涉及磁致伸縮與磁彈兩種工作 模式，要實(shí)現檢測功能集成和檢測性能的提升，應 主要解決以下兩方面難題：＠工作參數耦合與優(yōu) 化。 一體化傳感器工作千兩種模式時(shí)需要共用偏栗 磁場(chǎng)，內、外層線(xiàn)圖的功能也需要進(jìn)行切換。應對 傳感器涉及的參數耦合等問(wèn)題進(jìn)行分析并確定優(yōu)化 指標；＠可實(shí)現一體化傳感器激勵與接收的集成裝 置研制。

        本文根據磁致伸縮與磁彈效應的基本理論，主 要針對一體化傳感器的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)優(yōu)化選取進(jìn)行 研究。一體化傳感器的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)強度進(jìn)行優(yōu)化選取時(shí)，必須同時(shí)考慮傳感器的能量轉換效率Q與應力測批靈敏度隊值得注意的是，當休化傳感器工作千磁致伸縮傳感器模式時(shí)，若在外 層線(xiàn)圈中通入直流，可提供附加靜磁場(chǎng)對靜態(tài)偏置磁場(chǎng)強度進(jìn)行補償以調整能量轉換效率。

2 偏置磁場(chǎng)仿真與參數優(yōu)化

       本文選取的測試對象為直徑6.3mm的鋼桿，鋼 桿材料采用60SiMnA鋼材進(jìn)行模擬。陽(yáng)2為60SiMnA鋼材的B-H曲線(xiàn)。依據計算不同外加磁場(chǎng)強度下能量轉換效率Q與應力測量靈敏度。為進(jìn)行對比，還繪出相對磁導率µ,隨磁 場(chǎng)強度H變化的分布曲線(xiàn)?？梢钥闯?，應力測量靈敏度與相對磁導率的變化趨勢基本致。在最大相 對磁導率對應的磁場(chǎng)強度H=l920A• m-1處，應力測噩靈敏度最大而能掀轉換效率較低。當磁場(chǎng)強度 H>l 920A• m-1時(shí)，隨著(zhù)磁場(chǎng)強度的增加，能量轉 換效率不斷上升而測蜇靈敏度呈下降趨勢。兩條表圖3傳感器性能表征參數變化曲線(xiàn)征曲線(xiàn)相交點(diǎn)的磁場(chǎng)強度約為Hy=3800A•m一l。在該點(diǎn)處，一體化傳感器既保待較高的應力測量靈敏 度又具有較高的能批轉換效率。

        在H<凡區間內，一體化傳感器的應力測量靈敏 度較高而能最轉換效率偏低，但利用外層線(xiàn)圈的偏置磁場(chǎng)補償作用仍可實(shí)現能量轉換效率的提升。因此，一體化傳感器的偏置磁場(chǎng)強度應在H<凡區間內選取并盡噩接近。一體化傳感器結構，采用AnsoftMaxwell有限元仿真軟件對靜態(tài)偏置磁路在鋼桿中形成的磁場(chǎng)強度分布進(jìn)行計算，以驗證是否滿(mǎn)足靜 磁場(chǎng)優(yōu)化選取原則。偏置磁路中所用套環(huán)內、外徑 分別為7mm和24mm,材料為45鋼。輒鐵長(cháng)、寬、 高分別為10mm、20mm和140mm, 材料為20號鋼。永磁體為欽鐵繃磁鐵，其表面磁感應強度約為0.45 T?；鲜鰩缀闻c材料屬性參數對偏置磁路 進(jìn)行三維建模，并采用AnsoftMaxwell軟件的自適應網(wǎng)格劃分算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        顯示為鋼桿剖面內的磁場(chǎng)強度分布，在靠近永磁體位置處磁場(chǎng)強度幅值較大。提取鋼桿中軸 線(xiàn)的磁場(chǎng)強度分布曲線(xiàn)，繪制千圖4b。當z坐標處 千區間[-20,20]范圍內時(shí)，磁場(chǎng)強度分布較為均勻， 平均值接近H=3500 A• m-1而略小千Hy。從003所 示傳感器性能表征曲線(xiàn)的變化趨勢分析，此時(shí)測量 靈敏度相比H=Hy處的取值有所上升，但傳感器的能 量轉換效率略有下降，可采用外層線(xiàn)圈對偏置磁場(chǎng)進(jìn)行補償以提高體化傳感器工作千磁致伸縮傳感器模式時(shí)的能量轉換效率。

        一體化傳感器工作于磁彈模式進(jìn)行磁導率測扯時(shí)，一般要求在感應線(xiàn)圈范圍內材料的磁導率分 布均勻。由上述偏置磁場(chǎng)仿真結果可知，當內層線(xiàn) 圈軸向長(cháng)度小千40mm時(shí)滿(mǎn)足該條件。此外，為確保材料內部 磁導率沿軸向分布均勻， 除需要對偏置磁路進(jìn)行優(yōu)化外， 還需要對外層線(xiàn)圈與內層線(xiàn)圈的軸向寬度比值K進(jìn)行優(yōu)化， 以確保外層激勵線(xiàn)圈在內層線(xiàn)圈長(cháng)度范圍內形成的動(dòng)磁場(chǎng)也基本一致 。一般認為K習時(shí)滿(mǎn)足均勻性條件， 本文所設計的體化傳感器內、 外層線(xiàn)阻軸向長(cháng)度分別為40mm和 120mm。通過(guò)以上靜磁場(chǎng)和內 、 外層線(xiàn)圈軸向長(cháng)度的優(yōu)化選取， 所設計的 體化傳感器既可以工作千磁致伸縮傳感器桵式在鋼桿中激勵出縱向模態(tài)導波進(jìn)行 缺陷 檢測， 又可以基千磁彈法進(jìn)行鋼桿應力測址。

3 缺陷檢測試驗

       將一體化傳感器工作于磁致伸縮傳感器模式，在一長(cháng)2m、直徑6.3mm的鋼桿中進(jìn)行缺陷檢測試驗。 依據直徑6.3 mm鋼桿中L(O,l)模態(tài)的相速度Vp與頻率幾勺頻散關(guān)系曲線(xiàn)[2],計算軸向長(cháng)度L=40mm 的感應線(xiàn)圈對應的中心頻率兒，計算結果約為 fc=0.5xv,JL=0.5x5 120(m• s-1)/40(mm)=64 kHz。一體化傳感器安裝千距離鋼桿左端部0.5m處，距離鋼桿右端面0.5m處加工一深處、寬度都為1mm的槽型缺陷。試驗過(guò)程中，一體化傳感器工作千Pulse-Echo模式，內層線(xiàn)朧的激勵信號為中心頻率64kHz、經(jīng)漢寧窗調制的10周期正弦波。當外層線(xiàn)朋中的直流值I=OA時(shí)，接收的試驗信 號波形如圖5a所示。 傳感器激勵的L(0,1)模態(tài)超聲導波在鋼桿中將沿左右兩側傳播， 先后遇到鋼桿左 端面、 槽型缺陷和鋼桿右端面， 產(chǎn)生的反射回波再被傳感器先后接收。 沿鋼籵左右兩側傳播的超聲導 波傳播經(jīng)過(guò)4 m后將同時(shí)被傳感器接收， 形成圖5 所示的疊加回波。分辨出缺陷回波信號，證明一體化一傳感器可檢測出鋼桿中的槽型缺陷。 為進(jìn) 步提高缺陷檢測信號的臨值， 調整驅動(dòng)直流方向以使外層線(xiàn)圈形成的靜磁場(chǎng)方向與偏置磁路一致，當電流I=0.75A時(shí)傳感器所接收的試驗信號波形明顯看出，驅動(dòng)直流增加時(shí)，端面回波和缺陷回波的幅值都大幅增加。

選取疊加回波波包， 以其所在時(shí)域區間內各點(diǎn)幅值的平方和作為波包能益E, 統計不同驅動(dòng)電流作用下的波包能量。隨著(zhù)驅動(dòng)直流的增加， 疊加回波波包能址呈上 升趨勢， 也即驗證了增大外加磁場(chǎng)強度可提高磁致 伸縮傳感器激勵與接收超聲導波的能量轉換效率， 由此提高傳感器對小缺陷的檢測靈敏度。上述試驗測試結果表明， 一體化傳感器不僅 rt 用作磁致伸縮傳感器 ， 并且其靜態(tài)偏置磁場(chǎng)強度還 可通過(guò)改變外層線(xiàn)圈的驅動(dòng)直流而進(jìn)行調整， 以進(jìn) 一步提高磁致伸縮傳感器的激勵和接收性能。

4 應力測量試驗

       為測試一體化傳感器基于磁彈法進(jìn)行鋼桿應力測批的性能， 搭建圖7所示試驗裝置， 采用QBD-100型微機伺服控制萬(wàn)能電子試驗機對一長(cháng)為 0.5 m的鋼桿進(jìn)行軸向拉伸試驗。 一體化傳感器的軸向中心距離鋼桿下端部0.27m, 在傳感器與試驗機夾頭所在平臺間安裝限位套筒， 以保證鋼桿拉伸過(guò)程中一體化傳感器與鋼桿的相對位置不發(fā)生變化。

        在進(jìn)行應力測獄試驗前， 先對鋼桿進(jìn)行拉伸試 驗以確定鋼桿彈性變形階段對應的應力區間。 圖8為鋼桿拉伸試驗所得應力－位移曲線(xiàn)， AB區段為彈 性變形階段， 磁彈應力測社試驗中選取的拉伸應力 范圍為0~0.96 GPa, 加載步長(cháng)為64MPa。

       一體化傳感器工作于磁彈傳感器模式時(shí)， 永磁 體磁路在鋼桿中形成靜態(tài)偏置磁場(chǎng)用于穩定靜態(tài)工 作點(diǎn)。 任意函數發(fā)生器輸出圖9a所示頻率為 5 Hz 的50周期幅值呈線(xiàn)性衰減的正弦波信號至外層激勵線(xiàn)圈，激勵信號最大峰峰值V'.=S.2610 V. 圖9b為內層線(xiàn)圈接收的典型信號波形，與激勵信號相比， 各周期正弦波信號最大值點(diǎn)構成的脊線(xiàn)不再是直線(xiàn)，其中包含局部磁滯回線(xiàn)信息。

        當激勵電壓峰峰值不變時(shí)， 外層線(xiàn)圈在鋼桿中形成的動(dòng)磁場(chǎng)擾動(dòng)tiH保待恒定， 此時(shí)材料磁導率µ由材料磁感應強度變化AfJ決定，可采用內層接收線(xiàn)圈的輸出電壓峰峰值億進(jìn)行表征。 分別提取激勵信號電壓峰峰值V,=4.945 3 V、 V,=2.420 1 V和 V,=0.210 4 V時(shí)一體化傳感器在不同應力條件下接收信號的峰峰值億并繪制千圖10。對同 一 激勵電壓下測品所得數據點(diǎn)做線(xiàn)性擬 合， 擬合方程也標注千圖10。 激勵電壓分別為 V,=4.945 3 V, V,=2.420 1 V和V.=0.210 4 V時(shí)測阰所 得數據點(diǎn)與擬合直線(xiàn)的確定系數分別為R2=0.992 4, 利用 器基千磁彈法進(jìn)行鋼桿應力測扯時(shí)，測量信號峰峰 值與應力間存在良好線(xiàn)性關(guān)系，并且隨著(zhù)激勵電壓的增加，測量結果的線(xiàn)性度更高。將上述擬合方程作為標定計算方程式， 在實(shí)際鋼桿應力測量中， 提取出測量信號峰峰值， 代入標定方程即可計算得出實(shí)際鋼桿的應力值。

當激勵電壓Ve=4.945 3 V時(shí)， 一體化傳感器對應力的測量靈敏度臚5.559 3 mV/GPa, 遠大千激勵電壓凡=0.2104 V時(shí)的/J=0.361 4 mV/GPa。這也表明在 一定范圍內， 激勵電壓的峰峰值越大， 磁彈傳感器 對應力的測量靈敏度越高。 總體來(lái)看， 激勵電壓越 高， 測量結果的線(xiàn)性度和應力測量靈敏度更高。

5 結論

    為實(shí)現單體傳感器具備對鋼桿缺陷與應力檢測的雙功能， 本文提出一種結構一體化傳感器并將其用千鋼桿缺陷檢測與應力測量試驗研究， 得到以下主要結論。

(1)采用能量轉換效率與應力測量靈敏度計算公式， 結合偏置磁場(chǎng)有限元仿真方法， 可對磁致伸縮與磁彈傳感器的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以適用于不同鐵磁性材料結構的無(wú)損檢測。

( 2) 體化傳感器工作千磁致伸縮傳感器模式 時(shí)， 可在直徑6 .3 mm鋼桿中激勵出64 kHz, L(0,1) 模態(tài)超聲導波并有效檢測出切槽寬度和深度均為 1 mm的缺陷信號。 外層線(xiàn)圈中通入直流可實(shí)現對靜 態(tài)偏置磁場(chǎng)強度的補償， 測試結果表明傳感器接收 的導波能量隨外層線(xiàn)圈驅動(dòng)直流增加而呈現近似線(xiàn) 性增加趨勢。

(3) 體化傳感器工作千磁彈傳感器模式時(shí)， 傳感器輸出信號峰峰值與鋼桿應力間存在良好線(xiàn)性關(guān)系。 激勵電壓增加時(shí)， 傳感器對應力測量結果的 線(xiàn)性度和靈敏度增加， 線(xiàn)性擬合確定系數可達R2=0.9924.

 

 

 

 

 

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