开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的实验研究*

丁秀莉， 武新军， 孙鹏飞

(华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的实验研究*

丁秀莉， 武新军， 孙鹏飞

(华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

磁致伸缩导波技术具有单点激励即可实现长距离检测的优点，但在检测非铁磁性构件或端部外露构件时面临难题。在分析已有磁致伸缩导波传感器检测原理的基础上，提出首先利用磁致伸缩效应在铁磁性波导管中产生导波；然后通过端部将其传入构件实现检测的原理，构建了开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的研究实验平台。采用270 kHz的纵向模态导波，在长2 800 mm，壁厚2.5 mm的Φ25 mm低碳钢钢管上可检测出0.5 mm深刻槽和Φ5 mm的通孔缺陷，且在长2 800 mm，壁厚2.5 mm的Φ25mm不锈钢钢管上可得到明显的端部回波信号，从而为该传感器进一步应用于非铁磁性或端部外露构件检测提供了依据。

磁致伸缩效应； 传感器; 导波； 波导管； 开放式磁路

0 引 言

磁致伸缩导波技术只需单点激励，即可实现长距离检测，大大节省了检测时间。传统的磁致伸缩纵向导波传感器是借助衔铁，使永久磁铁、被测构件和衔铁三者构成闭合磁回路，而检测线圈则需安装在位于磁路中的构件部位上[1,2]。该结构的传感器需要在构件中形成均匀的偏置磁场，但对于端部外露很少的构件，如石化行业常用的换热管，其整体都处于换热器内，外露在管板端面仅1～5 mm的构件[3]而言，无法在构件上形成闭合的磁路。

本文提出了一种开放磁路式的磁致伸缩导波传感器，其利用永久磁铁在铁磁性波导管中形成开放磁路的偏置磁场，再利用磁致伸缩效应在波导管中产生导波，然后通过端部将其传入构件进行检测，为检测换热管等端部外露构件提供了一种可能的方法。此外，相比已有的磁致伸缩传感器而言，该传感器可直接用于检测非铁磁构件，而无须粘结镍带等磁致伸缩材料[4]。因此，提出的开放磁路式磁致伸缩导波传感器可直接在构件端部进行检测[5]，无需预紧力[6,7]，且可直接检测非铁磁构件。

1 传感器结构与原理

开放磁路式磁致伸缩导波传感器的结构如图1所示，主要包括永久磁铁、线圈和铁磁性波导管。永久磁铁直接吸附在波导管一端，形成开放磁路，波导管另一端通过声耦合剂直接耦合到被测构件端部，线圈可细分为绕在波导管外壁的第一外线圈、第二外线圈和绕在波导管内部的第一内线圈、第二内线圈。检测时，第一外线圈与第一内线圈串联作为激励线圈，第二外线圈与第二内线圈串联作为接收线圈;反之,亦可。

开放磁路式磁致伸缩导波传感器的检测原理如下：永久磁铁在波导管中形成开放的轴向静态偏置磁场。在激励线圈中通高频电流，在线圈周围会产生动态的交变磁场。波导管中的磁致伸缩效应利用的是外线圈内部的动态磁场和内线圈外部的动态磁场，因此,内外线圈需反接串联才能在波导管中形成方向一致的磁致伸缩应变。根据磁致伸缩效应，波导管在轴向偏置磁场与轴向动态磁场的共同作用下，会产生纵向模态的导波沿波导管传播，再经传声耦合剂耦合到被测构件上，实现导波在被测构件中的传播。传感器的接收是激励的逆过程，利用的是逆磁致伸缩效应，被测构件中的回波经传声耦合剂耦合到波导管中，当导波经过接收线圈下方时，线圈由于逆磁致伸缩效应会产生感应电势，从而获得携带被测构件相关信息的回波信号。

图1 开放磁路式磁致伸缩导波传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of open magnetic circuit magnetostrictive guided wave sensor

2 实验研究

2.1 实验平台

为验证开放磁路式磁致伸缩导波传感器的可行性，构建如图2所示的实验平台。采用实验室自研制的非接触式磁致伸缩导波管道无损检测系统主机[8]，将激励信号送给传感器中的激励线圈，传感器与被测的钢管构件之间通过声耦合剂紧密结合。传感器中的接收线圈接收到的电信号又送入主机进行滤波、放大等处理，然后送入示波器DPO4032进行显示，示波器数据由USB存储器保存，可在计算机上进行进一步的分析和处理。

图2 实验系统框图Fig 2 Block diagram of experimental system

实验中，开放磁路式磁致伸缩导波传感器的波导管采用长25 mm，壁厚2.5 mm的Φ25 mm低碳钢管制作。传感器的静态偏置磁场由8个外径25 mm、内径8 mm、厚6 mm(极化方向)的N42钕铁硼永磁体提供。线圈采用Φ0.21 mm的漆包线手工绕制而成，如图3与图4所示。图3为直接缠绕在波导管上的第一外线圈和第二外线圈，匝数为23，宽度为5 mm，间隔5 mm。图4为缠绕在外径19 mm，长20 mm的塑料管上的第一内线圈和第二内线圈，匝数为23，宽度为5 mm，间隔为5 mm。绕有线圈的塑料管插入波导管中，保证第一内线圈正对第一外线圈，第二内线圈正对第二外线圈。永磁体吸附在波导管一端，第一内线圈和第二内线圈的引线穿过塑料管上的通孔，并沿永磁体的孔引出。第一外线圈和第一内线圈反向串联作为激励线圈，第二外线圈和第二内线圈反向串联作为接收线圈。将上述的端部磁致伸缩导波传感器安装在壁厚2.5 mm的Φ25 mm钢管端部，便可进行检测，如图5所示。

图3 第一外线圈和第二外线圈Fig 3 The first and the second outer coils

图4 第一内线圈和第二内线圈Fig 4 The first and the second inner coils

图5 开放磁路式磁致伸缩导波传感器安装示意图Fig 5 Installation diagram of open magnetic circuit magnetostrictive guided wave sensor

实验中,用到2根Φ25 mm×2 800 mm，壁厚2.5 mm的钢管，其中一根为低碳钢钢管，加工有0.5 mm深刻槽和Φ5 mm的通孔，另一根为无缺陷的非铁磁性不锈钢钢管。

2.2 低碳钢钢管缺陷检测实验

该实验的钢管材料为铁磁性的低碳钢，钢管上有一个Φ5 mm的通孔缺陷与一个深度为0.5 mm、沿钢管轴向宽1 mm的外壁周向平底刻槽。开放磁路式磁致伸缩导波传感器的布置如图6所示，永久磁铁的S极连接波导管，图6中的T表示激励线圈，R表示接收线圈。采用2个周期270 kHz正弦波作为激励信号，重复频率为5 Hz。接收信号的放大增益设为40 dB，滤波带宽设为50～800 kHz，进行缺陷检测实验，检测信号如图7所示。

图6 低碳钢钢管的缺陷分布与传感器布置图Fig 6 Diagram of defect distributions in low carbon steel pipe and sensor arrangement

图7 低碳钢钢管的缺陷检测信号Fig 7 Defect detecting signal of low carbon steel pipe

由于接收线圈与激励线圈距离很近，电磁脉冲信号与通过信号重叠在一起。图7中A为电磁脉冲与通过信号的重叠信号，B为0.5 mm深刻槽的回波信号，C为Φ5 mm通孔的回波信号，D为钢管右端部的回波信号。实验表明：开放磁路式磁致伸缩导波传感器可以直接安装在钢管端部进行检测，并能有效检测出钢管构件中的周向刻槽和通孔缺陷，易于识别。

2.3 非铁磁性不锈钢钢管检测实验

非铁磁性不锈钢的实验布置如图8所示，与检测低碳钢钢管的传感器布置相同。实验时，由于不锈钢钢管为非铁磁性，传感器无法直接吸附在钢管上，因此，需要人为加压使得传感器与钢管紧密接触。采用2个周期270 kHz正弦波作为激励信号，重复频率为5 Hz。接收信号的放大增益设为40 dB，滤波带宽设为50～800 kHz，检测信号如图9所示，A为电磁脉冲和通过信号的重叠信号，D为无缺陷钢管的右端部回波信号。实验表明：开放磁路式磁致伸缩导波传感器可以得到明显的非铁磁性钢管端部回波信号。

图8 检测不锈钢钢管的传感器布置图Fig 8 Arrangement diagram of sensor for stainless steel pipe detecting

图9 非铁磁不锈钢钢管的检测信号Fig 9 Detecting signal of non-ferromagnetic stainless steel pipe

3 结 论

针对传统磁致伸缩导波技术检测换热管等端部外露构件遇到的难题，本文提出了一种开放磁路式的磁致伸缩导波传感器。该传感器的最大特点是可直接安装在构件端部进行检测，不需要形成闭合磁路，且无需将线圈缠绕在被测构件上，具有安装简单，重复使用率高的优点。借助波导管的作用，还可将该传感器应用于非铁磁性构件检测。本研究工作为端部外露构件难检测的技术问题提供了一种新方法，也为非铁磁性构件的磁致伸缩导波检测技术奠定了一定基础。

[1] 陈福梁.基于磁致伸缩效应的导波管道缺陷检测系统设计研究[D].杭州：浙江大学，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管壳式换热器[S].

[4] 杨雅洁，周 丽.基于磁致伸缩效应的超声应力波传感器设计与优化[J].仪器仪表学报，2010，31(11)：2474-2480.

[5] 刘增华，张易农，张慧昕，等.基于磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的试验研究[J].机械工程学报，2010，46(6)：71-76，82.

[6] 张洪平，赵栋梁，徐立红，等.一种声波无损检测用磁致伸缩换能器：中国，200910077343.7[P].2011—01—26.

[7] 王晓煜，吴晶晶，谭晓东.一种超声波导波同端激励与接收的超磁致伸缩换能器：中国,201210002103.2[P].2013—10—23.

[8] 武新军，徐 江，沈功田.非接触式磁致伸缩导波管道无损检测系统的研制[J].无损检测，2010，32(3)：166-170.

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

国家自然科学基金资助项目(51205148); 国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ09017502)

TG 115.28

A

1000—9787(2014)12—0017—03

丁秀莉(1990-)，女，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为电磁超声无损检测技术。