基于磁致伸缩效应的超声应力波传感器设计与完善

吴蓉蓉

摘 要：运用超声应力波多结构的破损进行检测，其效率比较高，而且精确度高，是一种新型的检测技术。最近这几年，运用磁铁材料的伸缩性特点，支撑了一种能哦股将超声应力波接收的传感器，这种传感器能够进行磁致伸缩，而且其结构并不复杂，价格比较实惠，能够进行非接触型检测，因此，得到了广泛地应用。本文通过对磁铁材料的伸缩性特点进行分析，从而能够运用此贴性的板结构进行损伤的检测，确保传感器的实用性。

关键词：磁致伸缩；传感器；超声应力波；结构健康检测；优化设计

运用超声应力波的方法进行检测，实现了一种健康的检测方法，这种方法能够迅速地找到损伤的部位，现在，在压电材料的检测中得到了广泛地使用，而且，压电材料也具有极强的接收超声应力波的能力，磁铁的磁致伸缩特点还是比较显著的，制成的磁致伸缩传感器的结构不复杂，而且应用效果比较好。本文通过对磁致伸缩传感器进行研究，在此基础上，设计一种精确检测的磁致伸缩传感器。

1 磁致伸缩传感器的设计原理

磁致伸缩这类现象发生的机理在于磁铁的特点，在上个世纪，Joule发现当磁铁材料不置于磁场中的时候，其尺寸会发生变化，其长度会沿着磁力线发生延长或者收缩的现象，这种现象被称为磁力伸缩现象。在极化环境中，磁铁的晶体会受到外界的反应，就会发生一系列的应变反应，这类应变反应会使磁铁的内部形成一个强大的磁场，这类应变反应与磁致伸缩效应的互逆的。应力波在传播的过程中，由于传播的介质不同，所以，应力波的传播环境是比较复杂的，其在传播的过程中会呈现出弥散性特点，通过模态的转换，在不同程度的损伤之间都能够互相作用。最低阶的应力波在传输的过程中是不具备弥散性的，所以，在进行无损检测的过程中，一般也会采用最低阶的应力波。

在对一个薄板结构进行无损检测的过程中，一般就会借助其不会产生外界应力的特点，按照磁致伸缩的效应，能够分析出薄板结构的磁致伸缩的应力分量以及弹性刚度系数。

2 设计方案

在对磁致伸缩传感器进行设计的过程中，应该本着简单和实用性的原则，可以运用一块非磁铁性的板结构进行健康检测，制作的传感器应该分成激励与接收两个部分，这两个部分的结构差异不大，而且制作的材料是相同的，都是由镍带、磁铁和磁芯构成的，其各个部分的尺寸如图1所示。由于薄板的结构不是磁铁制作的，所以，其不具有磁致伸缩的特点，将一个镍带制成的结构作为磁致伸缩的媒介。

磁致伸缩传感器的工作原理主要分为三个步骤：

第一个步骤为超声应力波的产生，在传感器的激励部分附加一个电压的信号时，线圈就会产生一个在镍带周围的磁场，这时，按照磁铁材料的性质，就会产生不同的磁致伸缩效应，这时，磁场具有一定的时变性特点，当磁场在镍带中产生变化的过程中，就会产生磁致伸缩力，在薄板中就会产生超声应力波。

第二个步骤是超声应力波的传播，在这个过程中，传感器由于激励的原因，就会产生超声应力波，这个应力波就会沿着薄板的结构向四周传播。

第三个步骤是超声应力波的接收，在这个过程中，应力波受到作用反射，到达传感器的接收部位，这时，就会通过耦合的作用，应力波直接传递到镍带中，按照磁铁材料会产生磁致伸缩效应，在时变的磁场中，当线圈接收到应力波时就会产生电压。

3 相关的实验分析

3.1 实验所用的装置分析

为了能够更好地分析磁致伸缩传感器的效果，在试验中应该完善一套检测系统，系统是由信号发射器、功率放大器和示波器构成的，在试验的过程中，被测试的薄板是一块铝板，将传感器与铝板呈垂直的方向放置，传感器与铝板的距离控制在20厘米。在激励的过程中，应该将传感器与铝板的水平方向的距离控制在10厘米，实验的主要装置如图2所示。

3.2 实验的结果分析

在试验的过程中，激励信号的中心频率是发生变化的，其范围能够控制在100-300赫兹，其频率的间隔为50赫兹，激励信号的幅值差异忽略不计。在200赫兹的激励下，在磁致伸缩传感器的作用下，还是能够接收到时域信号的，在对接收的信号进行处理时，采用应力波的方式，将信号转化成小波分析，分析信号在时域中的范围，其结果如图3所示。在图3中可以看出，接收到的信号的频率与激励信号的频率是能够契合在一起的，通过对小波的相关的理论进行分析，可以看出，在不同的频率上，都能够达到小波的峰值，所以，通过对传感器激励部分和铝板边界的距离进行分析，就能够得到应力波的传播速率。在相同频率的应力波的激励中，能够得到应力波的传输速度。

4 损伤检测

为了能够更好的进行磁致伸缩传感器在结构检测中的实用性，在满足试验条件的前提下，对一块具有损伤的铝板进行分析，从而能够快速地找出铝板的损伤位置。铝板在左边缘处出现了一条垂直于铝板中轴线的裂缝，裂缝的宽度为0.6毫米，深度为3毫米，长度为30毫米。在运用传感器的激励部分的时候，将传感器与铝板的中轴线垂直放置，在试验的过程中，运用调解正弦的方法，对电压信号进行分析，从而能够得到中心频率。

5 优化设计

在对传感器进行优化设计的目的在于完善传感器的作用，在传感器产生磁致伸缩效应的过程中，能够在结构中形成应力，传感器中的垂直方向会产生偏振问题，在水平方向会有应力波传递，而且传递的是最低阶的应力波。所以，要提高传感器运行的效率，就要提高应力波运行的幅值，按照电磁学的相关的原理，可以设计铁磁芯，从而運用镍带，使水平方向的磁感应强度达到最大值。

6 结语

本文通过对磁致伸缩的特点进行分析，然后对铝板进行损伤检测的实验，通过理论和实践角度的分析，可以看出传感器的效果比较好，能够准确而快速地找出铝板损伤产生的部位，而且应用成本低。

参考文献：

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