基于小直径金属杆的磁致伸缩导波检测传感器设计

田少华　杨录　张艳花　魏艳龙　王高

摘 要：通过分析磁致伸缩超声导波检测原理，讨论了传感器执行元件的选择、偏置磁场的设计及线圈参数的选择与计算。研制了兆赫兹小直径金属杆磁致伸缩导波检测传感器，实现了传感器的小型化、高精度、高分辨率。本文研制的传感器在脉冲激励电流的作用下，在细杆中激发、接收L（0，1）模态超声导波，可用于缺陷、温度、压力等物理量的检测。

关键词：磁致伸缩 ；小直径；兆赫兹；L（0，1）模态

磁致伸缩导波检测技术作为一种新兴的无损检测技术，其具有非接触、无需耦合介质、传播距离远和检测效率高的特点，被广泛应用于接地圆钢、工业管道，桥梁缆索等杆状、管状以及束状构件的在役检测和长期监测。国内外学者如：KWUN等和王悦民、武新军等对管道缺陷检测进行了理论与实验研究；XU等和吴斌、刘增华等对钢绞线缺陷检测进行了理论与实验研究。目前磁致伸缩导波检测技术的研究大多基于大直径杆状、管状金属，很少有应用于小直径杆及金属丝的研究，而且磁致伸缩传感器的工作频率不超过400kHz，无法满足高精度、高分辨率、狭小空间等特殊要求。

本文以小直径（d=3mm）金属杆为研究对象，通过导波频散特性的计算，设计了一种工作频率高达1M的磁致伸缩超声波导传感器，实现了传感器小型化、高精度、高分辨率。

1 磁致伸缩导波检测原理

如图1，超声信号的激励是基于磁致伸缩效应，接收是基于磁致伸缩逆效应。当交变磁场作用于被偏置磁场磁化的铁磁性构件时，由于磁致伸缩效应，构件处于交变磁场中的部位在尺寸和形状上会发生变化，从而振动产生弹性波。沿构件传播的弹性波遇到缺陷或者构件端部等声阻抗突变的位置将发生反射，反射回波途经接收传感器时，磁致伸缩逆效应将使构件在此处的磁场发生变化，从而使其磁通量发生变化，通过电磁感应将在接收传感器的线圈中产生感应电压信号。通过对这些包含缺陷信息的信号进行采集和处理，即可实现对铁磁性构件的检测。

2 磁致伸缩传感器设计

磁致伸缩传感器由铁磁性材料、偏置磁场、交变磁场三部分组成，铁磁性材料是执行元件，偏置磁场提供静态工作点，交变磁场提供动态工作空间。

2.1 铁磁性材料的选择

铁磁性材料是实现机电转换的核心部件，国内牌号为1J22的铁钴钒软磁合金，具有饱和磁感应强度高（2.4T），饱和磁致伸缩系数大（60～100 10-6），居里点高（980℃）等特点，能够很好的用作磁致伸缩传感器的执行元件。

2.2 偏置磁场的设计

偏置磁场的作用表现在提供合适的静态工作点、提高换能效率，且均匀的偏置磁场还可以的保证导波模态单一性。由于直流线圈偏置磁场长时间工作会发热，无法保证磁场的稳定性，因此本文选用能够提供长期稳定偏置磁场的钕铁硼永磁体。利用COMSOL有限元仿真软件对偏置磁场作用下1J22内部磁场进行分析，仿真模型如图2所示，1J22为长50mm、直径3mm的杆；钕铁硼永磁体为长8mm、宽6mm、厚6mm的长方体，沿厚度方向充磁，剩磁380mT，相对磁导率1.05；轭铁为长30mm、宽8mm、厚8mm的长方形纯铁。仿真结果如图3所示，1J22内部的磁感应强度高达1.9T，在15～35mm的范围内磁场分布相对均匀。

交变的磁场由线圈通以交变的电流提供，其作用表现在提供动态工作空间；改变线圈的宽度可以实现导波模态的选择，线圈宽度需取激发声波半波长的整数倍。使用GUIGUW软件绘制直径为3mm的1J22频散曲线如图4所示，频散曲线中有L（0，1）、L（0，2）、L（0，3）三种模态，其中L（0，1）模态从低频段开始延伸到高频段，而L（0，2）、L（0，3）模态存在一个下限截止频率。在0～1MHz频率范围内只存在L（0，1）模态纵向导波，且500kHz～1MHz频率范围内群速度随频率的变化较大。由频散曲线估算声波的群速度和半波长，以确定线圈的宽度。1MHz声波的群速度和半波长估算值分别为：Cg=2250m/s、0.5λ=1.13mm，所以线圈的绕制宽度应为1.13mm。

3 实验研究

通过搭建如图5所示自主研制的实验系统进行实验研究，FPGA控制DA产生频率、周期数、触发间隔均可调的汉宁窗调制正弦波脉冲源，经滤波、功率放大后驱动激励线圈，在1J22杆（长50cm）中激励出1MHz的L（0，1）模态超声导波。传感器工作在一发一收模式，接收线圈将超声导波信号转换为电压信号，再经前置放大、滤波、再发大（共放大60dB），最后输入示波器显示。

随着频率的增加，材料质点振幅会减小，产生的超声信号减弱，且超声信号在传播过程中衰减增大，为了提高换能效率，激励与接收线圈需采用正反交替绕制的多段式线圈。本实验中为了能够实现兆赫兹超声导波的激励与接收，激励与接收线圈均采用正反交替绕制的六段式线圈。传感器工作在中心频率为1MHz的实验结果如图6所示，图6（a）表示激励信号峰峰值为20V，接收信号依次为空间电磁信号、超声波经杆长传播直接到达接收端的信号、超声波在杆中经过一次来回反射的信号。图6（b）表示对接收端时域信号进行频域分析的结果，接收端信号的频率接近1MHz。实验所得980kHz声波的群速度：Cg=2264m/s，与理论估算值基本接近。

4 结论

本文提供了一种磁致伸缩换能效率高的铁磁性材料，可以很好的用于磁致伸缩传感器的执行元件；同时提供了偏置磁场和感应线圈的设计方法。基于直径3mm的1J22金属杆研制出了兆赫兹的磁致伸缩式超声导波传感器，并通过实验验证了传感器的可靠性，实现了磁致伸缩传感器的小型化、高精度、高分辨率。

参考文献

[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]王悦民，康宜华，武新军等.磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究[J].机械工程报，2005，41（10）：174-179.

[3]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，2010，03：166-170.

[4]吴斌，刘秀成，何存富等.兆赫兹纵向模态磁致伸缩传感器的设计及其在钢绞线中的试验研究[J].机械工程学报，2011，47（22）：1-6.

[5]刘秀成.磁致伸缩与磁弹一体化传感技术及其钢索检测应用研究[D].北京工业大学，2013.

作者简介

田少华（1988-），男，在读硕士研究生，主要从事超声检测和信号处理方面的研究。