稀土超磁致伸缩震源的设计

漆首栋 周 炜（江西省建筑科学研究院，江西 南昌 330046）

稀土超磁致伸缩震源的设计

漆首栋 周 炜（江西省建筑科学研究院，江西 南昌 330046）

本文基于稀土超磁致伸缩声波换能器与传统声波换能器的优点，从结构和电路两个方面进行介绍稀土超磁致伸缩震源的设计，作为一种新型震源必将在工程检测中发挥重要作用。

稀土；超磁致伸缩；震源设计；无损检测

在建筑工程无损检测中，利用声波测试是一种很常见的方法，但受限于传统声波换能器的影响，大部分声波换能器产生的声波频率单一，穿透性比较差。在此本文介绍一种可以发射超磁多波，具有多种频率，且穿透性较强的稀土超磁致伸缩换能器，以满足建筑工程中的无损检测要求。

1 设计原理

1.1 磁致伸缩效应

某些晶体物质和陶瓷材料在外力或其他外部能量作用下产生变形，在这些物质的表面会产生电荷，这种现象被称之为压电效应，也可称之为电致伸缩效应。这种现象在工程应用中十分广泛，可以制造出各种换能器和传感器，比如各种速度计、加速度计、超声波换能器、声音存储设备等。

1.2 稀土超磁致伸缩材料的优点

传统声波发生器多采用压电陶瓷材料，单稀土超磁，具有下列优点：

1）与普通致伸缩材料相比，磁致伸缩性要高出10倍。

2）仅在使用较弱磁场时就可以具备较大变形，杜绝了使用高电压引起的事故隐患。

3）可以产生较大的机械能。

4）本体材料能够承受较大压力，可以在特定环境执行工作任务。

5）电、动能转换率高。

6）传输巨大的单位体积的能量。

7）响应速度快。

8）无时效、无疲劳、无过热失效问题。

2 结构设计

超磁致伸缩换能器由以下几部分构成：稀土致伸缩棒、漆包线圈、张紧螺杆、碟簧、配重、发射头、外壳、如图1所示：

图1 超磁致伸缩换能器结构示意图

2.1 超磁致伸缩换能器的结构设计

通过精确的设计和合理的阻抗匹配，可使换能器产生较大震动，制造出较大功率声能。

2.1.1 线圈骨架的设计，线圈骨架设计的基本要求是：

1）必须使用非导磁材料。

2）稀土致伸缩棒的长度须短于线圈长度，有利于磁场对稀土棒的覆盖。

3）稀土棒的直径与线圈的内径尽可能接近，有利于充分利用磁场能。

2.1.2 激励线圈的设计

激发线圈一般采用漆包线为材料，遵循在最小体积下获得最多缠绕圈数为原则。

超磁致伸缩换能器激励线圈的具体设计步骤如下。

选用漆包线直径为dr，求出线圈单位长度上的匝数n1和单位厚度上的匝数n2

式中：

kη、kβ-分别为线圈的排绕系数和叠绕系数，它们的数值随导线直径不同而改变，如表1 所示。

表1 导线直径不同的kη和kβ值{1}

2.1.3 偏置磁场的设计

设置偏置磁场能有效地防止稀土磁致伸缩棒的倍频现象发生，使得稀土磁致伸缩棒仅在线性区间内进行机械运动，增强响应范围有利于进行控制。一般认为稀土棒的磁致伸缩应变只与线圈产生的磁场大小有关。如图2 所示。

图2 磁致伸缩应变与磁场强度的关系

2.1.4 磁路的设计

尽可能减少磁泄露，使得磁场分布均匀，提高稀土磁致伸缩的利用率。

2.1.5 预压力的设计

对稀土棒施加预压力可以比不施加产生更大的应变，有利于获得更大动能，但又必须控制预压力在七至十兆帕范围内，否则不能获得理想的能量转换，还会因应力过大造成机械损耗。

2.1.6 辐射板的设计

换能器的输出功率直接受辐射板的外观设计，材料种类，安装方式等影响。

圆板弯曲振动的共振频率为：

式中：

fn—频率；

δ—板的厚度；

a—板的半径；

ρ—密度；

E—弹性模量；

µ—泊松比；

R(n)-低阶频率方程的根。

在选定了系统的工作频率后，根据式(3)计算出板的厚度。板的材料与外部框架的材料都取为45号钢，这样构成的闭和磁路不易漏磁。

2.2 超磁致伸缩换能器的电路设计

超磁致伸缩换能器能否正常工作，还需要取决于提供稳定持续的激励能量。稀土超磁棒的驱动力来源于缠绕漆包线产生的磁场，漆包线圈与电容组成充放电路，其中当开关不被激励时，处于不通电状态，线圈对电容进行充电，但开关管被激励时，电容对线圈放电，如此反复产生一个交变磁场，稀土超磁棒在这个交变磁场作用下产生应变，将磁能转换成动能。

图3 超磁致伸缩换能器发射电路示意图

3 结 语

本文在分析了稀土超磁致材料性能和驱动特点的基础上，结合超磁多波检测的要求设计了稀土超磁致伸缩换能器的震源。提出了基于超磁致伸缩换能器的工作原理和结构，稀土超磁致伸缩材料和传统磁致伸缩材料及压电陶瓷材料相比，具有诸多优点，未来在建筑工程检测中将会占有重要地位。

[1]孙德永《异形孔加工系统设计及补偿方法研究》2012-12-19

The design of the rare-earth giant-magnetostrictive source

This paper based on the advantage of rare-earth giant magnetostrictive acoustic transducer and traditional acoustic transducer，introduce the design of rare-earth giant magnetostrictive source from structure and circuit two aspects,which as a new type source will play an important role in engineering testing.

rareearth；giantmagne to strictive；source design；nondestructive testing

TF8

B

1003-8965(2017)05-0069-02