刀型Terfenol-D传感器激励线圈对激励效果的影响

姜银方，陈 波，雷玉兰，郭永强，刘 兵,匡泓锦，蒋俊俊

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2江苏省特种设备安全监督检验研究院 镇江分院，江苏 镇江 212009)

目前用于超声导波管道检测最常见的传感器为压电式，其敏感元件材料PZT的机电耦合系数较低、能量转化效率较差限制了检测距离，而超磁致伸缩材料Terfenol-D 具有较大的机电耦合系数和能量转化效率[1-8]。所以需要研制磁致伸缩式传感器来提高检测距离尤为重要。

传统的超磁致伸缩传感器采用棒状或长方体状的Terfenol-D作为敏感元件[9]，其驱动磁场的设计可按照螺线管的磁场规律。但本文设计的Terfenol-D传感器是用于管道无损检测，故传统的棒状或长方体状无法实现与管道任意表面耦合，因此，需要设计一种特殊结构类似于刀型Terfenol-D传感器[10-12]。本文通过试验来研究激励线圈的线径和线圈匝数与刀型Terfenol-D传感器激励回波系数的关系，确定最佳的激励线圈参数。为将来磁致伸缩式传感器的优化提供理论依据。

1 试验研究

1.1 试验系统

超磁致伸缩材料的磁伸应变通常与磁场的方向无关，而只与大小有关[13]；为了研究激励线圈参数对刀型Terfenol-D传感器的激励效果影响，本文线圈选用漆包铜线绕制，如图1所示。

图1 激励线圈结构简图

回波反射系数[14]是评价传感器性能的一项重要指标，它反映了传感器的振动幅值及衰减率，回波系数可由下式表示

(1)

式(1)中，Ad表示缺陷幅值；A0表示激励波幅值。

图2(a)所示为检测的系统示意图，包括：计算机、前置放大器、任意波发生器、示波器、压电陶瓷(PZT-5)、Terfenol-D、试验管道、502胶水、砂纸等。

图2 试验系统示意图

本系统试验管道采用工业中常用的碳钢管道，如图2(b)所示，管道的外径为108 mm，壁厚为5 mm，全长为10.34 m，在管道的2.9 m、5.2 m、7.5 m处均焊有焊缝没有其他缺陷。管道一端粘于一片刀型Terfenol-D作为激励端，Terfenol-D一端套上不同规格的螺线管线圈提供激励磁场，顶端采用3片尺寸为Ø5mm×1mm的永磁铁提供偏置磁场，接收端采用16片PZT-5A环形贴于管道。使用任意波函数发生器提供经汉宁窗调制的10周期10Vpp正弦音频信号，接收传感器接收的信号经40 dB的前置放大器放大后在示波器中显示出来，电脑采集示波器中显示的信号。

1.2 线圈匝数对激励效果试验研究

研究刀型Terfenol-D传感器激励线圈的匝数对激励信号的影响，因此需要保证在其他条件都不变的前提下进行试验。为避免导波遇到焊缝会发生复杂的反射、干涉及衰减问题，只选择第一条焊缝(位于管道2.9 m处焊缝1)的回波系数作为衡量指标。

表1 试验所用线圈参数

按表1中线圈参数试验，采集的数据导入编写好的MatLab程序中，提取第一条焊缝回波系数并绘制相同线径下，不同线圈匝数随频率变化的回波系数图，如图3所示。

图3 不同线圈匝数随频率变化的回波系数图

由图3(a)可得，当线径为0.1 mm时，中心频率为90 kHz，在中心频率处随着匝数的增加，焊缝的回波系数也随着增大。同样，当线径为0.2 mm和0.3 mm时，变化规律0.1 mm线径相同，即在中心频率处焊缝的回波系数都随着线圈匝数的增加而增大。

为了更直观的看出线圈匝数对刀型Terfenol-D传感器激励信号的影响，利用Origin软件对数据进行了分析，如图4所示。

图4 回波系数随线圈匝数变化关系图

由图4可得，当线圈线径相同时，回波系数随着线圈匝数的增加而增大。当线圈匝数为180匝时，再增加匝数时，回波系数增加趋势开始缓慢，说明在本文的试验环境下，其磁场强度接近饱和区，当线圈匝数再增加时已不具备太大的实用价值，再者为了传感器的小型化，匝数绕制太多会增大传感器的体积，因此选用180匝制成螺线管线圈为最佳线圈匝数。

1.3 线径对激励效果影响试验研究

研究激励线圈的线径对激励信号的影响，因此在匝数及其他条件一定的情况下进行试验。分析不同线径对回波系数的影响规律，试验选择线径为0.1～0.3 mm的漆包铜线，密绕180匝形成螺线管线圈。选择第一条焊缝(位于管道2.9 m处焊缝1)的回波系数作为衡量指标。通过试验分析激励线圈的线径与回波系数的关系，如图5所示。

图5 线圈线径对焊缝回波系数的影响

由图5可得，当绕制匝数一定时，线径增大，回波系数先增加后减小，这是由于本文试验所用是电压源，电压保持不变，线径的变化会导致线圈的阻值发生改变，线圈越粗，电阻就越小，所以电流越大，电流增大会使得磁场变大，所以回波系数曲线上升。

由于线圈的直径增大的同时，会导致通过线圈的电流随之增大，可能会产生热量，从而影响线圈的工作。再者由于线圈直径的增加，单位面积内的匝数就会减少，影响产生的磁场强度和磁场的均匀性。通过试验分析，在线径为0.15 mm时，接收到的焊缝回波系数最高，因此，采用0.15 mm线径的漆包铜线密绕180匝制成螺线管线圈用以提供驱动磁场。

2 结束语

本文探究刀型Terfenol-D传感器的激励效果与线圈参数之间的关系如下：通过试验研究激励效果与缠绕在刀型Terfenol-D上的线圈参数的影响，发现在中心频率处焊缝反射回波系数随着匝数增加而增大，但到一定程度后增长趋势减缓，说明可能已达到磁致伸缩材料特性曲线的“饱和区”；随着线径的增加，反射回波系数呈现先增大后减小的趋势，这是由于线圈越粗，电阻就越小，所以电流越大，但线圈直径的增加，单位面积内的匝数就会减少，影响产生的磁场强度。因此，在设计刀型Terfenol-D的超磁致伸缩传感器的驱动磁场时，应同时考虑线圈的线径及匝数对激励效果的影响；该刀型Terfenol-D结构传感器的最佳激励线圈参数为线圈匝数为180匝，线径为0.15 mm。