磁致伸缩超声导波管道检测传感器研究进展

汤槟晖，王悦民，陈 昂，邱增城，许鉴鉴

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

0 引言

管道作为油、汽、水等介质的重要输送工具，在石油、化工、船舶等行业得到广泛应用，随着其服役时间的增长，受其使用环境和运行工况的影响，管道易产生腐蚀、裂纹、破损等缺陷，导致管道的安全性和可靠性降低，造成安全隐患[1-2]。因此，有必要对管道定期进行无损检测。

超声导波技术相比于常规无损检测技术(磁粉检测、射线检测、超声波检测、涡流检测等)，可以克服检测对象局限、检测要求高、检测效率低等不足，具有使用频率低、传播距离远和信号衰减小等特点，能够实现高效率、非接触、长距离、大范围的管道体积检测，近些年受到国内外学者的广泛青睐与关注[1,3]。

作为激励和接收超声导波的载体，超声导波传感器可分为压电式、脉冲激光式和电磁式等[3]。其中，电磁式超声传感器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)具有良好的灵敏度和耐用性，能够无需使用耦合剂而直接与测试样品接触，易于实施且可进行长期检查[4]。电磁式超声导波技术中，在施加偏置磁场和交变磁场的条件下，非铁磁性导电材料中会出现洛伦兹力，铁磁性材料中会感应出磁致伸缩力和洛伦兹力，其中磁致伸缩是超声导波传递的主要机制[1,5]。目前，EMAT表示主要使用洛伦兹力为超声导波传递机制的传感器，而以磁致伸缩为主要机制的传感器被称为磁致伸缩传感器[6]。相比于EMAT，磁致伸缩传感器可激励出更大功率的超声导波，激励频率更低(≤100 kHz)，能够实现非铁磁性管道和有包裹层管道的超声导波检测[1-2]。因此，为了提升超声导波检测的准确性和灵敏度，需要对磁致伸缩物理特性和磁致伸缩超声导波传感器进行大量理论和试验研究。

针对磁致伸缩超声导波传感器，国内外学者进行了大量试验和研究。文献[7]设计了贴片式磁致伸缩超声导波传感器，并研究其对周向缺陷和模式抑制等方面的效果。文献[8]发现由铁钴合金制成的磁致伸缩贴片所产生的的超声导波输出功率大于纯镍合金磁致伸缩贴片。文献[9]提出了一种螺旋梳磁致伸缩贴片换能器，用于检查管道中发生的各种类型的缺陷。文献[10]采用双波导线和双线圈同时激发扭转超声导波，并通过差分波导提高磁致伸缩传感器的信噪比。本文在介绍磁致伸缩物理特性和磁致伸缩超声导波传感器检测原理的基础上，从制作超声导波传感器的磁致伸缩材料和传感器的结构设计与优化两方面，综述了磁致伸缩超声导波传感器的研究现状，并对其发展趋势进行了展望。

1 磁致伸缩超声导波传感器的检测原理

磁致伸缩效应是一种涉及磁化过程和铁磁性材料尺寸/形状变化的耦合现象。如图1(a)所示，当铁磁性材料受到交变外磁场作用时，其内部随机取向的磁畴转向外磁场方向，导致其宏观尺寸和形状发生改变，该现象称为磁致伸缩正效应或Joule效应[11]。图1(b)显示出与之相反的现象，铁磁性材料在外力的作用下发生形变，使得其内部磁畴的磁化方向趋于形变方向，导致磁场状态随之改变，该现象称为磁致伸缩逆效应或Villari效应[12]。如图1(c)所示，当铁磁性材料受到恒定外磁场和与之正交的交变外磁场的耦合作用时，其内部磁畴的磁化方向转变为合成外磁场方向，宏观上表现为铁磁性材料的扭转现象，称之为扭转磁致伸缩效应或Wiedemann效应[13]。

(a)Joule效应 (b)Villari效应 (c)Wiedemann效应

超声导波沿轴向传播时，根据传播模态可分为纵向超声导波、扭转超声导波和弯曲超声导波，分别用L(0，m)、T(0，m)和F(n，m)表示，其中n为周向阶数，m为模数[1]。为激励不同模态的超声导波，磁致伸缩超声导波传感器的结构各不相同，但其检测原理一致。以文献[14]研制的磁致伸缩纵向超声导波传感器为例，见图2(a)，说明磁致伸缩超声导波传感器的检测原理。

在激励磁致伸缩超声导波传感器的内外线圈中分别通入交流电和直流电，形成动态交变磁场和静态偏置磁场。根据Joule效应，磁化的铁磁性管道内会发生轴向伸缩，并以机械波振动的方式向管道端部传递力和位移。当机械波到达接收磁致伸缩超声导波传感器时，根据Villari效应，铁磁性管道的磁场会因为轴向长度的变化而变化，导致接收线圈内产生电势差并以电压的形式输出。上述过程的能量转变可总结为：电能→磁能→机械能→磁能→电能。

对于非铁磁性管道的超声导波检测，或当铁磁性管道的超声导波检测需要更高的转换效率时，可以在管道表面贴上磁致伸缩贴片，使超声导波的激励和接收发生在磁致伸缩贴片内[15]，如图2(b)所示。相比于大多数管道，磁致伸缩贴片的应变灵敏度更高，超声导波检测的效果更明显。并且由于其高柔性特点，磁致伸缩贴片能够按需制成不同的形状，可以轻松安装在管道的弯曲表面上[6]。因此，贴片式磁致伸缩超声导波传感器具有更大的研究价值，本文重点论述此类传感器的研究进展。

(a)无贴片式

(b)贴片式图2 典型纵向超声导波传感器

2 磁致伸缩超声导波传感器的研究现状

磁致伸缩超声导波传感器作为超声导波检测中的关键元器件，对检测结果的准确性和灵敏度具有重要影响。对于应用更为广泛的贴片式磁致伸缩超声导波传感器，其研究主要为传感器的结构设计和参数优化。但作为激励、传递和接收磁致伸缩效应的载体，磁致伸缩贴片的材料性能研究对超声导波测试同样重要。因此，本文从磁致伸缩材料的性能研究和磁致伸缩超声导波传感器的设计与优化2方面，论述磁致伸缩超声导波传感器的研究现状。

2.1 磁致伸缩材料的性能研究

从宏观角度出发，磁致伸缩材料是一种能在磁场环境下发生回复变形，在应力作用下改变其磁场性能的材料。从微观角度出发，磁致伸缩效应可归因为自旋-自旋和自旋-轨道的耦合作用所产生的自旋磁矩和原子磁矩，而由于过渡元素和稀土元素具有未填满的3d和4f电子层，能够产生上述磁矩，因此具有磁致伸缩效应[16]。目前，以上述元素为基础的磁致伸缩材料可分为：传统磁致伸缩材料(铁、镍及其合金和铁氧体)、超磁致伸缩材料(稀土金属间化合物)和新型磁致伸缩材料(铁-镓二元合金)，上述材料的性能和特点如表1所示。

2.1.1 传统磁致伸缩材料

传统磁致伸缩材料虽然具有饱和磁场强度低、性价比高和力学性能好等优点，但由于其磁致伸缩性能较差，对改善超声导波检测结果方面仍差强人意。因此，关于传统磁致伸缩材料的研究主要集中于磁致伸缩性能的提升，并主要从制备工艺、合金成分、热处理等方面入手。

文献[18]通过磁控溅射技术在FeCo合金上沉积了(Tb0.3Dy0.7)Fe1.95合金，并进行了退火处理，发现复合合金在退火处理(600 ℃+1 h)后，磁致伸缩系数达到265×10-6，超声导波检测信号高达2.5 V，相比于FeCo合金分别提高了1.94倍和5.25倍。文献[19]通过溶胶-凝胶自动燃烧方法，制备了Bi掺杂的CoFe2O4合金，发现在不同磁场强度下，CoFe1.9Bi0.1O4合金的磁致伸缩性能均优于CoFe2O4合金，最大应变灵敏度提升了60%。

2.1.2 超磁致伸缩材料

虽然超磁致伸缩材料具有极高的磁致伸缩系数，但受限于储量有限和价格昂贵的重稀土元素，具有以下突出问题：饱和磁场强度高、成本过高和力学性能差(脆性大、易断裂)，限制了其在超声导波检测中的广泛应用。为了解决上述问题，可从开发新合金体系(加入储量大和成本低的轻稀土元素)和制备磁致伸缩聚合物复合材料(加入环氧树脂、聚氨酯和硅橡胶等聚合物)等方面入手。

文献[20]使用高压退火方法制备了Nd基多晶Tb0.27Dy0.73-xNdxFe2合金，并研究了退火温度和Nd含量对复合合金磁致伸缩性能的影响。结果表明，晶格常数和矫顽力会随着Nd含量的增加而增大，不利于磁致伸缩性能的提升，当x=0.1时，Tb0.27Dy0.63Nd0.1Fe2合金具有最大磁致伸缩系数(1 700×10-6)。文献[21]通过定向凝固方法制备了Tb0.3Dy0.7Fe2连续纤维/环氧树脂复合材料，发现复合材料在高磁场(>400 kA/m)内表现出较大的磁致伸缩系数(840×10-6)，在低磁场(<100 kA/m)中表现出较大的相对磁导率(8.2 μm/kA)。

2.1.3 新型磁致伸缩材料

以Fe-Ga合金为代表的新型磁致伸缩材料凭借其较好的磁致伸缩性能和较低的成本，能够综合上述2种材料的优点，逐渐成为国内外学者的研究热点。

文献[22]分别使用铸造、熔融淬火和熔融纺丝3种方法制备了(Fe83Ga17)100-xTbx(0≤x≤0.47)复合合金，并研究了其磁致伸缩性能，发现熔体纺丝制备的复合合金磁致伸缩性能最好，磁致伸缩系数高达886×10-6。文献[23]运用真空电弧熔炼技术制备了(Fe83Ga17)100-xYx(x=0，3)复合合金，发现复合合金中晶粒的滑移和旋转导致形成<0 0 1>优选的取向，而取向后的复合合金磁致伸缩系数为120×10-6，是未取向的Fe83Ga17合金的4倍。文献[24]通过真空电弧熔化技术制备了Pr掺杂的Fe83Ga17Prx复合合金，发现随着x由0增加至1，磁致伸缩系数先增加后降低，当x=0.6时达到最大值(192 ppm)，相比于Fe83Ga17合金提升了40%。

2.2 磁致伸缩超声导波传感器的设计与优化

为了获得更好的超声导波检测结果，除了对磁致伸缩材料进行选择和改性外，还需要对磁致伸缩超声导波传感器进行设计与优化。不同模态的超声导波所需的激励条件不同，其传感器的结构设计与优化也各不相同。其中，弯曲导波由于轴向、径向和周向均有位移分量，传播情况复杂，频散现象严重，且大多是通过压电式超声导波传感器沿管道周向局部加载而产生[1,5]。因此，本文主要从纵向超声导波和扭转导波来论述磁致伸缩超声导波传感器的设计与优化。

2.2.1 纵向超声导波

纵向超声导波可分解为轴向uz和径向ur位移分量，具有周向缺陷检测灵敏、检测频率低、传播速度快和激励方式简单等特点[1,5]。典型磁致伸缩纵向超声导波传感器的结构如图2(b)所示，主要包括磁化器(偏置磁场线圈)、感应线圈(激励线圈、接收线圈)和磁致伸缩贴片等。

磁化器用于产生偏置磁场，决定传感器的静态工作点，并可避免倍频现象的出现，目前主要有2种类型[25]：一种是图2(b)中的直流线圈式磁化器，其产生的偏置磁场大小均匀，但增大了传感器的结构复杂度，并且线圈会由于长期工作而发热，导致传感器的性能变差。另一种是磁轭式磁化器，包括电磁铁和永磁体，其中永磁体价格低廉，结构简单，能够产生稳定的偏置磁场，更适合实际超声导波的检测。

文献[26]设计了一种可自由调节偏置磁场的永磁式磁致伸缩超声导波传感器，见图3(a)，优化了励磁线圈与永磁体的参数，确定了永磁体与线圈的最佳轴向距离，从而提高了检测灵敏度。

感应线圈包括激励线圈和接收线圈。为了提升纵向超声导波检测的传感效率和信号强度，国内外学者通常从输入能量入手，即对激励线圈进行设计和优化，比如适当提高输入电压[27]、增加线圈簇数[28]、添加聚磁器[29]等，而对输出能量研究较少。文献[30]从输出能量角度出发，为了排除管道内部空气对接收信号的有害影响，设计了一种用于开口管道的改进型纵向导波接收传感器，见图3(b)。其在管道内部设置了额外的线圈，并且内外线圈在轴向位置完全一致。通过将外线圈信号减去内线圈信号，获得仅包括管壁的增强信号，其信号幅度比传统传感器提高了50%以上。

目前，大多数磁致伸缩贴片是通过耦合剂固定在管道上的。然而，当管道的服役工况较为恶劣(强紫外线照射、高温高压、湿度大等)时，耦合剂易老化脱落，导致超声导波检测效果变差。为此，将磁致伸缩贴片替换为磁致伸缩涂层，使磁致伸缩材料与管道形成冶金结合，是解决上述问题的有效途径。文献[31]运用高速氧-燃料喷涂技术在316L不锈钢管上制备了退火Fe81Al19涂层，研究了涂层的磁致伸缩性能和纵向超声导波检测结果。结果表明，磁致伸缩涂层在400 ℃退火处理后，最大磁致伸缩达到38 ppm，饱和磁场低于400 Oe，能够有效提高超声导波振幅和检测灵敏度。另外，文献[32]还制备了高应变灵敏度的Fe83Ga17涂层，并对偏置磁场的大小进行了优化，发现当偏置磁场的磁场强度为255.7 Oe时，传感器性能最佳。

2.2.2 扭转超声导波

扭转导波只有周向位移uθ，并且在管道传播时外壁的uθ要大于内壁的uθ，其对管道内外壁、周向和轴向的缺陷检测都很灵敏[1]。以T(0,1)为典型的扭转导波无频散现象，即使在充液管道中传播时也能保持波形，便于提取信号信息[6]。另外，相比于压电式超声导波传感器，磁致伸缩超声导波传感器的结构设计简单，更适合激励扭转导波。

由于扭转超声导波涉及管道的剪切变形，国内外学者首先考虑基于Wiedemann效应及其逆效应来激励和接收扭转导波。常见的3种传感器结构如图4所示，分别为预磁贴片式、交叉线圈式和永磁式。

图4 磁致伸缩扭转超声导波传感器

预磁贴片式传感器利用磁致伸缩贴片与永磁体相互摩擦所产生的的剩磁进行周向预磁化。文献[33]研究了预磁过程中磁致伸缩贴片的长宽比对超声导波检测的影响规律，发现随着磁致伸缩贴片的长宽比由1∶2增加至2∶1，磁致伸缩贴片内的退磁因子减小，磁场强度增大，检测信号幅值由0.309 V增大至0.949 V。另外，文献[34]还发现在预磁化过程中，当磁致伸缩贴片内的饱和磁化强度越低、饱和磁致伸缩越大，并且偏置磁场位于磁致伸缩曲线斜率最大的位置时，信号幅值越大。

交叉线圈式传感器利用通入直流电的环形线圈来产生偏置磁场，从而达到偏置磁场强度可调节的目的。文献[35]将交叉线圈式扭转超声导波传感器的检测结果与预磁贴片式进行了对比，发现信号幅度得到了大幅提升，并且激励出来的超声导波仅为扭转波。文献[36]为了提高交叉线圈式磁致伸缩超声导波传感器产生扭转波的效率，对其进行了参数优化(偏置磁场强度、线圈线径和线圈覆盖率)。结果表明，优化后的检测信号幅值高达5.0 V，相较于优化前的换能效率，提高了28%。

为了实现长期结构健康监测，可以使用低成本的永磁体提供偏置磁场，动态磁场由回折线圈产生。但是，在回折线圈中通入交流电时，除了周向段产生与偏置磁场正交的磁场外，其轴向段会产生与之平行的磁场，导致传感器产生的超声导波不完全是扭转波，并伴随着噪声信号。为此，文献[37]在回折线圈的轴向段覆盖了一层FeCo合金箔，可有效解决上述问题。另外，还可以利用具有趋肤效应的铜片作为屏蔽层，将其放置在轴向段回折线圈的下面，能够有效屏蔽其激励的周向磁场。试验结果表明，添加铜片屏蔽层后的信号信噪比高达30.51 dB，相较于无屏蔽层提高了62.29%[38]。

除了基于Wiedemann效应及其逆效应外，还可以利用Joule效应和Villari效应来激励和接收扭转导波，实现方法为安装与轴向呈特定角度的磁致伸缩贴片，如图5所示。

图5 典型磁致伸缩贴片

由于磁致伸缩贴片的磁导率远大于管道和空气的磁导率，因此在磁场作用下，贴片中的磁通量方向沿贴片长边方向。利用该特性，将磁致伸缩贴片调整为斜向45°或略小于45°，见图5(a)，便可在管道中产生沿该方向的切向力，从而产生扭转超声导波。

为了提升传感器的性能，对磁致伸缩贴片的形状进行设计和改进，如图5(b)和图5(c)所示。V型和Z型磁致伸缩贴片均保持了中间部分斜向45°，区别在于尾端形状不同，但均不与管道接触，仅起集中磁场的作用。文献[39]分别使用斜向45°和V型磁致伸缩贴片进行了扭转波检测，发现后者的信号幅度和信噪比均高于前者。文献[40]通过拓扑优化方法，确定Z型磁致伸缩贴片的形状最合理，相较于V型贴片，检测信号的幅度和信噪比分别提升了70.86%和2.25%。

3 总结与展望

本文在介绍磁致伸缩物理特性和磁致伸缩超声导波传感器检测原理的基础上，从制作超声导波传感器的磁致伸缩材料和传感器的结构设计与优化2方面，综述了磁致伸缩超声导波传感器的研究现状。虽然关于磁致伸缩超声导波传感器的研究取得了一定进步，但由于超声导波仍属于相对新颖的无损检测技术，仍存在一些亟待解决的问题。

(1)理论体系方面。随着管道的服役工况(温度、湿度、应力、辐射等)日益苛刻，以及形状特性(弯曲管道、复合管道、充液管道、非均匀管道等)逐渐复杂，需要研究在此情况下超声导波传播的理论模型和模态转换的机理，为检测信号的分析和处理提供理论依据。

(2)磁致伸缩材料方面。磁致伸缩材料的磁致伸缩系数普遍偏低，不能很好地兼顾磁致伸缩性能和力学性能，组织结构可控性和制备工艺的稳定性差。需要从磁致伸缩机理出发，从制备工艺、合金成分和后处理方法等方面进一步改善磁致伸缩材料的综合性能。

(3)传感器设计与优化方面。目前，传感器在激励单一模态导波时，仍会产生其他模态导波，并且很容易受到环境因素的影响，导致干扰信号的产生，不利于缺陷检测。需要从传感器的结构出发，进行设计与优化，提升超声导波检测的稳定性和可靠性。