開(kāi)放磁路式磁致伸縮傳感器原理的實(shí)驗(yàn)研究磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)只需單點(diǎn)激勵(lì)，即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè),大大節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間。傳統(tǒng)的磁致伸縮縱向?qū)Р▊鞲衅魇墙柚曡F，使磁鐵、被測(cè)構(gòu)件和銜鐵三者構(gòu)成閉合磁回路，而檢測(cè)線圈則需安裝在位于磁路中的構(gòu)件部位該結(jié)構(gòu)的傳感器需要在構(gòu)件中形成均勻的偏置磁場(chǎng),但對(duì)于端部外露很少的構(gòu)件，如石化行業(yè)常用的換熱管，其整體都處于換熱器內(nèi)，外露在管板端面僅15mm的構(gòu)件而言，無(wú)法在構(gòu)件上形成閉合的磁路。
本文提出了一種開(kāi)放磁路式的磁致伸縮導(dǎo)波傳感器，其利用磁鐵在鐵磁性波導(dǎo)管中形成開(kāi)放磁路的偏置磁場(chǎng),再利用磁致伸縮效應(yīng)在波導(dǎo)管中產(chǎn)生導(dǎo)波，然后通過(guò)端部將其傳入構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，為檢測(cè)換熱管等端部外露構(gòu)件提供了一種可能的方法。此外，相比已有的磁致伸縮傳感器而言，該傳感器可直接用于檢測(cè)非鐵磁構(gòu)件，而無(wú)須粘結(jié)鐐帶等磁致伸縮材料。因此，提出的開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器可直接在構(gòu)件端部進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)需預(yù)緊力,且可直接檢測(cè)非鐵磁構(gòu)件。
1傳感器結(jié)構(gòu)與原理
開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括磁鐵、線圈和鐵磁性波導(dǎo)管。磁鐵直接吸附在波導(dǎo)管一端,形成開(kāi)放磁路，波導(dǎo)管另一端通過(guò)聲耦合劑直接耦合到被測(cè)構(gòu)件端部，線圈可細(xì)分為繞在波導(dǎo)管外壁的外線圈、第二外線圈和繞在波導(dǎo)管內(nèi)部的內(nèi)線圈、第二內(nèi)線圈。檢測(cè)時(shí)，外線圈與內(nèi)線圈串聯(lián)作為激勵(lì)線圈，第二外線圈與第二內(nèi)線圈串聯(lián)作為接收線圈;反之,亦可。
開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的檢測(cè)原理如下:磁鐵在波導(dǎo)管中形成開(kāi)放的軸向靜態(tài)偏置磁場(chǎng).在激勵(lì)線圈中通高頻電流，在線圈周圍會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的交變磁場(chǎng)。波導(dǎo)管中的磁致伸縮效應(yīng)利用的是外線圈內(nèi)部的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和內(nèi)線圈外部的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，因此，內(nèi)外線圈需反接串聯(lián)才能在波導(dǎo)管中形成方向一致的磁致伸縮應(yīng)變。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，波導(dǎo)管在軸向偏置磁場(chǎng)與軸向動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生縱向模態(tài)的導(dǎo)波沿波導(dǎo)管傳播，再經(jīng)傳聲耦合劑耦合到被測(cè)構(gòu)件上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波在被測(cè)構(gòu)件中的傳播傳感器的接收是激勵(lì)的逆過(guò)程，利用的是逆磁致伸縮效應(yīng)，被測(cè)構(gòu)件中的回波經(jīng)傳聲耦合劑耦合到波導(dǎo)管中，當(dāng)導(dǎo)波經(jīng)過(guò)接收線圈下方時(shí)，線圈由于逆磁致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而獲得攜帶被測(cè)構(gòu)件相關(guān)信息的回波信號(hào)。
2實(shí)驗(yàn)研究
2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
為驗(yàn)證開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的可行性。用實(shí)驗(yàn)室自研制的非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波管道無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)81，將激勵(lì)信號(hào)送給傳感器中的激勵(lì)線圈，傳感器與被測(cè)的鋼管構(gòu)件之間通過(guò)聲耦合劑緊密結(jié)合。傳感器中的接收線圈接收到的電信號(hào)又送入主機(jī)進(jìn)行濾波、放大等處理，然后送入示波器DPO4032進(jìn)行顯示,示波器數(shù)據(jù)由USB存儲(chǔ)器保存，可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。
實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的波導(dǎo)管釆用長(zhǎng)25mm,壁厚2.5mm的由25mm低碳鋼管制作。傳感器的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)由8個(gè)外徑25mm、內(nèi)徑8mm、厚6mm（極化方向）的N42釵鐵硼永磁體提供。線圈釆用中0.21mm的漆包線手工繞制而成。纏繞在外徑19mm,長(zhǎng)20mm的塑料管上的內(nèi)線圈和第二內(nèi)線圈，匝數(shù)為23,寬度為5mm,間隔為5mm。繞有線圈的塑料管插入波導(dǎo)管中，保證內(nèi)線圈正對(duì)外線圈，第二內(nèi)線圈正對(duì)第二外線圈。永磁體吸附在波導(dǎo)管一端，內(nèi)線圈和第二內(nèi)線圈的引線穿過(guò)塑料管上的通孔，并沿永磁體的孔引出。外線圈和內(nèi)線圈反向串聯(lián)作為激勵(lì)線圈，第二外線圈和第二內(nèi)線圈反向串聯(lián)作為接收線圈。將上述的端部磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝在壁厚2.5mm的中25mm鋼管端部,便可進(jìn)行檢測(cè)。
該實(shí)驗(yàn)的鋼管材料為鐵磁性的低碳鋼,鋼管上有一個(gè)05mm的通孔缺陷與一個(gè)深度為0.5mm、沿鋼管軸向?qū)?mm的外壁周向平底刻槽。開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的布置磁鐵的S極連接波導(dǎo)管，T表示激勵(lì)線圈，R表示接收線圈。釆用2個(gè)周期270kHz正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)頻率為5Hz。接收信號(hào)的放大增益設(shè)為40dB,濾波帶寬設(shè)為50。
由于接收線圈與激勵(lì)線圈距離很近，電磁脈沖信號(hào)與通過(guò)信號(hào)重疊在一起。4為電磁脈沖與通過(guò)信號(hào)的重疊信號(hào),8為0.5mm深刻槽的回波信號(hào),C為小5mm通孔的回波信號(hào)，。為鋼管右端部的回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明：開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器可以直接安裝在鋼管端部進(jìn)行檢測(cè),并能有效檢測(cè)鋼管構(gòu)件中的周向刻槽和通孔缺陷，易于識(shí)別。
2.3非鐵磁性不銹鋼鋼管檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
非鐵磁性不銹鋼的實(shí)驗(yàn)布置，與檢測(cè)低碳鋼鋼管的傳感器布置相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于不銹鋼鋼管為非鐵磁性，傳感器無(wú)法直接吸附在鋼管上，因此，需要人為加壓使得傳感器與鋼管緊密接觸。用2個(gè)周期270kHz正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)頻率為5Hz。接收信號(hào)的放大增益設(shè)為40dB,濾波帶寬設(shè)為50-800kHz,檢測(cè)信號(hào)為電磁脈沖和通過(guò)信號(hào)的重疊信號(hào),D為無(wú)缺陷鋼管的右端部回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明：開(kāi)放磁路式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器可以得到明顯的非鐵磁性鋼管端部回波信號(hào)。
針對(duì)傳統(tǒng)磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)換熱管等端部外露構(gòu)件遇到的難題，本文提出了一種開(kāi)放磁路式的磁致伸縮導(dǎo)波傳感器。該傳感器的特點(diǎn)是可直接安裝在構(gòu)件端部進(jìn)行檢測(cè),不需要形成閉合磁路，且無(wú)需將線圈纏繞在被測(cè)構(gòu)件上，具有安裝簡(jiǎn)單，重復(fù)使用率高的優(yōu)點(diǎn)。借助波導(dǎo)管的作用，還可將該傳感器應(yīng)用于非鐵磁性構(gòu)件檢測(cè)。本研究工作為端部外露構(gòu)件難檢測(cè)的技術(shù)問(wèn)題提供了一種新方法，也為非鐵磁性構(gòu)件的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)奠定了一定基礎(chǔ)。
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