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    用于板結構損傷檢測的磁致伸縮傳感器

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-10-12 15:22

      

           隨著社會經濟與科學技術的不斷發展 ,結構健康監測在軍事、工業、土木等領域扮演著日益重要的角色。利用超聲導波檢測結構內部缺陷是近年來結構健康監測領域的重要研究方向?;趬弘娦膲弘娋詈徒邮諏Рㄊ悄壳敖Y構健康監測領域使用較為廣泛的一種方法 ,但是 ,壓電晶片具有容易老化 ,且必須與被測結構直接接觸等缺點 ,從而限制其使用范圍。近年來 ,利用鐵磁性材料的磁致伸縮特性激勵和接收導波在結構健康監測領域得到了應用。美國西南研究所首先提出運用于鋼管、鋼繩等管狀結構缺陷檢測的導波激勵接收裝置 ,稱之為磁致伸縮傳感器 ,并在實際工程中得以成功運用。本文提出一種用于非鐵磁性板結構損傷檢測的磁致伸縮傳感器 ,該傳感器具有價格便宜、靈敏度高、可與被測結構分離等優點。首先 ,介紹傳感器設計的理論基礎 :導波檢測技術以及鐵磁性材料的磁致伸縮效應及其逆效應 ;然后 ,提出傳感器設計方案 ;最后 ,通過實驗激勵不同波型導波對鋁板上預置損傷進行檢測 ,從而驗證傳感器設計的可行性。 
    1 板中的導波
           當超聲波在板中傳播時 ,將會在板界面來回反射 ,產生復雜的波形轉換以及相互干涉。這種經介質邊界制導傳播的超聲波稱為超聲導波。因為導波沿其邊界傳播 ,所以 ,結構的幾何邊界條件對導波的傳播特性有很大的影響。與傳統的超聲波檢測技術不同 ,傳統的超聲波檢測是以恒定的聲速傳播 ,但導波速度因頻率和結構幾何形狀的不同而有很大的變化 ,即具有頻散特性。在同一頻率激勵下 ,導波也存在多種不同的波型和階次。在板狀結構中 ,導波以 2種不同的波型傳播 ,分別是 :對稱 ( S)和非對稱 (A)的縱波 (也稱 Lamb波 ) ,以及剪切波 ( SH ) 。導波在 3 mm鋁板中傳播的頻散曲線。從圖 1可以看出 : SH0 波無頻散。在實際運用中 ,無頻散的 SH0 波便于信號的分析處理以及大范圍檢測。因此 ,雖然導波的傳播特性非常復雜 ,但如果對波型和頻率進行適當的選擇和控制 ,處于低頻段的導波(到幾百千赫茲 )將能很好地運用于結構健康監測中。
    2 磁致伸縮效應及其逆效應
           鐵磁性材料的磁致伸縮現象可以通過微觀磁疇結構的移動和變形來解釋。所謂磁疇 ,是指磁性材料內部的一個個小區域 ,每個區域內部包含大量原子 ,這些原子的磁矩整齊排列 ,但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面叫疇壁。宏觀物體具有很多磁疇 ,磁疇的磁矩方向各不相同 ,結果相互抵消 ,矢量和為零 ,整個物體的磁矩為零。在外磁場的作用下 ,材料內部能量平衡被破壞 ,內部磁化重新分配 ,從而使得在新狀態下材料總能量最小 ,具體表現為磁矩發生轉動 ,磁體的磁疇發生疇壁移動和磁疇轉動 ,結果導致磁體尺寸發生變化 ,上述現象稱之為磁致伸縮效應 ,利用此效應可以在磁性材料中激勵導波。相反 ,鐵磁體在導波的作用下發生疇壁移動和磁疇轉動會引起材料磁場發生變化 ,稱之為磁致伸縮逆效應。
    磁致伸縮位移傳感器
    3 設計方案
           根據鐵磁性材料的磁致伸縮特性 ,本文提出一種用于非鐵磁性板結構損傷檢測的磁致伸縮傳感器。該傳感器分為激勵和接收兩部分 ,由鎳帶、8字型線圈以及永磁鐵組成。由于被測板結構是非鐵磁性的 ,不具有磁致伸縮特性 , 因此 , 在鋁板上粘貼一條鎳帶做為‘媒介 ’。兩塊永磁鐵產生一個恒定偏置磁場對鎳帶進行磁化。當給線圈一個時變激勵時 ,相應的線圈產生一個時變磁場 ,由磁致伸縮效應 ,鎳帶發生變形 ,再耦合到被測板中 ,從而在板中產生導波。波在板中傳播 ,遇缺陷或者邊界反射 ,反射回來的導波到達傳感器接收部分時 ,由逆磁致伸縮效應 ,導致接收部分鎳帶磁場發生變化 ,從而使得通過接收線圈的磁通量發生變化 ,由法拉第效應 ,接收線圈中產生電壓。接收到的電壓信號反映出導波的反射情況 ,又已知波在板中的傳播速度 ,便可以計算出損傷所在位置。
            另一方面 ,已有的研究成果已經證明在對鐵磁性材料施加一個時變磁場和一個恒定偏置磁場 , 2個磁場的方向不同將產生不同波型的導波 。當永磁鐵提供的偏置磁場與線圈提供的時變磁場相互垂直時 ,傳感器在板中激勵 SH 波 ; 當兩磁場相互平行時 ,傳感器在板中激勵 Lamb波。
    4實驗
    4.1實驗裝置
           實驗分為 3個部分 ,首先 ,利用 SH型磁致伸縮傳感器在板中激勵導波 ,并檢測損傷位置 ;其次 ,在不同的中心頻率激勵下 ,利用 SH型傳感器在板中激勵導波 ,驗證此導波為 SH波 ;最后 ,驗證分析改變恒定偏置磁場與時變磁場的方向 ,從而改變傳感器在板中激勵的波型。實驗中 ,被測對象為一塊鋁板 ,長為 500mm,寬為 200mm,厚為 3mm。鎳帶厚度為 0. 15mm,長為 25mm,寬為 8mm,用 AB膠粘貼在鋁板上。兩塊釹鐵硼永磁鐵提供恒定偏置磁場 ,由漆包銅線繞成 8字型線圈提供一個時變磁場。傳感器激勵部分與接收部分距離 175mm。先對無裂縫的鋁板進行實驗 ,再在鋁板上設置一裂縫 ,裂縫設置在距離板右邊緣 150 mm處 ,對稱于中軸線長 30mm,寬 0. 5mm,深 3mm。實驗使用的儀器設備主要有 N I PX I—5412信號發射卡、K—H Model 7602功率放大器、Tektronix TDS3012示波器以及計算機。
    4.2實驗結果及分析
            首先 ,利用 SH型磁致伸縮傳感器 對無缺陷鋁板進行實驗 , 激勵信號中心頻率為 100 kHz。無缺陷時接收到信號 ,信號 A為導波從傳感器激勵部分發出 ,第一次到達接收部分時線圈接收到的信號。信號 B為導波繼續在板中傳播 ,遇板右邊緣反射回來到達接收線圈所接收到的信號??梢钥闯?: 2個信號之間的時間間隔為 200μs,這一時間是導波從接收線圈到達鋁板右邊緣再反射回來的往返時間 , 又已知該段往返距離為600mm,因此 ,可以計算出導波在該鋁板中傳播的速度為3 000m / s。在鋁板上設置裂縫后測得的結果可以看出 :裂縫信號與鋁板右邊緣反射信號之間的時間間隔為 100. 4μs,又已知波在該鋁板中的傳播速度為3 000m / s,因此 ,可計算出裂縫距離鋁板右邊緣的距離為3 000 ×100. 4 ×10 - 3 /2 = 150. 6mm,與實際情況 (150mm)基本符合 ,誤差為 0. 4 %。
           中心頻率分別為 50, 100, 150, 200 kHz時 ,利用 SH型磁致伸縮傳感器對設置裂縫后的鋁板進行檢測接收到的信號。各檢測結果中 ,第一個信號為從傳感器激勵部分發射的導波首次到達傳感器接收部分時接收到的信號 ,它與激勵信號之間的時間間隔依次為 57. 1, 58. 3, 58. 9, 59. 5μs。又已知傳感器激勵部分與接收部分之間的距離為175mm,由此可計算各頻率下 ,該導波在板中傳播的速度分別為 3 064, 3 000, 2 971, 2 941m / s??梢钥闯?:該導波隨著頻率的變化速度無明顯變化 ,可以判斷該導波為無頻散的最低階 SH波 ,由此證明 :提出的 SH型磁致伸縮傳感器在板中激勵 SH0 波是可行的。
     利用 Lamb型磁致伸縮傳感器對設置裂縫后的鋁板進行檢測的實驗結果表明激勵信號中心頻率為 50 kHz。C信號為從傳感器激勵部分激出的導波首次到達接收線圈時接收到的信號,該段時間間隔為 82μs,又已知傳感器激勵部分與接收部分之間的距離為 175 mm,由此可計算出此導波在板中傳播的速度為 175 ×10 - 3 / (82 ×10 - 6 ) = 2 134 m / s,對比頻散曲線關系 ,可以判斷出此導波為 A0 模態的Lamb波。另外 ,圖中 D信號為裂縫反射信號 ,它與 C信號之間的時間間隔為 117μs,由此 ,可計算出裂縫與接收線圈之間的距離為 125 mm,與實際情況 ( 150 mm )有 17 %的誤差。Lamb型傳感器檢測結果不如 SH型傳感器清晰 ,初步考慮如下 3個因素 : 1)在 50 kHz時 Lamb波存在 A0 和 S0 2種模態的波型 ,導致信號出現疊加 ; 2)傳感器除激勵Lamb波外 ,還有部分 SH波產生 ; 3)激勵出的 Lamb波傳播方向并非完全沿一個方向傳播 ,從而會出現板其他邊緣的反射信號。這些問題還有待進一步探討。
    5 結  論
           本文基于材料的磁致伸縮特性 ,設計運用于非鐵磁性板結構損傷檢測的磁致伸縮傳感器。實驗結果證明 :該傳感器可在板中激勵和接收導波 ,從而探測出缺陷所在位置 ;改變恒定偏置磁場與時變磁場的方向 ,傳感器在板中激勵的波型不同。由于該傳感器利用的是材料的磁特性 ,因此 ,可以將傳感器中線圈及永磁鐵提離被測結構一定距離 ,即該傳感器具有非接觸性的優點 ,這便于對被測構件處于高溫或者運動中等情況進行測量。另外 ,該傳感器還具有成本低廉、制作簡單、靈敏度高等優點。當然 ,該傳感器還存在一些需要進一步探討和改進的地方 ,如 ,傳感器所激勵出的導波傳播方向單一 ,在檢測未知缺陷時 ,需改變傳感器放置方向來探測缺陷所在位置 ,因此 ,需進一步改進傳感器設計 ,從而能方便地在各個方向上激勵導波。
     


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