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周向局部加載型磁致伸縮傳感器導波特性

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-01-24 10:58

  

        基于磁致伸縮效應的導波傳感器可以在鐵磁性材料上激發和接收超聲導波,與壓電超聲相比,該技術可以更方便地激發縱波、扭轉波等多種類型的導波,且具有非接觸的特點,因而受到了越來越多的關注。國內外學者大多關注軸對稱加載型的導波,通過激發出的軸對稱型縱向導波或扭轉導波 進行檢測 ,但是這類導波忽略了被測管道的周向信息,不能確定缺陷的圓周位置。要獲取被測管道的圓周信息,必須利用非軸對稱的周向局部加載型傳感器來產生并接收非軸對稱模態導波。 研究周向局部加載型傳感器特性,首先要從激勵源對導波模態的影響展開研究。而簡正模態展開法可以給出導波激勵問題的物理解釋,具有直觀的物理意義,是一種研究波源影響的有效方法。本文在分析了磁致伸縮導波機理的基礎上,利用NME法研究了磁致伸縮傳感器在周向局部激勵時的導波模態特征,得到了各模態幅值周向分布了隨傳播距離的變化規律,最后通過實驗驗證了理論分析的正確性,為慣導缺陷的周向定位提提供了理論依據。
1 周向局部加載型磁致伸縮導波理論
1.1導波機理研究
磁致伸縮力產生于鐵磁性材料中,對于非導磁材料或弱導磁材料, 一 般需要在被測材料表面粘貼高導磁材料(如鐵鉆合金)的條帶,作為磁致伸縮導波產生和接收的載體。
周向局部加載型導波傳感器沒有在管道整個圓周布置線圈,而只是覆蓋 一 定周向角度。條帶沿軸向預先磁化,與載流導線產生的動態磁場方向平行,可在導波產生和接收過程中提供一 個穩定的偏置磁場。鐵鉆條帶在磁致伸縮效應的影響下,在表面產生與激勵電流同頻率的振動,該振動隨后被傳遞給待測管道,產生超聲導波。
磁致伸縮力一般是非線性變化的,與材料屬性、應力狀態、表面條件和之前受到的磁場-機械載荷等因素有關。但較小的動態磁場加在較大的偏置磁場上,使得磁場變化量很小,因此可將磁致伸縮力看作是在線性區間內變化的。
1.2 導波模態分析
利用NME法對導波模態進行分析,研究磁致伸縮表面力對導波能量周向分布的影響。磁致伸縮力主要是沿軸向分布的,因此導波傳播時速度場和應力場的軸向分量最大。
2、周向局部加載型磁致伸縮傳感器實驗研究
磁致伸縮位移傳感器
2.1 實驗設置
實驗鋼管外徑為159 mm, 壁厚4.5 mm, 長度6 m, 管道材質為20#鋼,密度為7 800 kg/m3 , 彈性模量為210 GPa, 泊松比為0.3。激勵線圈周向覆蓋角度為45 '軸向長度為50 mm,激勵頻率為91 kHz, 可激發出沿軸向傳播的導波。接收線圈由8個獨立通道組成,每個通道線圈周向角度為45 °,通道 1 的線圈與激勵線圈處千同一母線上,距離激勵線圈軸向距離為4m。
2.2 實驗結果
由NME法分析可知,在周向局部加載時,可激發出軸對稱和非軸對稱型導波。由圖3可見,在91 kHz時,L (0 ,2)和F(l ,3)模態相速度和群速度相近,而與其他模態的速度相差很大,在時域圖中L(0,2)和F0,3)會形成一個波包進行傳播。因此,在計算周向特征分布時,只考慮L(0,2)+F0,3)模態組合形式,即M=O和1。
8通道傳感器接收到的時域信號。由頻散曲線中的群速度可知,左側虛線框中的波包對應L(0,2)+F0,3)模態導波傳播4m時的信號,右側虛線框中的波包對應L(0,2)+F0,3)模態導波傳播8m時的信號。4m處波包和8m處波包幅值與理論曲線的對比,可見理論能量分布曲線和實測信號幅值周向分布較為吻合。
將激勵線圈中心位置記為0 0。導波傳播4m后,0 0位置對應的信號能量最小,而180°位置對應的信號最大,即此時能量聚焦于180°處。導波傳播8m后,0 0位置對應的信號能量最大,180 °位置對應的信號最小,即此時能量聚焦千處。
理論值和實測值存在一定誤差,這主要是由于接收傳感器數量較少,而且傳感器粘貼時存在一定誤差造成的。
3、結論
本文對周向局部加載型磁致伸縮傳感器進行了研究。通過理論和實驗證明:此類傳感器可以激發出軸對稱和非軸對稱模態導波,隨著導波在管道中傳播,導波能量聚焦在不同的周向角度上,該聚焦點的周向位置與傳播距離有關。當導波遇到缺陷發生反射時,可以將缺陷反射的導波信號等效為此類型的激勵傳感器激發的導波信號,根據導波傳播特性即可對缺陷進行周向定位。


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