开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的实验研究
作者：丁秀莉；武新军；孙大阳城娱乐



       开放磁路式磁致伸缩传感器原理的实验研究磁致伸缩导波技术只需单点激励，即可实现长距离检测,大大节省了检测时间。传统的磁致伸缩纵向导波传感器是借助衔铁，使永久磁铁、被测构件和衔铁三者构成闭合磁回路，而检测线圈则需安装在位于磁路中的构件部位该结构的传感器需要在构件中形成均匀的偏置磁场,但对于端部外露很少的构件，如石化行业常用的换热管，其整体都处于换热器内，外露在管板端面仅15mm的构件而言，无法在构件上形成闭合的磁路。

       本文提出了一种开放磁路式的磁致伸缩导波传感器，其利用永久磁铁在铁磁性波导管中形成开放磁路的偏置磁场,再利用磁致伸缩效应在波导管中产生导波，然后通过端部将其传入构件进行检测，为检测换热管等端部外露构件提供了一种可能的方法。此外，相比已有的磁致伸缩传感器而言，该传感器可直接用于检测非铁磁构件，而无须粘结镣带等磁致伸缩材料。因此，提出的开放磁路式磁致伸缩导波传感器可直接在构件端部进行检测，无需预紧力,且可直接检测非铁磁构件。

1传感器结构与原理

       开放磁路式磁致伸缩导波传感器的结构主要包括永久磁铁、线圈和铁磁性波导管。永久磁铁直接吸附在波导管一端,形成开放磁路，波导管另一端通过声耦合剂直接耦合到被测构件端部，线圈可细分为绕在波导管外壁的第一外线圈、第二外线圈和绕在波导管内部的第一内线圈、第二内线圈。检测时，第一外线圈与第一内线圈串联作为激励线圈，第二外线圈与第二内线圈串联作为接收线圈;反之,亦可。

       开放磁路式磁致伸缩导波传感器的检测原理如下:永久磁铁在波导管中形成开放的轴向静态偏置磁场.在激励线圈中通高频电流，在线圈周围会产生动态的交变磁场。波导管中的磁致伸缩效应利用的是外线圈内部的动态磁场和内线圈外部的动态磁场，因此，内外线圈需反接串联才能在波导管中形成方向一致的磁致伸缩应变。根据磁致伸缩效应，波导管在轴向偏置磁场与轴向动态磁场的共同作用下，会产生纵向模态的导波沿波导管传播，再经传声耦合剂耦合到被测构件上，实现导波在被测构件中的传播传感器的接收是激励的逆过程，利用的是逆磁致伸缩效应，被测构件中的回波经传声耦合剂耦合到波导管中，当导波经过接收线圈下方时，线圈由于逆磁致伸缩效应会产生感应电势，从而获得携带被测构件相关信息的回波信号。

2实验研究

2.1实验平台

       为验证开放磁路式磁致伸缩导波传感器的可行性。用实验室自研制的非接触式磁致伸缩导波管道无损检测系统主机81，将激励信号送给传感器中的激励线圈，传感器与被测的钢管构件之间通过声耦合剂紧密结合。传感器中的接收线圈接收到的电信号又送入主机进行滤波、放大等处理，然后送入示波器DPO4032进行显示,示波器数据由USB存储器保存，可在计算机上进行进一步的分析和处理。

       实验中，开放磁路式磁致伸缩导波传感器的波导管釆用长25mm,壁厚2.5mm的由25mm低碳钢管制作。传感器的静态偏置磁场由8个外径25mm、内径8mm、厚6mm（极化方向）的N42钗铁硼永磁体提供。线圈釆用中0.21mm的漆包线手工绕制而成。缠绕在外径19mm,长20mm的塑料管上的第一内线圈和第二内线圈，匝数为23,宽度为5mm,间隔为5mm。绕有线圈的塑料管插入波导管中，保证第一内线圈正对第一外线圈，第二内线圈正对第二外线圈。永磁体吸附在波导管一端，第一内线圈和第二内线圈的引线穿过塑料管上的通孔，并沿永磁体的孔引出。第一外线圈和第一内线圈反向串联作为激励线圈，第二外线圈和第二内线圈反向串联作为接收线圈。将上述的端部磁致伸缩导波传感器安装在壁厚2.5mm的中25mm钢管端部,便可进行检测。

       该实验的钢管材料为铁磁性的低碳钢,钢管上有一个05mm的通孔缺陷与一个深度为0.5mm、沿钢管轴向宽1mm的外壁周向平底刻槽。开放磁路式磁致伸缩导波传感器的布置永久磁铁的S极连接波导管，T表示激励线圈，R表示接收线圈。釆用2个周期270kHz正弦波作为激励信号，重复频率为5Hz。接收信号的放大增益设为40dB,滤波带宽设为50。

       由于接收线圈与激励线圈距离很近，电磁脉冲信号与通过信号重叠在一起。4为电磁脉冲与通过信号的重叠信号,8为0.5mm深刻槽的回波信号,C为小5mm通孔的回波信号，。为钢管右端部的回波信号。实验表明：开放磁路式磁致伸缩导波传感器可以直接安装在钢管端部进行检测,并能有效检测钢管构件中的周向刻槽和通孔缺陷，易于识别。

2.3非铁磁性不锈钢钢管检测实验

        非铁磁性不锈钢的实验布置，与检测低碳钢钢管的传感器布置相同。实验时，由于不锈钢钢管为非铁磁性，传感器无法直接吸附在钢管上，因此，需要人为加压使得传感器与钢管紧密接触。用2个周期270kHz正弦波作为激励信号，重复频率为5Hz。接收信号的放大增益设为40dB,滤波带宽设为50-800kHz,检测信号为电磁脉冲和通过信号的重叠信号,D为无缺陷钢管的右端部回波信号。实验表明：开放磁路式磁致伸缩导波传感器可以得到明显的非铁磁性钢管端部回波信号。

       针对传统磁致伸缩导波技术检测换热管等端部外露构件遇到的难题，本文提出了一种开放磁路式的磁致伸缩导波传感器。该传感器的最大特点是可直接安装在构件端部进行检测,不需要形成闭合磁路，且无需将线圈缠绕在被测构件上，具有安装简单，重复使用率高的优点。借助波导管的作用，还可将该传感器应用于非铁磁性构件检测。本研究工作为端部外露构件难检测的技术问题提供了一种新方法，也为非铁磁性构件的磁致伸缩导波检测技术奠定了一定基础。





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