1、扭转波试验和一种新的磁致伸缩传感器配置扭转波试验和一种新的磁致伸缩传感器配置Yoon Young Kim,Chan II Park,Seung Hyun Cho,and Soon Woo HanSchool of Mechanical and Aerospace Engineering and National Creative Research InitiativesCenterfor Multiscale Design,Seoul National University,Shinlim-Dong,San 56-1,Kwanak-Gu Seoul151-742,Korea(Received
2、20 April 2004;revised 13 March 2005;accepted 15 March 2005)在针对管道的有效远程无损检测中，导波应用得越来越广泛。在各种导波模式中，扭转波的第一个分支是色散波，所以他更受人喜欢。我们这项任务的目标是开发一个新的磁致伸缩传感器来传输和接收圆柱体中的扭转波。传统的磁致伸缩换能器是用来生成并测量扭转波的，它由电磁线圈和一条镍带组成，这条镍带绑在管道的四周用来测试管道。在实际测量之前，我们必须用永久磁铁对镍带进行预磁化。由于经过预磁化，传感器不适合长期的在线监测埋在地底下的管道。为了避免预磁化带来的麻烦并且提高转换效率，我们创建了一个新的传感器
3、装置，把几条镍带安装在管道轴的 45上了。如果加上一个静态偏置磁场域，传感器的输出可以大幅增加。我们做了几个实验来研究所创建的传感器装置的性能。这个传感器装置也可以对铝管进行探伤。2005 美国声学协会。(DOI:10.1121/1.1904304)PACS numbers:43.20.43.20 Mv,Gp,43.35。Cg(AJZ)Pages:3459-34681.简介简介作为无损检测的有力工具，导波技术被用来检测圆柱波导，如各类管子。最近，波导技术受到了广泛的关注1-6。由于导波沿着波导轴可以传播数米，故导波技术可以很有效的检查很大一部分的波导。有一些波的模式如：纵向、扭转和弯曲模式可以
4、用于无损检测，但扭转波模式是首选的,因为它的第一个分支是色散波，而且能良好的处理信号。因此,在扭转波无损检测评价技术中，如何生成一个有效的扭转波是一个重要的问题。就扭转波的产生和测量而言,有两种方法可用:一种方法是利用压电传感器，另一种则是利用磁致伸缩换能器8。每种方法都有自己的优点和缺点,但由于磁致伸缩换能器成本不高，易于安装，所以我们关心的是一个新磁致伸缩换能器的发展空间。磁致伸缩传感器利用铁磁材料的弹性变形和磁场之间的耦合效应。尽管磁致伸缩换能器(包括传感器)在很多案例中已经被应用和研究,9-14但利用他们来生成扭转波也只是最近才由 Kwun8制作出来。Kwun 的传感器装置在圆柱波导中
5、生成了扭转波，其装置图如Fig.1(a)。该传感器由一个镍条和电磁线圈组成，这个电磁线圈环绕在镍条四周。镍条黏结在管状试样四周来测试试样，永磁铁绑在镍条上起到预磁化作用。(任何铁磁性材料都可以用来替代镍条，但镍条更易寻找且成本低。)该预磁化将产生圆周方向的静态磁场强度,如图 1 所示。当交流电通过电磁线圈,镍带 z 轴方向上的交变磁场强度(Hd)也增强了。如果 HD 和 HS 的大小几乎相同,产生的磁场强度矢量方向将指向 z 轴 45方向,见图 1（b）。.Kwun8在该领域取得重大进展，他开发了一个能产生扭转波的新磁致伸缩换能器。然而,传感器装置有一些缺陷。首先,镍带总是需要在换能器使用前进
6、行预磁化。当传感器用于地下管道的长期在线监测,镍条需要定期磁化，但这很难实现。其次，,如果 HD和 HS 量级的顺序不同,除了扭转波外，还会产生杂波。为了克服上述缺点,我们创建了一个新的传感器装置，如图 2 所示。镍带被黏结在测试试样上，并与试样成45角对齐。由于镍的相对磁导率比试样要高，所以线圈中的产生的大部分磁通量流经镍带。因此,由磁致伸缩效应导致的镍带的弹性变形,使得测试试样在平行于镍带方向产生主要的弹性变形。显然,生成的应变将会使扭转波沿试样轴方向传播。图 1.产生和测量扭转波的 Kwun的磁致伸缩换能器。(a)结构示意图;(b)产生的 Hs 和 Hd 的总和大小的磁场强度方向。Kwu
7、n 的换能器和我所创建的换能器之间的主要区别仅仅是镍带的定向角。然而,对齐方式的改变对传感器特性有重大影响;不需要进行预磁化，产生的波模式与当前电磁线圈的电流输入级也是不相关的。毫无疑问，应用偏置磁场会提高传感器的性能，但是即使没有偏置磁场，新创建的传感器也是可以使用的。偏置磁场的影响将在随后进行研究。早些时候,Ohzeki 和 Mashine15使用斜型铁磁补丁，这个补丁附在测试样品上，朝着测试样品轴的方向。他们的动机是测量在轴铣床中传输的扭矩。然而，这项工作中创建的传感器不仅可以测量扭矩，而且可以产生扭转波。铝管中的损伤位置估计也将被视为一个典型的应用难题。验证的性能图 2.被提议的磁致伸
8、缩换能器用来生成和测量扭转波图 3.内外半径分别为 a=11.5 毫米和b=12.5 毫米的圆柱形铝壳中轴对称扭转波的相速度色散曲线提出的传感器,进行了几个实验。II.理论背景理论背景在本节中,我们将讨论指导扭转波和磁致伸缩效应。A.指导扭转波指导扭转波在这次调查中,薄壁管道被用作波导。弹性波的机制及其色散特性将主要展示在圆柱壳图 1(a)中。图 3 显示了 vp-M 关系的色散曲线(vp:相速度,m:角频率)。从图 3 可以看到,第一个分支,是最低能分支,是非色散的。因此,属于第一分支的波的相速度与频率无关。如果激励频率比第一个截止频率(1.6兆赫)高不了多少的话，那第一个分支就会成为波能的
9、主要载体。因此,激励脉冲形状将几乎可以全部保存。其他波模式或分支没有非色散特性,所以最好使用第一分支扭转波模式中可以分解的脉冲来检测远程伤害。对于色散特性的一般讨论,我们可以看看阿肯巴克16,Miklowitz17格拉芙18、或 Rose19.B.磁致伸缩效应磁致伸缩效应该传感器在驱动和测量扭转波中使用了磁致伸缩效应,所以我们应该解释一下磁致伸缩效应的物理原理，如焦耳效应和维拉里效应。焦耳效应20是指置于磁场中的一块铁磁材料尺寸发生变化的现象。维拉里效应21代表焦耳效应的逆现象。焦耳效应和维拉里效应可以由以下两个一维的方程来表示:图 4.应力状态下的纯扭转管。（a)任意一点 p 在管子表面；（
10、b)应力状态的二维工程视图。此处,B 和 H 各自代表应变,压力,磁通密度和磁场强度。材料常数EH,q*,分别表示恒定磁场中的杨氏模量,焦耳效应的耦合系数、在恒定应力下的渗透率和维拉里效应的耦合系数。,我们可以在 Jiles22找到关于磁致伸缩效应的一般理论，这个理论解释了滞后和不可逆性。弹性波或铁磁材料的变形很容易节能转换成在包围在材料周围的电磁阀的电压变化。III.为扭转波创建的磁致伸缩传感器为扭转波创建的磁致伸缩传感器A.传感器装置和一阶应力分析传感器装置和一阶应力分析为了解释管道中通过焦耳效应而产生扭转波的机理,我们选取管表面一个通用点 p，见图 4(a)。当管道图 4(a)所示是在纯
11、扭的状态,P 在 z-平面的应力状态应该类似于图 4 所示的状态(b)。z-坐标系统中的纯剪状态可以用主轴 1 和 2 中的两个正常应力(-,)来表示，这两个主轴与 z 轴成45。因此,如果有相反的迹象的正常应力是沿着两个主轴的,那么纯扭转波就可以沿着管道轴生成。基于图 4(b)的简单应力分析，我们建议铁磁条(由镍组成)沿管道轴 45对齐。在图 5(a)我们可以看到一个铝管的外表面上绑了四条镍带，图 5(b)表示了一个由镍带和电磁线圈组成的磁致伸缩换能器。电磁线圈既是驱动线圈，也是感应线圈。通过磁致伸缩效应，铝管可以被镍带的弹性变形激活。因此，图（5）绑在管道表面的镍带(a)和(b)处不安装驱
12、动和感应线圈。当弹性电流流过电磁线圈时，研究镍带中磁通量的方向很重要。图 6显示了 z-平面中磁通量线的模式。为了更好的分析，我们采用二维线性静态模型。利用 ansys23我们进行了实际数值计算。图 6 中，由于镍的渗透率远远大于那些铝和空气，所以镍条中的磁通量主要沿着轴 1。因此，当电流通过电磁线圈时，焦耳效应导致镍条主要沿轴 1 方向变形。为了研究所镍带产生的波，我们得先考虑电流输入到电磁线圈时镍带的弹性变形并进行一阶应力分析。镍带沿轴 1 方向发生了均匀收缩(或扩展)，在被绑定之前，镍带也沿轴 2 方向发生了伴随性的均匀拉伸(或收缩)，这两种变形可以被由以下应变分量表示：其中 vN是镍的
13、泊松比。当镍条被绑在铝管时，镍带的弹性变形在铝管中出现了应力。图 7.管道应力状态的分解取决于镍带的变形。该应力的大小评估需要相当复杂的分析，所以一阶分析会用到一些假设。如果 LNnwN(LN、wN：每条镍带的长度和宽度，n：镍带数）在图 2、镍带绑在管道的地方出现的应力可假定为此处0代表在 1 轴的正常应力分量。为了将沿轴 1 和轴 2 表示的应力成分转换到 z-坐标系统中，我们要使用到下列转换公式(看到，例如，Timoshenko 和 Goodier24):此处的是两个正交坐标系统之间的夹角(i，j),（i，j）。代入（i，j）=（z,），(i,j)=(1,2)和=45，Eq.(4）中的应
14、力分量可以写成虽然纯剪状态(zz=0,z0)可取，但是从公式（6）看出，正应力也由此产生了。因此，不仅扭转波会生成（由于z)，而且纵波(由于zz)也会生成。图 7显示分解为三个应力分量的应力状态。为了研究应力波的传播，我们必须注意到，纵波速度 c L=(EA/A)是不同于扭转波的速度 cT=EA/2A(1+VA)的(EA，A,VA：杨氏模量、密度、铝的泊松比).因此，生成纵向波的zz分量和生成扭转波的z分量单独进行传播。cLcT、所以纵波领先于扭转波传播。为了进行一阶应力分析，人们可能会忽视传播中的波的动态影响，以及波传播过程中的阻尼效应。用传感器测量所生成的纵向应力波，应力状态可近似表示为那
15、么下面的应力分量将通过镍带来测量：其中标 L 代表纵波。在用公式（8）计算结果的过程中,我们也用到了公式（5），和公式（6），这里(i，j)=(1，2)，(i,j)=(z，)，=-45。同样，由于扭转波产生的11T应力分量的大小可以由下式计算从上面的应力分析，可以得出以下结论。（1)通过我们所创建的传感器装置，我们知道扭转波，纵波是同时产生的。然而，扭转应力11T远大于纵向应力的11L。若忽略动态和阻尼效应，则二者之比可近似表示为在公式（10）,下标FOA是用来强调结果是通过一阶分析预测的。（2)由于他们的波速之间的区别，扭转波将赶在小规模的纵波之前。因此，可以区分出扭转波和纵波。虽然应力分析
16、是基于一些假设，但目前的分析显示了波的特性，这些波由创建的传感器所测量。新创建的传感器的照片如图 8 所示。图 8（b）中所示的偏置线圈是用来提供静态偏置磁场。偏置磁场对提高传感器的输出非常有用，稍后我们会说到。图（8）.创建的磁致伸缩换能器的照片。（a）装配状态；(b)拆卸状态。1.与与 Kwun 的传感器的比较的传感器的比较在使用图1所示Kwun的传感器，在无限镍带中产生的应变，可以表示为在这种情况下，HS/HD 的比值决定了原理轴 1 和 2 的方向。除非 HD调整为与 HS 一至，即，=45，否则扭转主导波无法生成。如果 HD 远远大于 HS，例如，则由 Kwun 的传感器生成的波将由纵波模式主导。由于HS 场是由沿镍带圆周方向上摩擦永久磁铁而产生的，所以很难量化 HS的大小。此外，镍消磁时间通常相对较短，所以永磁摩擦技术不能用于长期在线检测，特别是埋在地下的管道在线检测。B.实验装置B.实验装置图 9 显示了该实验装置示意图。图9中的传感器所示是图8中所创建的传感器.用环氧树脂将镍带粘结在铝管上（型号：3M DP460)，管道试样的尺寸和所创建的传感器的位置如图9 所示.图
