一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器及使用方法技术

一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器及使用方法，属于无损检测技术领域，具体方案如下：首先，将由高磁致伸缩系数的材料制成的磁致伸缩贴片耦合在被测试件的圆周表面并将其沿被测试件的圆周方向磁化；其次，利用磁致伸缩贴片中的剩磁提供静态偏置磁场，将通入交流电的线圈周向缠绕在磁致伸缩贴片表面，产生纵向动态磁场激励扭转导波；最后，改变线圈位置，借助磁致伸缩贴片边缘反射，能够控制扭转导波传播方向。本发明专利技术采用单侧区域耦合或单侧边缘耦合方式，能够有效消除主信号后的周期性干扰信号，提高信噪比，最终提升检测能力。最终提升检测能力。最终提升检测能力。

【技术实现步骤摘要】
一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器及使用方法


[0001]本专利技术属于无损检测
，具体涉及一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器及使用方法。

技术介绍

[0002]板材、管件等在服役过程中经常产生裂纹和腐蚀等缺陷，形成安全隐患。为了保证产品的安全运行和有效使用，无损检测在石油石化、轨道交通等领域已经成为一种强制性措施。超声导波技术具有传播距离远和信号衰减小等特点，能够实现高效率、长距离、大范围检测，适用于大型工业结构无损检测与健康监测。磁致伸缩贴片换能器由于结构简单，通过改变磁场方向易于激励不同类型的超声导波，近些年受到国内外学者的广泛青睐与关注。
[0003]导波在缺陷处的聚焦，能够有效提高缺陷检测的灵敏度。通常采用换能器阵列实现上述功能。相控阵换能器的优点在于弥补了单个传感器激励导波的局限性，其通过控制多个激振单元的相位和幅值进行导波模态选择和能量聚焦，可实现大面积的快速测量，提升了信号幅度与信噪比。而对于超声导波反射法检测缺陷，控制超声导波方向是必要的。现阶段常通过控制双曲折线圈之间的相位与幅值实现导波单向传播
[1]，但其激发频率区间狭小，需根据不同应用场景更换不同特征频率的换能器。为实现大范围扫频功能，利用换能器阵列及相控阵技术，通过控制各阵元激励信号延时和初始相位，激励连续频率的单向SH导波
[2]。
[0004][1]王悦民,刘勇,沈立华等.管道中磁致伸缩导波传播方向控制理论与试验.海军工程大学学报,2012,24(06),16
‑
20.
>[0005][2]Wang S.J,Li C,He C,et al.Design method of unidirectional wideband SH guided wave phased array magnetostrictive patch transducer.Sensors and Actuators A:Physical2022.10.1016.

技术实现思路

[0006]现有的超声导波方向控制方法需要至少两个通道的换能器及其激励
‑
接收装置，为有效降低导波检测成本，本专利技术提出一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器及使用方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0008]首先，将由高磁致伸缩系数的材料制成的磁致伸缩贴片耦合在被测试件的外圆周表面并将其沿被测试件的圆周方向磁化；其次，利用磁致伸缩贴片中的剩磁提供静态偏置磁场，将通入交流电的线圈周向缠绕在磁致伸缩贴片表面，产生纵向动态磁场激励扭转导波；最后，改变线圈位置，借助磁致伸缩贴片边缘反射，能够控制扭转导波传播方向。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0010]1.基于魏德曼效应的磁致伸缩扭转导波换能器结构，本专利技术所述的换能器仅由磁
致伸缩贴片、耦合剂与线性线圈构成。利用磁致伸缩贴片中的剩磁产生静态偏置磁场，通入交流电的线圈产生动态磁场，扭转导波激励强度高，换能器的结构设计简单，易于制作。
[0011]2.本专利技术采用磁致伸缩贴片中的剩磁提供静态偏置磁场，无需单独使用永磁铁提供静态磁场，简化了换能器的结构，降低了换能器的制作成本。
[0012]3.与使用多通道激发出多个信号实现干涉的方式相比，本专利技术仅使用单通道实现了方向控制。导波在磁致伸缩贴片内部传播，并在其端面形成反射，仅需沿导波传播方向移动线圈位置，便可改变激励信号与反射信号的相位差，实现相消或相长干涉。激励设备同样仅需一个通道，大大节省了磁致伸缩导波检测系统的制作成本。
[0013]4.本专利技术采用单侧区域耦合或单侧边缘耦合方式，能够有效消除主信号后的周期性干扰信号，提高信噪比，最终提升检测能力。
附图说明
[0014]图1是基于魏德曼效应的单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器结构示意图；
[0015]图2是单向导波激励方法示意图；
[0016]图3是单向导波激励原理图；
[0017]图4是单侧耦合方式示意图；
[0018]图5是单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器有限元模型示意图；
[0019]图6是仿真模型激励信号示意图；
[0020]图7是导波产生区域位于磁致伸缩贴片左侧边缘附近时的仿真结果图；
[0021]图8是导波产生区域位于磁致伸缩贴片右侧边缘附近时的仿真结果图；
[0022]图9是实验装置示意图；
[0023]图10是单侧区域耦合时不同方向导波信号图；
[0024]图11是单侧边缘耦合时不同方向导波信号图；
[0025]图12是两侧耦合方式示意图；
[0026]图13是两侧区域耦合时不同方向导波信号图；
[0027]图14是两侧边缘耦合时不同方向导波信号图；
[0028]图15是中间区域耦合时不同方向导波信号图；
[0029]图中，1、被测试件，2、磁致伸缩贴片，3、线圈。
具体实施方式
[0030]下面将结合附图和实施例，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]磁致伸缩扭转导波激励是魏德曼效应的典型应用，铁磁性材料在方向相互垂直的静态偏置磁场和交流线圈提供的动态磁场的共同作用下，将产生扭转形变，产生T(0,1)模态扭转导波。导波借助磁致伸缩贴片2的边缘反射，可在两侧发生相消或相长干涉，能够控制扭转导波的传播方向。本专利技术由磁致伸缩贴片2、耦合剂和线性线圈3构成，如图1所示。把磁致伸缩贴片2耦合在被测试件1的外圆周表面，将磁致伸缩贴片2沿被测试件1圆周方向磁
化，磁致伸缩贴片2中的剩磁用于提供静态偏置磁场，磁致伸缩贴片2选用饱和磁致伸缩形变不低于50ppm的磁致伸缩材料，优选镍、铁钴合金或铁镓合金。通入交流电的线圈3沿被测试件1的圆周方向缠绕在磁致伸缩贴片2表面，用于产生纵向动态磁场，线性线圈3由单匝或多匝导线紧密并排绕制。耦合剂优选环氧树脂，将磁致伸缩贴片2与被测试件1粘接，将磁致伸缩贴片2产生的振动传递到被测试件1上。
[0032]本专利技术涉及的换能器在工作时，将激励和接收沿管道轴向方向传播的T(0,1)导波。磁致伸缩贴片中的剩磁提供静态偏置磁场，通入交流电的线圈产生纵向动态磁场，根据魏德曼效应，磁致伸缩贴片在垂直于声波传播方向的静态偏置磁场和平行于声波传播方向的动态磁场的共同作用下，产生扭转形变，激励沿管道长度方向传播的扭转导波。磁致伸缩贴片换能器的换能区域主要集中在线圈边缘下方，且两边缘附近的质点位移方向相反。当线圈移动时，换能区域随着线圈位置变化而改变。线圈位置示意图如图2所示，当线圈位于位置1磁致伸缩贴片左侧边缘附近时，激励向右侧传播的单向扭转导波；当线圈位于位置2磁致伸缩贴片右侧边缘附近时，激励向左侧传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器，其特征在于：包括磁致伸缩贴片和线圈，所述磁致伸缩贴片耦合在被测试件的外圆周表面，所述线圈沿试件的圆周方向缠绕在磁致伸缩贴片的表面，所述磁致伸缩贴片沿试件的圆周方向磁化，所述线圈通入交流电。2.根据权利要求1所述的一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器，其特征在于：所述磁致伸缩贴片通过耦合剂耦合在被测试件的外圆周表面，所述耦合剂为环氧树脂。3.根据权利要求1所述的一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器，其特征在于：所述磁致伸缩贴片的材料为饱和磁致伸缩形变不低于50ppm的磁致伸缩材料。4.根据权利要求3所述的一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器，其特征在于：所述磁致伸缩材料为镍、铁钴合金或铁镓合金。5.根据权利要求1所述的一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器，其特征在于：所述线圈为单匝或多匝导线紧密并排绕制。6.根据权利要求1所述的一种单向扭转导波单通道磁致伸缩换能器，其特征在于：将所述磁致伸缩贴片下表面的左侧或右侧距其边缘宽w的区域与被测试件通过耦合剂耦合，磁致伸缩贴片下表面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何成，李策，王雪松，王浩东，王知非，王淑娟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：