外文翻译-扭转波试验和一种新的磁致伸缩传感器配置

XX大学毕业设计文献翻译与原文题目： 扭转波试验和一种新的磁致伸缩传感器配置 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx年 四 月 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 Initiatives Centerfor Multiscale Design, Seoul National University, Shinlim-Dong, San 56-1, Kwanak-Gu Seoul 151-742, Korea (Received 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 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。 Kwun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 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 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；（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A. 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）中的应力分量可以写成 虽然纯剪状态(zz=0,0)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)，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cL=(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分量单独进行传播。cL cT、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11 T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11 T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Kwun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 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10中给出了创建的传感器的所选规格。 在今后的工作中，由其他规格所获得的更好的传感器性能将被彻底的研究。IV,实验研究 在本节中，我们将研究所创建的传感器的性能与特点。在现有的磁致伸缩换能器应用程序，将使用下面的正弦波： 其中t是时间，是中心频率，m通常是1或2。当m=1时，生成一个单一正弦脉冲。 正如Hong及Kim25所指出的，fsp(t)的能量不够集中在中心频率; 因此f sp(t)不能有效的进行损伤定位的准确估计。将生成脉冲的能量集中在某一中心频率时，我们使用Gabor脉冲f Gp(t)： 参数及时控制脉冲的传播。=0.000 083和=60KHZ 的Gabor脉冲的形状如图11(a)所示，功率放大器绘制出来的实际波形图如图11（b）.图11 （b) 表明实验产生的Gabor型脉冲与理论脉冲几乎是相同的。、 图 10. 所创建传感器的规格。（a） 偏置线圈；(b) 气动传感线圈；和（c）镍带(厚度=0.15毫米)。A. Kwun传感器波的测量和比较 在表征测量脉冲过程中，要用到下面的符号S-:脉冲波从初始状态向左传播S+:脉冲波从初始状态向右传播d在S-d或S+d：脉冲波S-或S+传播的距离。符号s中的符号T和L代表的分别是扭转模式和纵向模式。例如，S-2L1表示脉冲波最初向左传播，当到达t=2L/CT时传播了2L1的距离，如图12（a）所示。t=2L/CT的时候，两个脉冲波S-和S+将重合,所以信号的幅度变大。由产生频率为=60KHz的Gabor脉冲的传感器所得到的信号如图13(a)所示。在图13（a）中的一部分脉冲信号在图13（b）中放大了。除非另有说明，否则就默认使用以下数值数据：iB(DC偏向电磁的输入）=0.5A =0.000 083 图11 Gabor波形（a）理论信号；(b)来自功率放大器的实际信号。图13（a）被测信号的短时傅立叶变换通过图13（c）表示出来了。图13（c）清楚地表明，每个脉冲的能量都集中在激振频率=60KHz。在时间-频率平面上的垂直线揭示了扭转波的第一个分支的的非色散特征，大概在t=2L1/CT=0.31610-6S，t=2L/CT=1.25410-6S,等。正如III A部分所说，图13（a）所示的信号包含了脉冲和相应的纵向波模式。由图13（a）中SL所表示的脉冲波 ，可能不容易被识别，因为他们的规模很小。由于纵波色散，他们传播时会散开来。因此我们可以选择和纵波水平一样大小的最大峰值sL。这个峰值将记为L11。图12，脉冲波到达（a）t=2L1/CT;（b）t=2L2/CT;(c)t=2L/CT，传播过程的图例。 图13，所创建的传感器的测量信号。（Gabor型脉冲波中心频率：60KHZ）。（a）时间历程；（b）S-2L+2L1和S+2L+S-2L的放大查看；（c）用短时傅立叶变换的(a)中的信号图谱。在检查传感器性能的过程中，将扭转波峰值的11T和L11作比较是比较重要的。为此，图13(a)所示信号被放大了，而且利用纵波速度CL预测了纵向波的到达时间。(纵波脉冲在不同激励频率下可以看得更好：如之后的图15所示)， 从图13(a,中实验测量到的信号可以估计到比值|T11/L11|=3.6，这和|T11/L11|FOA=3.80相差不远。为了比较所创建的传感器和Kwun传感器之间的性能，如图1（a）所示，用Kwun传感器对相同的波进行了测量实验，为了进行定量比较，我们使用了相同的管道和驱动传感线圈。此外，Kwun的镍带的数量和之前传感器所用的是一样的。由于Kwun的镍带是以圆周形式粘结在外管表面，所以Kwun的传感器带宽WKwunN为注意：新创建的传感器用了四块镍带。如图14所示，Kwun传感器所测的脉冲总体特征与图13（a）和图13（c）所示相同。然而，由Kwun传感器所测的脉冲大小远小于之前新创建的传感器所测。例如，脉冲S-2L+S+2L的峰峰值（VP-P）,如下：创建的传感器：VP-P=0.01718V;Kwun传感器：VP-P=0.00421V.新创将的传感器比Kwun传感器有更大的峰峰值的一个原因可能是应用静态偏置磁场。在接下来的部分，我们将探讨偏置磁场对新创建的传感器的输出有什么影响。B.静态偏置磁场和激振频率的影响 静态偏置磁场影响了传感器的性能。为了研究偏置磁场的影响，偏置线圈的输入电流iB要变化。iB的九个值都被考虑在内，在 t=2L/CT时S-+S+的峰峰值(Vp-p) 列于表一。在调整iB大小时，与应变力产生的磁场强度H所相关的镍的磁致伸缩效应应该被考虑在内26。如表一所示，偏置磁场对传感器的输出有明显的影响。由于ib值小，所以幅值单调的增加，在ib0.5A之后几乎就不变了。 基于这个发现，iB0.5A适用于当前的研究。图14. Kwun传感器的测量信号(=60千赫)。（a）时间历程；(b)用短时傅立叶变换的图谱从这个实验可看出，创建的传感器的好处显而易见的。与Kwun的传感器装置不同，通过iB的变化，我们很容易控制偏置磁场。因此，传感器性能能经常被最大化。显然，能使传感器最大化输出的偏置电流将因激励频率的不同而不同，但这个实验就足以显示适当的偏置磁场的重要性，并表明创建的传感器装置的多功能性。图15. 在不同激励频率下的测量信号。（a） =40KHZ；(b) 80KHZ；和（c）120KHZ。 现在我们将研究激励频率对所测量的信号的影响。=40KHZ、80KHZ、和120KHZ的被测信号如图15所示。 所有实验的偏置电流都设置为0.5 A。图16显示了扭转波脉冲的幅值的变化。它也显示了扭转波脉冲与纵波脉冲之间的幅值比率。 最大扭波脉冲的幅值是95KHZ左右，但在60KHZ左右，扭转波脉冲的幅值相对纵波脉冲的幅值的比值达到其最大。因此，根据现场情况，必须权衡这两个因素来选择激励频率。 然而，这个实验显示了激励频率在最大化传感器性能过程中的重要性。图16. 激励频率对传感器输出的影响。（a）扭转脉冲的峰峰值(Vp-p)；（b）扭转波脉冲和纵波脉冲峰峰值的比率。为了检查创建的传感器在更大尺寸的管道中的适用性，我们进行了一些实验。管道尺寸为（d0=50mm，t=1mm，=25KHZ）和（d0=50mm，t=3mm，=25KHZ）所得到的时间信号绘在图17。如图17所示，该传感器可以应用于更大、更厚的管道。然而，为了将传感器应用于涉及厚壁管的工业问题（比如说，t=10mm），我们应进行更多的实验。图17. 实测信号管(d0=50mm，t=1mm)和(d0=50mm，t=3mm)。中心频率选择，以产量高T/L比率和产出。图18. 该实验装置对于损伤检测的应用。（a）一个破碎的铝管；(b)裂纹尺寸。C.损伤检测的应用 作为创建传感器的一个应用，损伤检测在管道被考虑损伤检测的实验装置如图18（a）所示 和人工裂纹的尺寸如图18（b）所示。测试管和传感器的规格和这些早期试验中使用过的规格相同。 图19显示了由所创建的传感器测量出的信号，其中包括由裂纹中反射出的独特脉冲。使用扭波速度cT=3188米/秒，我们可以估计出传感器到裂纹的距离LC。结果摘要载于表ll；从所创建的传感器测量到的信号中，我们可以准确地确定损伤位置。许多其他的开裂情况也应该进行调查，但我们今后将研究这一问题。不过，目前的损伤探测问题足以证明了该传感器的有效性。(见图19)图 19. 裂纹铝管的实测信号。使用=60千赫Gabor脉冲。表二. 提出的传感器对裂纹位置的估计(Lc)。V.结论 一个新的磁致伸缩换能器产生了圆柱波导，我们研究了圆柱波导中扭转波的生成和测量。所创建的传感器包括一个电磁线圈，和以45角的对齐方式黏结在测试样上的数条镍带。为镍带提供静态偏置磁场的偏置电磁线圈可以用来提高传感器的输出。与当前可用的传感器相比，创建的传感器避免了繁琐的镍带预磁化过程，并且产生更大的扭转信号。为了估计生成的扭转应力波和生成纵向波的相对大小，我们进行了一阶应力分析。由创建的传感器所进行的实验表明：中心激励脉冲的频率和输入到偏置线圈的应用直流的大小对传感器性能有显著影响。最后，所创建的传感器已成功应用到长圆柱管中进行损伤检测。 1 M. 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