外文翻译-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 Han School of Mechanical and Aerospace Engineering and National Creative Research Initiatives Center for 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 - 3468 1.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； （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, z 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 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。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 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 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 Kim 25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 -2L 1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 11 T和L 11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| T 11/ L 11|=3.6，这和 | T 11/ L 11|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 W Kwun N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 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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