外文翻译-使用磁致伸缩传感器产生和探测扭转导波（含PDF英文原文）.docx

以上英文原文为PDF格式，下载后双击即可打开另存毕业设计文献翻译与原文题目： 使用磁致伸缩传感器产生和探测扭转导波 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O一五 年 四 月无损评价 （2011） 44：145-151期刊主页：/locate/ndteint 使用磁致伸缩传感器产生和探测扭转导波Yi-Gon Kim a, Hong-Sik Moon a, Kyung-Jo Park b,n, Jeong-Ki Lee c a电气工程系，全南国立大学，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749,韩国b机械工程系，全南国立大学，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749，韩国c对重化工设施安全诊断技术创新中心，全南国立大学，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749 ，韩国摘要 在这项工作中我们提出了一种由电磁线圈，环形线圈组成的磁致伸缩传感器和一个在管道检测中用于产生和探测扭转波的铁磁性贴片，我们得知可以通过调整环形线圈的输入电流控制铁磁块的磁场方向。此外，使用交叉线圈传感器从管的末端反射的信号的振幅比采用预磁化技术大得多，然后过激的能量就被用来产生扭转波，从多个周向凹槽管的结果可知，使用交叉线圈的磁致伸缩传感器可以探测任何直径大于三倍管壁厚度的缺陷。关键字：交叉线圈 磁致伸缩传感器 扭转波 管道1介绍 管道的腐蚀是石油、天然气和石油化工业的一个主要问题，内部和外部的管壁都会发生一般的壁厚减薄和局部点蚀问题。大部分的管子都是绝缘的,因此，在没有去除绝缘层的情况下，外部缺陷无法通过常规的无损检测（NDE）技术，如超声波，液体渗透或磁粉检测方法来探测。点或单独的位置测量有一个有力的优势，将激发导波沿管道传播。他们可以被用来检测长距离管道，由于其速度快也可以减少检查时间。已经使用导波进行了大量的理论和实验研究。在用于产生和接收导波的众多传感器中，磁致伸缩传感器与管道检测相关的技术已经有了进步。这些传感器利用了磁致伸缩效应，涉及焦耳和其逆效应（即逆磁致伸缩效应）5。 Kwun提出了一种使用磁致伸缩效应来产生和探测扭转波的方法。如图1（a）所示，管上的镍带围绕着管的圆周方向，一个缠绕的螺线管被放置在贴片上。在检查时，使用永磁铁和一个交流电（AC）的脉冲施加到线圈，预磁化的贴片在管中提供一个基本的磁场。在相邻的铁磁材料的磁致伸缩效应下，交流磁场（变化的磁场）就会产生扭转导波。然而，如果贴片中的预磁化强度的大小和线圈中的磁场的强度是在不合适的情况下，使用这种方法就会产生除了扭转波之外的不需要的波，如纵波和弯曲波。 最近Park et al.发现了另外一种产生导波的方法。如图1（b）所示，在无视其输入电流的大小时，镍带（铁磁性贴片）被贴在管的周向45度位置以避免激发不需要的波。然而，在这种方法中，很难准确地将铁磁贴在受检验区。Vinogradov提出使用由电磁线圈和环形线圈组成的交叉线圈的磁致伸缩传感器来解决这些问题。 在这项工作中，我们开发了一个先进的交叉线圈磁致伸缩传感器，传感器由Vinogradov很早之前提出的，由电磁线圈和环形线圈替代永久磁铁。我们知道铁磁块的磁场方向可以根据输入到环形线圈的偏置电流的不同而变化。对具有多个圆周凹槽管进行实验，所得到的数据表明所提出的传感器的性能能与使用磁化技术的MsS 匹敌。2.交叉线圈磁致伸缩传感器 图2显示了一个交叉线圈传感器的配置，此线圈被设计来产生和检测管中扭转导波。该传感器由磁性片和两个线圈、螺线管和环形线圈组成。在把贴片贴到管上之前，环形线圈被缠绕在沿其宽度方向。然后电磁线圈绕在环形螺旋片的圆周方向。环形线圈在圆周方向产生了磁场，电磁线圈在其轴向方向上也产生了磁场。 已经表明，如果铁磁材料受到了正当驱动感应，这个感应可以是任何的轴向或者周向方向与在各个正交方向上的偏置感应,就会在扭转方向上产生一个由Wiede- mann效应产生的驱动场所确定的频率振荡。这一结果证实，使用交叉线圈传感器可以产生扭转导波。 使用基于ANSYS的工作台的有限元法（FEM）（12版本，ANSYS公司USA）对强磁性贴片的磁通密度分布进行分析。有限元基本模型有1350277个，其中110400个基本模型是用于条状模型，192个模型为环形线圈，1个螺线管线圈模型和1239684个模型用于周围空气。由椭圆顺磁材料制成的带状材料的相对磁导率设定为250.漆包线绕1300匝缠在贴片上制成环形线圈，绕40匝缠在贴片上制成电磁线圈。对磁通密度的分布进行了研究，当输入环形线圈的输入电流从0每隔0.4A增加到1.2A时，螺线管线圈的输入电流保持恒定16A。 图3（a）显示了当环形线圈的输入电流为零时的磁通密度分布。因为环形线圈没有输入电流，所以磁通密度仅仅沿着轴向。磁通密度的大小为1.0087T（特斯拉）。当输入环形线圈的电流增加时，磁通的方向和大小就会变化。图3（b）和（c）清楚的看到当输入环形线圈的电流从0.4增加到0.8A时，磁通密度的方向越来越周向。轴向轴的测量角度从24.31变到42.11。幅度也从1.105T增加到1.3567T。究其原因，角度的变化可以通过以下事实来进行说明，磁通密度的方向取决于由流过螺线管和环形线圈的电流产生的磁场的向量和。角度形成所述轴向轴线，因此，当输入电流增加到0.8A时，增加并且接近45度理想角来产生扭转波。如图3（d）所示，然而，当输入到环形线圈的输入电流增加到1.2A时，该角度就变为53.61，此角度不适于产生扭转波。从这些结果，我们可以通过调整输入到环形线圈的输入电流来控制铁磁性贴片的磁场密度的方向，并且用于产生扭转波的最佳电流可是在0.8到1.0A之间选择。3实验装置 如图4所示是使用交叉线圈传感器在碳钢管（长2.7米，外径114.3mm，壁厚6mm）上进行的实验。用一个超铁钴带（宽25mm，厚0.15mm，长360mm）来当做铁磁性贴片去产生扭转波。由漆包线制成的环形线圈沿着贴片的宽度方向缠绕1300匝。被交叉线圈缠绕的贴片用环氧树脂胶贴到官道上，并把一个电磁线圈缠绕在贴片上。一个MKSR-2080高频电磁线圈（由西南研究院制造）被用来进行测试。一个直流（DC）电源（HC-2330AD）被用来提供一个直流偏执电流到环形线圈。 被发展成管道检查的MsS仪器，被用来操作交叉线圈传感器。从MsS仪器输出的信号是1个周期128KHz的正弦波。利用短时傅里叶变换（STFT）来对接收的波的分散性进行分析，从而确认其波的模式。用预磁化技术的实验来与使用交叉线圈传感器的结果进行比较。 检测实验是在两个独立的官道上进行的：一个没有任何缺陷，另一个有多个周向凹痕。如图5所示，四个周向的凹痕被加工到管上。四个凹痕离传感器为0.85m，1.05m，1.25m，1.45m。每个凹痕都是1.5mm宽不同周长的圆周：20mm（周长的5.5%），23mm（6.5%），27mm（7.5%）和34mm（9.5%）。在实际应用中，这种凹痕可以代表一个周向的裂纹，因为当凹痕比波长和圆周尺寸短得多的时候，凹痕的轴向尺寸就不重要了。4结果与讨论 该检测系统的一个关键要素是单一模式的选择和利用。如图6所示，在对管检查时，管中大量的波的可能的模式被群速度色散曲线来呈现。采用通用的疏散程序来计算这条曲线。模式被标记为L（0，m），T（0，m），和F（n，m），其中n和m是整数，L，T和F分别是纵向，扭转和弯曲模式，分别为12。 做最初的实际测试使用的是纵向模式。然而，最近的测试使用的是扭转模式。与L模式相反，该模式具有T模式传播时不会受到管道中的液体的影响和不依赖于频率的优点。并且该模式是在所有频率上完全非分散的。因此是通过在中心频率（此项研究中的128kHz）简单地施加模式形状来获取纯模式的激发。在轴对称缺陷中偶然出现轴对称模式时，只有在感兴趣的频率的轴对称模式传播模式才有助于反射场。由于我们工作频率低于T（0.2）的截止频率，因此在轴对称缺陷中并没有模式转换并且T（0，1）模式就被简单的反射或者穿过缺陷。然而，当管中有非对称特征时，T（0，1）模式就转为了弯曲模式。因此，我们研究了扭转模式T（0，1）在缺陷中的模式转换特性。图7（a）显示了探测扭转波信号，图7（b）了当用预磁化技术来产生扭转波时的相同的数据进行了短时傅里叶变换后的时频图。被检查的管道没有缺陷，因此除了从底部返回的扭转波之外应该没有其他的波出现。如图7（a）所示，但是，也出现了两个波，A波和B波以及一个从底部来的反射波。短时傅里叶变换的数据还表明，三个波被包括在所接收的信号中。由于扭转模式是无散射的，该信号表现为平行于频率轴的厚且直的线，如图7（b）所示。该波的传播速度大约为3.2103米/s，这速度与在扭转模式中计算的值3.25103米/s很吻合。信号A的速度大约为5.3103米/s，它表现为一个弱线，几乎平行于频率轴。使用所计算的色散曲线，我们验证了这条曲线符合L（0，2）模式，因为在图7（b）中的频率范围内L（0，2）模式的群速度几乎是一个常数，这速度在128kHz时大约是5.35103米/s。 除了L（0，2）模式的信号，其他像L的信号（B）也会异常的出现。这些信号类似于L模式，因为它们显示为一条几乎与频率轴平行的线，但是它们的群速度在L（0，2）和T（0，1）模式之间。这种模式可以被认为是一个重模式转换的L（0，2）模式。重新模式转换的过程有如下解释：当由MsS探针无意中生成的L（0，2）模式到达终点时，它的一部分转换为T（0，1）模式。当模式转换产生的T（0，1）到达另一端时它转回为L（0，2）模式。因此，这种模式通过管以不同的速度向前和向后传播，以至于它在L（0，2）模式之前先到达传感器，在T（0，1）模式信号之后到达传感器。 我们从这些结果可知，不希望的电磁波，特别是L模式，可以使用预磁化技术产生。因此沃恩建议使用交叉线圈MsS来避免这些问题。图8（a）和8（b）所示的是当交叉线圈探针被用于产生和探测扭转模式时所检测到的扭转波信号和时频图。图8（a）中的数据是用128kHz的脉冲激励交叉线圈的探针所得到的。输入至环形线圈的电流为0.5A。这些结果清楚地表明，L（0，2）模式或者类似的L模式的波不会在信号到达传感器的底端反射前出现。短时傅里叶变换的数据还显示，代表扭转波的线比使用预磁化技术所得到的短时傅里叶变换所得到的数据线更厚，并且对应于L（0，2）的弱线和类似于L模式的线会消失。从图3（c）所示的结果我们注意到，当输入到扭转线圈的电流是0.5A时，磁场就完全沿着圆周方向分散。这意味着，所有的激励能量有助于产生扭转波并且不会激励出不需要的L模式波。 当我们得到图7（a）所示的信号时，我们可能会产生这样的误解，一个没有缺陷的官道上有两个裂纹。如果一个缺陷偶然存在在那个位置，并且从缺陷反射回得信号将会与L模式的信号重叠，我们就难以辨认它们是否来自于缺陷。另一方面，可以使用交叉线圈MsS仅仅只激励出扭转模式，这样从缺陷反射的波就不会和其他类型的波搞混淆。 当输入到环形线圈的输入电流增加时，直到电流到达1.0A之前，从底端反射的信号的幅度也会增加。当输入的电流到达1.0A时，振幅为0.8伏，这已比预磁化得到的0.08伏大得多了。因此，我们可以提高信噪比和相对于该缺陷的入射波的灵敏度。然而，随着输入电流超过1.0A时，振幅就会单调下降，当电流为1.7A时，振幅甚至比预磁化技术得到的值更低。这些结果如图9所示。我们注意到，输入电流应该被设定为1.0A以获得交叉线圈MsS的最佳性能。图10解释了在检查时管与4个圆周缺陷的实验装置的响应时间历程。测试的时间得足够长，这样才能包括在T（0，1）模式从凹槽和管的末端反射之后的管的响应。从MsS探针到凹槽d的距离可以用公式 来计算，其中c是T（0，1）模式的群速度，代表了扭转模式从传感器到凹槽的传输时间。使用C=3.25x103米/秒，将测得信号的时间。图10中的CC2，计算得传感器到凹槽的距离为1.042米，这与实际中CC2凹槽到传感器的距离1.05米相符。CC3和CC4离传感器的距离根据CC2类似的进行估计，其结果是1.24米和1.45米，这与图5（a）中的凹槽的位置1.24米和1.45米很相符。从20mm周长（周长的5.5%）的CC1反射的信号没有出现在测得的结果中。 这凹槽的直径大约是三倍的管壁厚，并且许多研究人员已经发现，很难以探测一个比这个凹槽更小的缺陷。这个凹槽比其他的凹槽更小，以至于反射信号的振幅下降到跟噪声一个水平。这样，我们就不能区分反射信号与噪声信号。 反射到所述圆周范围的灵敏度可以通过反射系数来研究。反射系数的定义为反射信号的幅度与T（0，1）参考信号的幅度的比率，基准波是在引入凹槽前从管的末端采集的。在时域中，幅度用来作为峰-峰值的测量。从底端反射回的信号的幅度是0.8V。从凹槽CC2反射回的信号的幅度是0.004；因此，计算的反射系数为0.005。同样的计算凹槽CC3和CC4的反射系数为0.009和0.013。结果表明，振幅大致跟凹槽的周长是一个线性函数。5结论 我们开发出了一个交叉线圈磁致伸缩传感器用于产生和检测管中的扭转导波，并且通过实验验证了传感器的性能。该传感器包括一个电磁线圈，环形线圈和铁磁贴片。结果表明，可以通过调整输入到环形线圈的电流来控制强磁性贴片的磁通密度的方向。交叉线圈MsS比使用预磁化技术的MsS具有以下优点：（1）从底端和凹槽发射回的信号的幅度大得多，这有助于提高信噪比和缺陷的灵敏度。（2）激发的能量只被用来差生扭转波，所以类似于L模式的不想要的波就不会在管中被激发。具有多个圆周凹槽的管的结果显示任何比管的壁厚大三倍的缺陷都能使用交叉线圈MsS来探测。因此在管道检测中，结合了交叉线圈磁致伸缩传感器的远程导波检测技术会是很有用并且很节约成本。感谢 这项研究由MKE和MEST通过区域创新中心项目和人力资源培训资助。参考文献1 Alleyne D, Lowe M, Cawley P. 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