基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术研究进展

　　相对于传统的超声波检测技术,超声导波具有传播距离远、检测速度快的特点,因此在大型构件(如在役管道)和复合材料的无损检测中具有良好的应用前景。基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术是近年来兴起的一种新技术,其检测原理为:铁磁体在外磁场中被磁化时,外形尺寸发生变化,产生磁致伸缩应变,从而在铁磁体内激发应力波,即弹性导波。导波在传播过程中,铁磁体内各部分均发生变化,相应磁导率发生变化,反过来使波的传播特性也发生变化进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化。

　　根据法拉第电磁感应定律,变化的电磁感应强度必定引起接收传感器中的电压变化,通过测量电压信号———导波的反射情况,即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹和破损等缺陷。传感器技术、导波特性研究和导波信号分析及处理是基于磁致伸缩效应的导波检测技术取得突破的关键。

　　1　磁致伸缩传感器的研究与应用

　　基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术充分利用计算机控制技术,通过检测仪器和激励传感器在构件中激励导波,然后由接收传感器和检测仪接收回波信号,整个检测过程中磁致伸缩传感器起着承前启后的作用,并且传感器的类型直接决定激励导波的模态。因此,设计合适的传感器是该技术实现检测的关键。

　　Kaule W于20世纪50年代首次提出了基于磁致伸缩效应的无损检测技术,其研究对象是检测钢索的断股和腐蚀^[1]。Kwun H采用磁致伸缩传感器对钢丝绳的断丝情况进行了检测,被检钢丝绳的最大直径达45 mm,使用10 kHz的低频信号可以检测到深度为直径2%的缺陷,检测长度可达100 m^[2]。另外,他们还进行了长距离管道导波检测的可行性研究、各种科学和工程领域中导波的传播、长管检测和机械状态监测研究^[3],对无缝钢管的检测取得了较好效果。对长6 m,3.8 cm的带隔热层钢管的腐蚀性缺陷检测结果表明,即使探头和钢管外表面间隙相对较大,磁致伸缩传感器也可用于发射和探测弹性导波,且可对管体作100%内外表面缺陷检测,这些优点说明磁致伸缩传感器技术对隔热层下钢管进行高效的在线探伤具有良好潜力^[4]。Keith A B等研究了利用磁致伸缩传感器检测钢筋和预应力绳索中的缺陷,研究结果表明,导波的衰减随着腐蚀程度的增加呈递增,对浇铸在混凝土中的钢筋和绳索,其衰减递增得特别快;并开发了两种不同类型的传感器用来评价预应力绳索和混凝土的松懈工艺。Lu Yichi分析了磁致伸缩传感器应用于存在不同深度和长度刻痕缺陷的管道检测,通过传感器测得的导波群速度和理论计算结果吻合,当通过传感器激励中心频率为100~200 kHz的导波时,反射系数和刻痕面积呈近似线性函数关系,为识别缺陷提供了依据^[5]。Laguerre L用相似的方法对圆柱型钢铁构件缺陷进行了检测^[6]。