磁致伸缩导波模式控制传感器技术

　　磁致伸缩传感器在管道中可以激励出纵波模态、扭转波模态和弯曲波模态的导波。模态的选择可以通过调节偏置磁场和交变磁场的方向来实现。

　　当偏置磁场和交变磁场的方向与管道轴向平行一致时,在管道中激励出纵波模态;当偏置磁场沿管道圆周切线方向且和交变磁场的方向相互垂直时,在管道中激励出扭转波模态;当偏置磁场和交变磁场的方向既不平行又不垂直时,在管道中易于激励出弯曲波模态。当然,在实际制作磁致伸缩传感器过程中,控制偏置磁场和交变磁场的方向完全平行或垂直是比较难的,因此,在检测信号中,除了出现想要的模式导波外,可能同时出现其他模态的导波。

　　目前,利用磁致伸缩传感器在铁磁性构件中分别激励出纵波模态、扭转波模态和弯曲波模态的导波,国外学者开展了相应的研究,方法各异,各有优缺点。1994年,Kwun等[1]通过改变钢杆中磁致伸缩传感器的设置和偏置磁场的分布,在钢杆中分别激励出扭转波(T)、纵波(L)和弯曲波(F),如图1所示,L,T,F分别表示检测的纵波、扭转波和弯曲波信号,*表示接收的多个纵波回波信号。可以看出,通过改变作用于构件上偏置磁场以及激励单元与接收单元的设置,可以极大地改变检测的导波模式。

　　图1中,回波信号曲线Ⅰ给出了纵波及其多次回波信号,其激励单元采用螺线管线圈事先纵向磁化钢杆而留下的剩磁作为偏置磁场,其接收单元采用U型永磁铁的一个极面吸附钢杆一端头作为偏

　　置磁场,如图2中顶部的设置所示;回波信号曲线Ⅱ给出了纵波、扭转波及两者的回波信号,其激励单元采用的偏置磁场设置与回波信号曲线Ⅰ的激励单元采用的偏置磁场设置相同,但其接收单元用一个U型永磁铁与杆轴向平行放置在接收线圈上作为偏置磁场而获得的,如图2中部的设置所示;回波信号曲线Ⅲ给出了弯曲波及其回波,其设置是将线圈缠绕在U型铁芯上作为激励单元,以杆中剩磁作为其偏置磁场,而接收单元的设置与回波信号曲线Ⅱ接收单元的设置相同;回波信号曲线Ⅳ是将线圈缠绕在U型铁芯上作为激励单元,将U型永磁铁的一个极面与杆端接触,并与杆轴向成135°角放置,作为其偏置磁场,而接收单元的设置与回波信号曲线Ⅱ,Ⅲ的接收单元设置相同,如图2底部的设置所示。

　　1　纵向导波模式控制技术

　　1995年,Kwun等[2-3]利用磁致伸缩传感器在圆柱壳体中激励和检测纵向导波。在该传感器的结构中,激励和接收单元都采用线圈缠绕在钢管上,其偏置磁场都用通电螺线管或永久磁铁沿钢管轴向放置而产生。由磁致伸缩效应,激励单元产生的交变磁场可在钢管中激励出弹性导波,而由磁致伸缩逆效应,钢管中传播的波又可引起磁感应的变化,并由接收单元检测或接收。钢管中偏置磁场的作用一方面是增加传感器的效率和灵敏度,另一方面是使得电信号的频率与产生的弹性导波频率一致。磁致伸缩传感器及其系统设置如图3所示。