[发明专利]一种扭转模态磁致伸缩阵列传感器

说明书

技术领域

本发明为一种扭转模态磁致伸缩阵列传感器，属于超声无损检测领域，可在管道结构中激励出扭转模态的超声导波。

背景技术

超声导波因其检测范围大、效率高、衰减小等优点，对于结构表面缺陷和内部缺陷都相当敏感，可实现板、壳、管道、杆等结构的有效检测，近年来受到人们的广泛关注。由于超声导波的传播特性(如频散、多模态和衰减等)直接关系其检测效果。基于导波在结构中的传播特性，选择合适的检测模态和频率范围相当重要。在管道结构检测中，低阶扭转模态T(0,1)波包结构简单，而且具有非频散特性，能传播更长的距离且有较小的衰减。相比与管道结构中其他模态对于缺陷检测有着很大潜力和优势。

目前，常用的激励超声导波主要两种方式，一种方式是基于材料压电效应的压电传感器。压电传感器在激励接收超声波时，通过耦合剂与被测件接触，而且往往需要对试件表面进行预处理，因此检测效率较低；而且压电传感器频率带宽相对较窄，容易激励出多个导波模态，在缺陷信息提取上有一定难度。另一种方式是基于电磁耦合机理的电磁声传感器(Electro-magnetic Acoustic Transducer，EMAT)，无需接触和耦合剂，可直接在导体或铁磁性材料中激励接收超声波，具有与被测试件非接触、无需耦合介质、对被测件表面要求不高、重复性好、适于高温、高速检测等优点。

EMAT工作原理主要基于两种物理效应。一种基于洛伦兹力，当载有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，将在金属内感应出涡流，若此时存在一个偏置静磁场，将在金属中产生交变的洛伦兹力，这种变化的力将激发出超声波；另一种基于磁致伸缩效应，仅适用铁磁质或磁性材料的检测，通过载有交变激励电流线圈产生交变的动磁场和偏置静磁场的共同作用，使磁性材料体积发生变化，形成材料内部的振动，并最终以声波形式将振动向外传播。

EMAT的结构可设计性很高，改变线圈和磁铁的组合形式，可以激发多种类型的超声导波。更容易激励出多种模态类型且模态单一的超声导波，提高缺陷辨识能力和定位精度。但EMAT与压电传感器相比，换能效率较低。一般情况下磁致伸缩型EMAT，也称作磁致伸缩传感器(Magnetostrictive sensor,MsS)，比洛伦兹力型EMAT的换能效率低，然而对于铁磁性材料的检测，磁致伸缩型EMAT的换能效率更高。在设计磁致伸缩型EMAT时，检测对象为非铁磁性材料结构时，可将铁磁性材料薄片作为媒介，粘接或者固定在检测结构表面，不仅有效的激励出超声导波，还可以极大增强接收信号的能量。这使得EMAT应用不仅限于金属或铁磁性材料结构的检测，扩展了EMAT的应用范围。

最早将MsS应用到管道中扭转模态激励接收的是Hegeon Kwun等，2002年申请的美国专利《Method and apparatus generating and detecting torsional wave inspection of pipes or tubes》，将铁磁性材料粘接在管道表面，并缠绕螺线管线圈，激励出扭转模态。Yoon Young Kim等，2005年在《Journal of the Acoustical Society of America》中发表的《Torsional wave experiments with a new magnetostrictive transducer configuration》，Seung Hyun Cho等，2005年在《Applied Physics Letters》中发表的《Effects of the orientation of magnetostrictive nickel strip on torsional wave transduction efficiency of cylindrical waveguides》和Chan II Park等,2006年在《Applied Physics Letters》中发表的《Z-shaped magnetostrictive patch for efficient transduction of a torsional wave mode in a cylindrical waveguide》对Hegeon Kwun设计的传感器结构进行了优化，优化镍带的形状以及粘接方向，增强MsS传感器的性能，并采用激励线圈产生一个偏置静磁场，避免了繁琐的镍带或铁钴带等预磁化，提高了传感器检测效率和实用价值。