外文翻譯-使用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生和探測扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計文獻翻譯與原文題目： 使用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生和探測扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波 學(xué) 院： 測試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器班級學(xué)號： 11081318學(xué)生姓名： 馮浩指導(dǎo)教師： 龍盛蓉二Oxx 年 四 月無損評價 （2011） 44：145-151期刊主頁：/locate/ndteint 使用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生和探測扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波Yi-Gon Kim a, Hong-Sik Moon a, Kyung-Jo Park b,n, Jeong-Ki Lee c a電氣工程系，全南國立大學(xué)，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749,韓國b機械工程系，全南國立大學(xué)，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749，韓國c對重化工設(shè)施安全診斷技術(shù)創(chuàng)新中心，全南國立大學(xué)，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749 ，韓國摘要 在這項工作中我們提出了一種由電磁線圈，環(huán)形線圈組成的磁致伸縮傳感器和一個在管道檢測中用于產(chǎn)生和探測扭轉(zhuǎn)波的鐵磁性貼片，我們得知可以通過調(diào)整環(huán)形線圈的輸入電流控制鐵磁塊的磁場方向。此外，使用交叉線圈傳感器從管的末端反射的信號的振幅比采用預(yù)磁化技術(shù)大得多，然后過激的能量就被用來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，從多個周向凹槽管的結(jié)果可知，使用交叉線圈的磁致伸縮傳感器可以探測任何直徑大于三倍管壁厚度的缺陷。關(guān)鍵字：交叉線圈 磁致伸縮傳感器 扭轉(zhuǎn)波 管道1介紹 管道的腐蝕是石油、天然氣和石油化工業(yè)的一個主要問題，內(nèi)部和外部的管壁都會發(fā)生一般的壁厚減薄和局部點蝕問題。大部分的管子都是絕緣的,因此，在沒有去除絕緣層的情況下，外部缺陷無法通過常規(guī)的無損檢測（NDE）技術(shù)，如超聲波，液體滲透或磁粉檢測方法來探測。點或單獨的位置測量有一個有力的優(yōu)勢，將激發(fā)導(dǎo)波沿管道傳播。他們可以被用來檢測長距離管道，由于其速度快也可以減少檢查時間。已經(jīng)使用導(dǎo)波進行了大量的理論和實驗研究。在用于產(chǎn)生和接收導(dǎo)波的眾多傳感器中，磁致伸縮傳感器與管道檢測相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)有了進步。這些傳感器利用了磁致伸縮效應(yīng)，涉及焦耳和其逆效應(yīng)（即逆磁致伸縮效應(yīng)）5。 Kwun提出了一種使用磁致伸縮效應(yīng)來產(chǎn)生和探測扭轉(zhuǎn)波的方法。如圖1（a）所示，管上的鎳帶圍繞著管的圓周方向，一個纏繞的螺線管被放置在貼片上。在檢查時，使用永磁鐵和一個交流電（AC）的脈沖施加到線圈，預(yù)磁化的貼片在管中提供一個基本的磁場。在相鄰的鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)下，交流磁場（變化的磁場）就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。然而，如果貼片中的預(yù)磁化強度的大小和線圈中的磁場的強度是在不合適的情況下，使用這種方法就會產(chǎn)生除了扭轉(zhuǎn)波之外的不需要的波，如縱波和彎曲波。 最近Park et al.發(fā)現(xiàn)了另外一種產(chǎn)生導(dǎo)波的方法。如圖1（b）所示，在無視其輸入電流的大小時，鎳帶（鐵磁性貼片）被貼在管的周向45度位置以避免激發(fā)不需要的波。然而，在這種方法中，很難準(zhǔn)確地將鐵磁貼在受檢驗區(qū)。Vinogradov提出使用由電磁線圈和環(huán)形線圈組成的交叉線圈的磁致伸縮傳感器來解決這些問題。 在這項工作中，我們開發(fā)了一個先進的交叉線圈磁致伸縮傳感器，傳感器由Vinogradov很早之前提出的，由電磁線圈和環(huán)形線圈替代永久磁鐵。我們知道鐵磁塊的磁場方向可以根據(jù)輸入到環(huán)形線圈的偏置電流的不同而變化。對具有多個圓周凹槽管進行實驗，所得到的數(shù)據(jù)表明所提出的傳感器的性能能與使用磁化技術(shù)的MsS 匹敵。2.交叉線圈磁致伸縮傳感器 圖2顯示了一個交叉線圈傳感器的配置，此線圈被設(shè)計來產(chǎn)生和檢測管中扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。該傳感器由磁性片和兩個線圈、螺線管和環(huán)形線圈組成。在把貼片貼到管上之前，環(huán)形線圈被纏繞在沿其寬度方向。然后電磁線圈繞在環(huán)形螺旋片的圓周方向。環(huán)形線圈在圓周方向產(chǎn)生了磁場，電磁線圈在其軸向方向上也產(chǎn)生了磁場。 已經(jīng)表明，如果鐵磁材料受到了正當(dāng)驅(qū)動感應(yīng)，這個感應(yīng)可以是任何的軸向或者周向方向與在各個正交方向上的偏置感應(yīng),就會在扭轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生一個由Wiede- mann效應(yīng)產(chǎn)生的驅(qū)動場所確定的頻率振蕩。這一結(jié)果證實，使用交叉線圈傳感器可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。 使用基于ANSYS的工作臺的有限元法（FEM）（12版本，ANSYS公司USA）對強磁性貼片的磁通密度分布進行分析。有限元基本模型有1350277個，其中110400個基本模型是用于條狀模型，192個模型為環(huán)形線圈，1個螺線管線圈模型和1239684個模型用于周圍空氣。由橢圓順磁材料制成的帶狀材料的相對磁導(dǎo)率設(shè)定為250.漆包線繞1300匝纏在貼片上制成環(huán)形線圈，繞40匝纏在貼片上制成電磁線圈。對磁通密度的分布進行了研究，當(dāng)輸入環(huán)形線圈的輸入電流從0每隔0.4A增加到1.2A時，螺線管線圈的輸入電流保持恒定16A。 圖3（a）顯示了當(dāng)環(huán)形線圈的輸入電流為零時的磁通密度分布。因為環(huán)形線圈沒有輸入電流，所以磁通密度僅僅沿著軸向。磁通密度的大小為1.0087T（特斯拉）。當(dāng)輸入環(huán)形線圈的電流增加時，磁通的方向和大小就會變化。圖3（b）和（c）清楚的看到當(dāng)輸入環(huán)形線圈的電流從0.4增加到0.8A時，磁通密度的方向越來越周向。軸向軸的測量角度從24.31變到42.11。幅度也從1.105T增加到1.3567T。究其原因，角度的變化可以通過以下事實來進行說明，磁通密度的方向取決于由流過螺線管和環(huán)形線圈的電流產(chǎn)生的磁場的向量和。角度形成所述軸向軸線，因此，當(dāng)輸入電流增加到0.8A時，增加并且接近45度理想角來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。如圖3（d）所示，然而，當(dāng)輸入到環(huán)形線圈的輸入電流增加到1.2A時，該角度就變?yōu)?3.61，此角度不適于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。從這些結(jié)果，我們可以通過調(diào)整輸入到環(huán)形線圈的輸入電流來控制鐵磁性貼片的磁場密度的方向，并且用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的最佳電流可是在0.8到1.0A之間選擇。3實驗裝置 如圖4所示是使用交叉線圈傳感器在碳鋼管（長2.7米，外徑114.3mm，壁厚6mm）上進行的實驗。用一個超鐵鈷帶（寬25mm，厚0.15mm，長360mm）來當(dāng)做鐵磁性貼片去產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。由漆包線制成的環(huán)形線圈沿著貼片的寬度方向纏繞1300匝。被交叉線圈纏繞的貼片用環(huán)氧樹脂膠貼到官道上，并把一個電磁線圈纏繞在貼片上。一個MKSR-2080高頻電磁線圈（由西南研究院制造）被用來進行測試。一個直流（DC）電源（HC-2330AD）被用來提供一個直流偏執(zhí)電流到環(huán)形線圈。 被發(fā)展成管道檢查的MsS儀器，被用來操作交叉線圈傳感器。從MsS儀器輸出的信號是1個周期128KHz的正弦波。利用短時傅里葉變換（STFT）來對接收的波的分散性進行分析，從而確認其波的模式。用預(yù)磁化技術(shù)的實驗來與使用交叉線圈傳感器的結(jié)果進行比較。 檢測實驗是在兩個獨立的官道上進行的：一個沒有任何缺陷，另一個有多個周向凹痕。如圖5所示，四個周向的凹痕被加工到管上。四個凹痕離傳感器為0.85m，1.05m，1.25m，1.45m。每個凹痕都是1.5mm寬不同周長的圓周：20mm（周長的5.5%），23mm（6.5%），27mm（7.5%）和34mm（9.5%）。在實際應(yīng)用中，這種凹痕可以代表一個周向的裂紋，因為當(dāng)凹痕比波長和圓周尺寸短得多的時候，凹痕的軸向尺寸就不重要了。4結(jié)果與討論 該檢測系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要素是單一模式的選擇和利用。如圖6所示，在對管檢查時，管中大量的波的可能的模式被群速度色散曲線來呈現(xiàn)。采用通用的疏散程序來計算這條曲線。模式被標(biāo)記為L（0，m），T（0，m），和F（n，m），其中n和m是整數(shù)，L，T和F分別是縱向，扭轉(zhuǎn)和彎曲模式，分別為12。 做最初的實際測試使用的是縱向模式。然而，最近的測試使用的是扭轉(zhuǎn)模式。與L模式相反，該模式具有T模式傳播時不會受到管道中的液體的影響和不依賴于頻率的優(yōu)點。并且該模式是在所有頻率上完全非分散的。因此是通過在中心頻率（此項研究中的128kHz）簡單地施加模式形狀來獲取純模式的激發(fā)。在軸對稱缺陷中偶然出現(xiàn)軸對稱模式時，只有在感興趣的頻率的軸對稱模式傳播模式才有助于反射場。由于我們工作頻率低于T（0.2）的截止頻率，因此在軸對稱缺陷中并沒有模式轉(zhuǎn)換并且T（0，1）模式就被簡單的反射或者穿過缺陷。然而，當(dāng)管中有非對稱特征時，T（0，1）模式就轉(zhuǎn)為了彎曲模式。因此，我們研究了扭轉(zhuǎn)模式T（0，1）在缺陷中的模式轉(zhuǎn)換特性。圖7（a）顯示了探測扭轉(zhuǎn)波信號，圖7（b）了當(dāng)用預(yù)磁化技術(shù)來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波時的相同的數(shù)據(jù)進行了短時傅里葉變換后的時頻圖。被檢查的管道沒有缺陷，因此除了從底部返回的扭轉(zhuǎn)波之外應(yīng)該沒有其他的波出現(xiàn)。如圖7（a）所示，但是，也出現(xiàn)了兩個波，A波和B波以及一個從底部來的反射波。短時傅里葉變換的數(shù)據(jù)還表明，三個波被包括在所接收的信號中。由于扭轉(zhuǎn)模式是無散射的，該信號表現(xiàn)為平行于頻率軸的厚且直的線，如圖7（b）所示。該波的傳播速度大約為3.2103米/s，這速度與在扭轉(zhuǎn)模式中計算的值3.25103米/s很吻合。信號A的速度大約為5.3103米/s，它表現(xiàn)為一個弱線，幾乎平行于頻率軸。使用所計算的色散曲線，我們驗證了這條曲線符合L（0，2）模式，因為在圖7（b）中的頻率范圍內(nèi)L（0，2）模式的群速度幾乎是一個常數(shù)，這速度在128kHz時大約是5.35103米/s。 除了L（0，2）模式的信號，其他像L的信號（B）也會異常的出現(xiàn)。這些信號類似于L模式，因為它們顯示為一條幾乎與頻率軸平行的線，但是它們的群速度在L（0，2）和T（0，1）模式之間。這種模式可以被認為是一個重模式轉(zhuǎn)換的L（0，2）模式。重新模式轉(zhuǎn)換的過程有如下解釋：當(dāng)由MsS探針無意中生成的L（0，2）模式到達終點時，它的一部分轉(zhuǎn)換為T（0，1）模式。當(dāng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的T（0，1）到達另一端時它轉(zhuǎn)回為L（0，2）模式。因此，這種模式通過管以不同的速度向前和向后傳播，以至于它在L（0，2）模式之前先到達傳感器，在T（0，1）模式信號之后到達傳感器。 我們從這些結(jié)果可知，不希望的電磁波，特別是L模式，可以使用預(yù)磁化技術(shù)產(chǎn)生。因此沃恩建議使用交叉線圈MsS來避免這些問題。圖8（a）和8（b）所示的是當(dāng)交叉線圈探針被用于產(chǎn)生和探測扭轉(zhuǎn)模式時所檢測到的扭轉(zhuǎn)波信號和時頻圖。圖8（a）中的數(shù)據(jù)是用128kHz的脈沖激勵交叉線圈的探針?biāo)玫降?。輸入至環(huán)形線圈的電流為0.5A。這些結(jié)果清楚地表明，L（0，2）模式或者類似的L模式的波不會在信號到達傳感器的底端反射前出現(xiàn)。短時傅里葉變換的數(shù)據(jù)還顯示，代表扭轉(zhuǎn)波的線比使用預(yù)磁化技術(shù)所得到的短時傅里葉變換所得到的數(shù)據(jù)線更厚，并且對應(yīng)于L（0，2）的弱線和類似于L模式的線會消失。從圖3（c）所示的結(jié)果我們注意到，當(dāng)輸入到扭轉(zhuǎn)線圈的電流是0.5A時，磁場就完全沿著圓周方向分散。這意味著，所有的激勵能量有助于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波并且不會激勵出不需要的L模式波。 當(dāng)我們得到圖7（a）所示的信號時，我們可能會產(chǎn)生這樣的誤解，一個沒有缺陷的官道上有兩個裂紋。如果一個缺陷偶然存在在那個位置，并且從缺陷反射回得信號將會與L模式的信號重疊，我們就難以辨認它們是否來自于缺陷。另一方面，可以使用交叉線圈MsS僅僅只激勵出扭轉(zhuǎn)模式，這樣從缺陷反射的波就不會和其他類型的波搞混淆。 當(dāng)輸入到環(huán)形線圈的輸入電流增加時，直到電流到達1.0A之前，從底端反射的信號的幅度也會增加。當(dāng)輸入的電流到達1.0A時，振幅為0.8伏，這已比預(yù)磁化得到的0.08伏大得多了。因此，我們可以提高信噪比和相對于該缺陷的入射波的靈敏度。然而，隨著輸入電流超過1.0A時，振幅就會單調(diào)下降，當(dāng)電流為1.7A時，振幅甚至比預(yù)磁化技術(shù)得到的值更低。這些結(jié)果如圖9所示。我們注意到，輸入電流應(yīng)該被設(shè)定為1.0A以獲得交叉線圈MsS的最佳性能。圖10解釋了在檢查時管與4個圓周缺陷的實驗裝置的響應(yīng)時間歷程。測試的時間得足夠長，這樣才能包括在T（0，1）模式從凹槽和管的末端反射之后的管的響應(yīng)。從MsS探針到凹槽d的距離可以用公式 來計算，其中c是T（0，1）模式的群速度，代表了扭轉(zhuǎn)模式從傳感器到凹槽的傳輸時間。使用C=3.25x103米/秒，將測得信號的時間。圖10中的CC2，計算得傳感器到凹槽的距離為1.042米，這與實際中CC2凹槽到傳感器的距離1.05米相符。CC3和CC4離傳感器的距離根據(jù)CC2類似的進行估計，其結(jié)果是1.24米和1.45米，這與圖5（a）中的凹槽的位置1.24米和1.45米很相符。從20mm周長（周長的5.5%）的CC1反射的信號沒有出現(xiàn)在測得的結(jié)果中。 這凹槽的直徑大約是三倍的管壁厚，并且許多研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，很難以探測一個比這個凹槽更小的缺陷。這個凹槽比其他的凹槽更小，以至于反射信號的振幅下降到跟噪聲一個水平。這樣，我們就不能區(qū)分反射信號與噪聲信號。 反射到所述圓周范圍的靈敏度可以通過反射系數(shù)來研究。反射系數(shù)的定義為反射信號的幅度與T（0，1）參考信號的幅度的比率，基準(zhǔn)波是在引入凹槽前從管的末端采集的。在時域中，幅度用來作為峰-峰值的測量。從底端反射回的信號的幅度是0.8V。從凹槽CC2反射回的信號的幅度是0.004；因此，計算的反射系數(shù)為0.005。同樣的計算凹槽CC3和CC4的反射系數(shù)為0.009和0.013。結(jié)果表明，振幅大致跟凹槽的周長是一個線性函數(shù)。5結(jié)論 我們開發(fā)出了一個交叉線圈磁致伸縮傳感器用于產(chǎn)生和檢測管中的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波，并且通過實驗驗證了傳感器的性能。該傳感器包括一個電磁線圈，環(huán)形線圈和鐵磁貼片。結(jié)果表明，可以通過調(diào)整輸入到環(huán)形線圈的電流來控制強磁性貼片的磁通密度的方向。交叉線圈MsS比使用預(yù)磁化技術(shù)的MsS具有以下優(yōu)點：（1）從底端和凹槽發(fā)射回的信號的幅度大得多，這有助于提高信噪比和缺陷的靈敏度。（2）激發(fā)的能量只被用來差生扭轉(zhuǎn)波，所以類似于L模式的不想要的波就不會在管中被激發(fā)。具有多個圓周凹槽的管的結(jié)果顯示任何比管的壁厚大三倍的缺陷都能使用交叉線圈MsS來探測。因此在管道檢測中，結(jié)合了交叉線圈磁致伸縮傳感器的遠程導(dǎo)波檢測技術(shù)會是很有用并且很節(jié)約成本。感謝 這項研究由MKE和MEST通過區(qū)域創(chuàng)新中心項目和人力資源培訓(xùn)資助。參考文獻1 Alleyne D, Lowe M, Cawley P. 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