外文翻譯-扭轉(zhuǎn)波試驗和一種新的磁致伸縮傳感器配置

扭轉(zhuǎn)波試驗和一種新的磁致伸縮傳感器配置扭轉(zhuǎn)波試驗和一種新的磁致伸縮傳感器配置 Yoon Young Kim, Chan II Park, Seung Hyun Cho, and Soon Woo Han School of Mechanical and Aerospace Engineering and National Creative Research Initiatives Center for Multiscale Design, Seoul National University, Shinlim-Dong, San 56-1, Kwanak-Gu Seoul 151-742, Korea (Received 20 April 2004; revised 13 March 2005; accepted 15 March 2005) 在針對管道的有效遠(yuǎn)程無損檢測中，導(dǎo)波應(yīng)用得越來越廣泛。在各種導(dǎo)波模 式中，扭轉(zhuǎn)波的第一個分支是色散波，所以他更受人喜歡。我們這項任務(wù)的目標(biāo) 是開發(fā)一個新的磁致伸縮傳感器來傳輸和接收圓柱體中的扭轉(zhuǎn)波。 傳統(tǒng)的磁致伸 縮換能器是用來生成并測量扭轉(zhuǎn)波的，它由電磁線圈和一條鎳帶組成，這條鎳帶 綁在管道的四周用來測試管道。在實(shí)際測量之前，我們必須用永久磁鐵對鎳帶進(jìn) 行預(yù)磁化。由于經(jīng)過預(yù)磁化，傳感器不適合長期的在線監(jiān)測埋在地底下的管道。 為了避免預(yù)磁化帶來的麻煩并且提高轉(zhuǎn)換效率，我們創(chuàng)建了一個新的傳感器裝 置，把幾條鎳帶安裝在管道軸的 45上了。如果加上一個靜態(tài)偏置磁場域，傳 感器的輸出可以大幅增加。我們做了幾個實(shí)驗來研究所創(chuàng)建的傳感器裝置的性 能。這個傳感器裝置也可以對鋁管進(jìn)行探傷。 2005 美國聲學(xué)協(xié)會。 (DOI:10.1121/1.1904304) PACS numbers:43.20.43.20 Mv,Gp,43.35。Cg(AJZ)Pages:3459 - 3468 1.簡介簡介 作為無損檢測的有力工具，導(dǎo)波 技術(shù)被用來檢測圓柱波導(dǎo)，如各類管 子。最近，波導(dǎo)技術(shù)受到了廣泛的關(guān) 注 1-6。由于導(dǎo)波沿著波導(dǎo)軸可以傳播 數(shù)米，故導(dǎo)波技術(shù)可以很有效的檢查 很大一部分的波導(dǎo)。有一些波的模式 如：縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲模式可以用于 無損檢測，但扭轉(zhuǎn)波模式是首選的,因 為它的第一個分支是色散波，而且能 良好的處理信號。因此,在扭轉(zhuǎn)波無損 檢測評價技術(shù)中，如何生成一個有效 的扭轉(zhuǎn)波是一個重要的問題。 就扭轉(zhuǎn)波的產(chǎn)生和測量而言,有兩 種方法可用:一種方法是利用壓電傳感 器，另一種則是利用磁致伸縮換能器 8。每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn), 但由于磁致伸縮換能器成本不高，易 于安裝，所以我們關(guān)心的是一個新磁 致伸縮換能器的發(fā)展空間。磁致伸縮 傳感器利用鐵磁材料的彈性變形和磁 場之間的耦合效應(yīng)。盡管磁致伸縮換 能器(包括傳感器)在很多案例中已經(jīng) 被應(yīng)用和研究,9-14但利用他們來生成 扭轉(zhuǎn)波也只是最近才由 Kwun8制作出 來。 Kwun 的傳感器裝置在圓柱波導(dǎo) 中生成了扭轉(zhuǎn)波，其裝置圖如 Fig.1(a)。該傳感器由一個鎳條和電磁 線圈組成，這個電磁線圈環(huán)繞在鎳條 四周。鎳條黏結(jié)在管狀試樣四周來測 試試樣，永磁鐵綁在鎳條上起到預(yù)磁 化作用。(任何鐵磁性材料都可以用來 替代鎳條， 但鎳條更易尋找且成本低。 ) 該預(yù)磁化將產(chǎn)生圓周方向的靜態(tài)磁場 強(qiáng)度,如圖 1 所示。當(dāng)交流電通過電磁 線圈,鎳帶 z 軸方向上的交變磁場強(qiáng)度 (Hd)也增強(qiáng)了。 如果 HD 和 HS 的大小 幾乎相同,產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度矢量方向?qū)?指向 z 軸 45方向,見圖 1（b）。. Kwun8在該領(lǐng)域取得重大進(jìn)展， 他開發(fā)了一個能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的新磁致 伸縮換能器。然而,傳感器裝置有一些 缺陷。首先,鎳帶總是需要在換能器使 用前進(jìn)行預(yù)磁化。當(dāng)傳感器用于地下 管道的長期在線監(jiān)測,鎳條需要定期磁 化，但這很難實(shí)現(xiàn)。其次，,如果 HD 和 HS 量級的順序不同,除了扭轉(zhuǎn)波 外，還會產(chǎn)生雜波。 為了克服上述缺點(diǎn),我們創(chuàng)建了一 個新的傳感器裝置，如圖 2 所示。鎳 帶被黏結(jié)在測試試樣上，并與試樣成 45角對齊。由于鎳的相對磁導(dǎo)率比 試樣要高，所以線圈中的產(chǎn)生的大部 分磁通量流經(jīng)鎳帶。因此,由磁致伸縮 效應(yīng)導(dǎo)致的鎳帶的彈性變形,使得測試 試樣在平行于鎳帶方向產(chǎn)生主要的彈 性變形。顯然,生成的應(yīng)變將會使扭轉(zhuǎn) 波沿試樣軸方向傳播。 圖 1.產(chǎn)生和測量扭轉(zhuǎn)波的 Kwun 的磁致伸縮換能器。 (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 產(chǎn)生的 Hs 和 Hd 的總和大小的磁場強(qiáng) 度方向。 。 Kwun 的換能器和我所創(chuàng)建的換能 器之間的主要區(qū)別僅僅是鎳帶的定向 角。然而,對齊方式的改變對傳感器特 性有重大影響;不需要進(jìn)行預(yù)磁化，產(chǎn) 生的波模式與當(dāng)前電磁線圈的電流輸 入級也是不相關(guān)的。毫無疑問，應(yīng)用 偏置磁場會提高傳感器的性能，但是 即使沒有偏置磁場，新創(chuàng)建的傳感器 也是可以使用的。偏置磁場的影響將 在隨后進(jìn)行研究。 早些時候,Ohzeki 和 Mashine15 使用斜型鐵磁補(bǔ)丁，這個補(bǔ)丁附在測 試樣品上，朝著測試樣品軸的方向。 他們的動機(jī)是測量在軸銑床中傳輸?shù)?扭矩。然而，這項工作中創(chuàng)建的傳感 器不僅可以測量扭矩，而且可以產(chǎn)生 扭轉(zhuǎn)波。鋁管中的損傷位置估計也將 被視為一個典型的應(yīng)用難題。 驗證的性能圖 2. 被提議的磁致伸縮 換能器用來生成和測量扭轉(zhuǎn)波 圖 3.內(nèi)外半徑分別為 a=11.5 毫米和 b=12.5 毫米的圓柱形鋁殼中軸對稱扭轉(zhuǎn)波 的相速度色散曲線 提出的傳感器,進(jìn)行了幾個實(shí)驗。 II.理論背景理論背景 在本節(jié)中,我們將討論指導(dǎo)扭轉(zhuǎn)波 和磁致伸縮效應(yīng)。 A.指導(dǎo)扭轉(zhuǎn)波指導(dǎo)扭轉(zhuǎn)波 在這次調(diào)查中,薄壁管道被用作波 導(dǎo)。彈性波的機(jī)制及其色散特性將主 要展示在圓柱殼圖 1(a)中。圖 3 顯示 了 vp-M 關(guān)系的色散曲線(vp:相速度,m: 角頻率)。 從圖 3 可以看到,第一個分支, 是最低能分支,是非色散的。因此,屬于 第一分支的波的相速度與頻率無關(guān)。 如果激勵頻率比第一個截止頻率(1.6 兆赫)高不了多少的話，那第一個分支 就會成為波能的主要載體。因此,激勵 脈沖形狀將幾乎可以全部保存。其他 波模式或分支沒有非色散特性,所以最 好使用第一分支扭轉(zhuǎn)波模式中可以分 解的脈沖來檢測遠(yuǎn)程傷害。對于色散 特性的一般討論,我們可以看看阿肯巴 克 16, Miklowitz17格拉芙18、 或 Rose19. B.磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng) 該傳感器在驅(qū)動和測量扭轉(zhuǎn)波中 使用了磁致伸縮效應(yīng),所以我們應(yīng)該解 釋一下磁致伸縮效應(yīng)的物理原理，如 焦耳效應(yīng)和維拉里效應(yīng)。焦耳效應(yīng) 20 是指置于磁場中的一塊鐵磁材料尺寸 發(fā)生變化的現(xiàn)象。維拉里效應(yīng) 21代表 焦耳效應(yīng)的逆現(xiàn)象。 焦耳效應(yīng)和維拉里效應(yīng)可以由以下兩 個一維的方程來表示: 圖 4.應(yīng)力狀態(tài)下的純扭轉(zhuǎn)管。 （a)任意 一點(diǎn) p 在管子表面； （b)應(yīng)力狀態(tài)的二維工 程視圖。 此處,B 和 H 各自代表應(yīng)變, 壓力,磁通密度和磁場強(qiáng)度。材料常數(shù) EH, q*,分別表示恒定磁場中的楊氏 模量,焦耳效應(yīng)的耦合系數(shù)、在恒定應(yīng) 力下的滲透率和維拉里效應(yīng)的耦合系 數(shù)。,我們可以在 Jiles22找到關(guān)于磁致 伸縮效應(yīng)的一般理論，這個理論解釋 了滯后和不可逆性。彈性波或鐵磁材 料的變形很容易節(jié)能轉(zhuǎn)換成在包圍在 材料周圍的電磁閥的電壓變化。 III.為扭轉(zhuǎn)波創(chuàng)建的磁致伸縮傳感器為扭轉(zhuǎn)波創(chuàng)建的磁致伸縮傳感器 A.傳感器裝置和一階應(yīng)力分析傳感器裝置和一階應(yīng)力分析 為了解釋管道中通過焦耳效應(yīng)而 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的機(jī)理,我們選取管表面一 個通用點(diǎn) p， 見圖 4(a)。 當(dāng)管道圖 4(a) 所示是在純扭的狀態(tài),P 在 z-平面的 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該類似于圖 4 所示的狀態(tài) (b)。 z-坐標(biāo)系統(tǒng)中的純剪狀態(tài)可以用 主軸 1 和 2 中的兩個正常應(yīng)力( - , ) 來表示， 這兩個主軸與 z 軸成45。 因 此,如果有相反的跡象的正常應(yīng)力是沿 著兩個主軸的,那么純扭轉(zhuǎn)波就可以沿 著管道軸生成。 基于圖 4(b)的簡單應(yīng)力分析， 我們 建議鐵磁條(由鎳組成)沿管道軸 45 對齊。 在圖 5(a)我們可以看到一個鋁管 的外表面上綁了四條鎳帶， 圖 5(b)表示 了一個由鎳帶和電磁線圈組成的磁致 伸縮換能器。電磁線圈既是驅(qū)動線圈， 也是感應(yīng)線圈。 通過磁致伸縮效應(yīng)，鋁管可以被 鎳帶的彈性變形激活。因此， 圖（5）綁在管道表面的鎳帶(a)和(b) 處不安裝驅(qū)動和感應(yīng)線圈。 當(dāng)彈性電流流過電磁線圈時，研 究鎳帶中磁通量的方向很重要。圖 6 顯示了 z-平面中磁通量線的模式。 為了更好的分析，我們采用二維線性 靜態(tài)模型。 利用 ansys23我們進(jìn)行了實(shí) 際數(shù)值計算。 圖 6 中，由于鎳的滲透 率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于那些鋁和空氣，所以鎳條 中的磁通量主要沿著軸 1。因此，當(dāng)電 流通過電磁線圈時，焦耳效應(yīng)導(dǎo)致鎳 條主要沿軸 1 方向變形。 為了研究所鎳帶產(chǎn)生的波，我們 得先考慮電流輸入到電磁線圈時鎳帶 的彈性變形并進(jìn)行一階應(yīng)力分析。鎳 帶沿軸 1 方向發(fā)生了均勻收縮(或擴(kuò) 展)，在被綁定之前，鎳帶也沿軸 2 方 向發(fā)生了伴隨性的均勻拉伸(或收縮)， 這兩種變形可以被由以下應(yīng)變分量表 示： 其中 vN是鎳的泊松比。 當(dāng)鎳條被綁在鋁管時，鎳帶的彈 性變形在鋁管中出現(xiàn)了應(yīng)力。 圖 7. 管道應(yīng)力狀態(tài)的分解取決于鎳帶的變 形。 該應(yīng)力的大小評估需要相當(dāng)復(fù)雜 的分析，所以一階分析會用到一些假 設(shè)。如果 LNnwN(LN、wN：每條鎳帶 的長度和寬度，n：鎳帶數(shù)）在圖 2、 鎳帶綁在管道的地方出現(xiàn)的應(yīng)力可假 定為 此處0代表在 1 軸的正常應(yīng)力分量。 為了將沿軸 1 和軸 2 表示的應(yīng)力 成分轉(zhuǎn)換到 z-坐標(biāo)系統(tǒng)中， 我們要使 用到下列轉(zhuǎn)換公式(看到，例如， Timoshenko 和 Goodier24) : 此處的是兩個正交坐標(biāo)系統(tǒng)之 間的夾角(i，j),（i，j）。代入（i ， j）=（z,），(i,j)=(1,2)和=45， Eq.(4）中的應(yīng)力分量可以寫成 雖然純剪狀態(tài)(zz= =0, z 0)可 取，但是從公式（6）看出，正應(yīng)力也由此 產(chǎn)生了。 因此，不僅扭轉(zhuǎn)波會生成（由于 z )，而且縱波(由于zz)也會生成。圖 7 顯示分解為三個應(yīng)力分量的應(yīng)力狀態(tài)。 為了研究應(yīng)力波的傳播，我們必須注 意到，縱波速度 c L=(EA/A)是不同于 扭轉(zhuǎn)波的速度 cT=EA/2A(1+VA)的 (EA，A,VA ：楊氏模量、密度、鋁的泊 松比). 因此， 生成縱向波的zz分量和生成 扭轉(zhuǎn)波的 z 分量單獨(dú)進(jìn)行傳播。cL cT、所以縱波領(lǐng)先于扭轉(zhuǎn)波傳播。 為了進(jìn)行一階應(yīng)力分析，人們可能會 忽視傳播中的波的動態(tài)影響，以及波傳播 過程中的阻尼效應(yīng)。用傳感器測量所生成 的縱向應(yīng)力波，應(yīng)力狀態(tài)可近似表示為 那么下面的應(yīng)力分量將通過鎳帶來測量： 其中標(biāo) L 代表縱波。在用公式（8）計 算結(jié)果的過程中,我們也用到了公式（5）， 和公式 （6） ， 這里(i ， j )=(1， 2)， (i,j)=(z， )，=-45。同樣，由于扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生的 11T應(yīng)力分量的大小可以由下式計算 從上面的應(yīng)力分析，可以得出以下結(jié)論。 （1)通過我們所創(chuàng)建的傳感器裝置，我 們知道扭轉(zhuǎn)波，縱波是同時產(chǎn)生的。然而， 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力11 T遠(yuǎn)大于縱向應(yīng)力的 11L。 若 忽略動態(tài)和阻尼效應(yīng)，則二者之比可近似 表示為 在公式（10）, 下標(biāo)FOA是用來強(qiáng)調(diào)結(jié)果 是通過一階分析預(yù)測的。 （2)由于他們的波速之間的區(qū)別，扭轉(zhuǎn) 波將趕在小規(guī)模的縱波之前。因此，可以 區(qū)分出扭轉(zhuǎn)波和縱波。 雖然應(yīng)力分析是基于一些假設(shè)，但目 前的分析顯示了波的特性，這些波由創(chuàng)建 的傳感器所測量。 新創(chuàng)建的傳感器的照片如圖 8 所示。 圖 8（b）中所示的偏置線圈是用來提供靜 態(tài)偏置磁場。偏置磁場對提高傳感器的輸 出非常有用，稍后我們會說到。 圖（8）. 創(chuàng)建的磁致伸縮換能器的照片。 （a） 裝配狀態(tài)；(b)拆卸狀態(tài)。 1. 與與 Kwun 的傳感器的比較的傳感器的比較 在使用圖1所示Kwun的傳感器， 在無限鎳帶中產(chǎn)生的應(yīng)變，可以表示 為 在這種情況下，HS/HD 的比值決 定了原理軸 1 和 2 的方向。除非 HD 調(diào)整為與 HS 一至，即，=45，否 則扭轉(zhuǎn)主導(dǎo)波無法生成。如果 HD 遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于 HS，例如，則由 Kwun 的傳感 器生成的波將由縱波模式主導(dǎo)。由于 HS 場是由沿鎳帶圓周方向上摩擦永 久磁鐵而產(chǎn)生的，所以很難量化 HS 的大小。此外，鎳消磁時間通常相對 較短，所以永磁摩擦技術(shù)不能用于長 期在線檢測，特別是埋在地下的管道 在線檢測。 B .實(shí)驗裝置B .實(shí)驗裝置 圖 9 顯示了該實(shí)驗裝置示意圖。 圖9中的傳感器所示是圖8中所創(chuàng)建的 傳感器. 用環(huán)氧樹脂將鎳帶粘結(jié)在鋁 管上（型號：3M DP460)， 管道試樣 的尺寸和所創(chuàng)建的傳感器的位置如圖 9 所示. 圖 10 中給出了創(chuàng)建的傳感器 的所選規(guī)格。 在今后的工作中，由其 他規(guī)格所獲得的更好的傳感器性能將 被徹底的研究。 IV,實(shí)驗研究IV,實(shí)驗研究 在本節(jié)中，我們將研究所創(chuàng)建的 傳感器的性能與特點(diǎn)。在現(xiàn)有的磁致 伸縮換能器應(yīng)用程序，將使用下面的 正弦波： 其中 t 是時間，是中心頻率，m 通常是 1 或 2。當(dāng) m=1 時，生成一個單 一正弦脈沖。 正如 Hong 及 Kim 25所指 出的，fsp(t)的能量不夠集中在中心 頻率; 因此 f sp(t)不能有效的進(jìn)行 損傷定位的準(zhǔn)確估計。將生成脈沖的 能量集中在某一中心頻率時， 我們使 用 Gabor 脈沖 f Gp(t)： 參數(shù)及時控制脈沖的傳播。 =0.000 083 和=60KHZ 的 Gabor 脈沖的形狀如圖 11(a)所示， 功率放大器繪制出來的實(shí)際波形圖 如圖 11（b）.圖 11 （b) 表明實(shí)驗 產(chǎn)生的 Gabor 型脈沖與理論脈沖幾 乎是相同的。 、 圖 10. 所創(chuàng)建傳感器的規(guī)格。（a） 偏置線圈；(b) 氣動傳感線圈；和（c）鎳 帶(厚度=0.15 毫米)。 A.Kwun 傳感器波的測量和比較A.Kwun 傳感器波的測量和比較 在表征測量脈沖過程中，要用到下 面的符號 S -:脈沖波從初始狀態(tài)向左傳播 S +:脈沖波從初始狀態(tài)向右傳播 d 在 S -d或 S+d：脈沖波 S-或 S +傳播的距離。 符號 s 中的符號 T 和 L 代表的分 別是扭轉(zhuǎn)模式和縱向模式。 例如，S -2L 1表示脈沖波最初向 左傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá) t=2L/CT時傳播了 2L1 的距離，如圖 12（a）所示。t=2L/CT 的時候，兩個脈沖波 S -和 S+將重合, 所以信號的幅度變大。 由產(chǎn)生頻率為=60KHz 的 Gabor 脈沖的傳感器所得到的信號如圖13(a) 所示。在圖 13（a）中的一部分脈沖 信號在圖 13（b）中放大了。除非另 有說明，否則就默認(rèn)使用以下數(shù)值數(shù) 據(jù)： iB(DC 偏向電磁的輸入）=0.5A =0.000 083 圖 11 Gabor 波形（a）理論信號；(b) 來自功率放大器的實(shí)際信號。 圖 13（a）被測信號的短時傅立葉變換 通過圖 13（c）表示出來了。圖 13（c）清 楚地表明，每個脈沖的能量都集中在激振 頻率=60KHz。 在時間-頻率平面上的垂直 線揭示了扭轉(zhuǎn)波的第一個分支的的非色散 特 征 ， 大 概 在 t=2L1/CT=0.31610-6S ， t=2L/CT=1.25410-6S,等。 正如III A 部分所說，圖 13（a）所示 的信號包含了脈沖和相應(yīng)的縱向波模式。 由圖 13（a）中 SL 所表示的脈沖波 ， 可能不容易被識別，因為他們的規(guī)模很小。 由于縱波色散，他們傳播時會散開來。因 此我們可以選擇和縱波水平一樣大小的最 大峰值 sL。這個峰值將記為 L11。 圖 12，脈沖波到達(dá)（a）t=2L1/CT;（b） t=2L2/CT;(c)t=2L/CT，傳播過程的圖例。 圖 13，所創(chuàng)建的傳感器的測量信號。（Gabor 型脈沖波中心頻率：60KHZ）。（a）時間 歷程；（b）S-2L+2L1和 S+2L+S-2L的放大查看；（c）用短時傅立葉變換的(a)中的信 號圖譜。 在檢查傳感器性能的過程中， 將扭轉(zhuǎn)波峰值的 11 T和L 11作比較 是比較重要的。為此，圖 13(a)所 示信號被放大了，而且利用縱波速 度 CL預(yù)測了縱向波的到達(dá)時間。 (縱 波脈沖在不同激勵頻率下可以看得 更好：如之后的圖 15 所示)， 從圖 13(a,中實(shí)驗測量到的信號可以估 計到比值| T 11/ L 11|=3.6，這和 | T 11/ L 11|FOA=3.80 相差不遠(yuǎn)。 為了比較所創(chuàng)建的傳感器和 Kwun 傳感器之間的性能， 如圖 1 （a） 所示， 用 Kwun 傳感器對相同的波進(jìn) 行了測量實(shí)驗， 為了進(jìn)行定量比較， 我們使用了相同的管道和驅(qū)動傳感 線圈。此外，Kwun 的鎳帶的數(shù)量和 之前傳感器所用的是一樣的。由于 Kwun的鎳帶是以圓周形式粘結(jié)在外 管表面，所以 Kwun 的傳感器帶寬 W Kwun N為 注意：新創(chuàng)建的傳感器用了四塊鎳帶。 如圖 14 所示，Kwun 傳感器所測的 脈沖總體特征與圖 13（a）和圖 13（c） 所示相同。然而，由 Kwun 傳感器所測 的脈沖大小遠(yuǎn)小于之前新創(chuàng)建的傳感器 所測。例如，脈沖 S-2L+S+2L的峰峰 值（VP-P）,如下： 創(chuàng)建的傳感器：VP-P=0.01718V; Kwun 傳感器：VP-P=0.00421V. 新創(chuàng)將的傳感器比 Kwun 傳感 器有更大的峰峰值的一個原因可能 是應(yīng)用靜態(tài)偏置磁場。在接下來的 部分，我們將探討偏置磁場對新創(chuàng) 建的傳感器的輸出有什么影響。 B.靜態(tài)偏置磁場和激振頻率的 影響 B.靜態(tài)偏置磁場和激振頻率的 影響 靜態(tài)偏置磁場影響了傳感器的 性能。為了研究偏置磁場的影響， 偏置線圈的輸入電流 iB要變化。iB 的九個值都被考慮在內(nèi)， 在 t=2L/CT 時 S -+S+的峰峰值(Vp-p) 列于表一。 在調(diào)整 iB大小時，與應(yīng)變力產(chǎn)生 的磁場強(qiáng)度 H 所相關(guān)的鎳的磁致伸 縮效應(yīng)應(yīng)該被考慮在內(nèi) 26。如表一 所示，偏置磁場對傳感器的輸出有 明顯的影響。由于 ib 值小，所以幅 值單調(diào)的增加，在 ib0.5A 之后幾 乎就不變了。 基于這個發(fā)現(xiàn)， iB0.5A 適用于當(dāng)前的研究。 圖 14. Kwun 傳感器的測量信號 (=60 千赫)。（a）時間歷程；(b)用短 時傅立葉變換的圖譜 從這個實(shí)驗可看出，創(chuàng)建的傳感器的好處顯而易見的。 與 Kwun 的傳感器裝置不同，通過 iB 的變化，我們很 容易控制偏置磁場。 因此， 傳感器性能能經(jīng)常被最大化。 顯然， 能使傳感器最大化輸出的偏置電流將因激勵頻率 的不同而不同， 但這個實(shí)驗就足以顯示適當(dāng)?shù)钠么艌?的重要性，并表明創(chuàng)建的傳感器裝置的多功能性。 圖 15. 在不同激勵頻率下的測量信號。（a）=40KHZ； (b) 80KHZ；和（c）120KHZ。 現(xiàn)在我們將研究激勵頻率對所測量的信號的影響。 =40KHZ、80KHZ、和 120KHZ 的被測信號如圖 15 所示。 所有實(shí)驗的偏置電流都設(shè)置為 0.5 A。圖 16 顯 示了扭轉(zhuǎn)波脈沖的幅值的變化。 它也顯示了扭轉(zhuǎn)波脈沖 與縱波脈沖之間的幅值比率。 最大扭波脈沖的幅值是95KHZ 左右，但在 60KHZ 左右， 扭轉(zhuǎn)波脈沖的幅值相對縱波脈沖的幅 值的比值達(dá)到其最大。因此，根據(jù)現(xiàn)場情況，必須權(quán)衡 這兩個因素來選擇激勵頻率。 然而，這個實(shí)驗顯示了 激勵頻率在最大化傳感器性能過程中的重要性。 圖 16. 激勵頻率對傳感器輸出的影響。（a）扭轉(zhuǎn)脈 沖的峰峰值(Vp-p)；（b）扭轉(zhuǎn)波脈沖和縱波脈沖峰峰 值的比率。 為了檢查創(chuàng)建的傳感器在更大尺寸的管道中的適 用性，我們進(jìn)行了一些實(shí)驗。管道尺寸為（d0=50mm， t=1mm，=25KHZ） 和 （d0=50mm， t=3mm，=25KHZ） 所得到的時間信號繪在圖 17。如圖 17 所示，該傳感器 可以應(yīng)用于更大、更厚的管道。然而，為了將傳感器應(yīng) 用于涉及厚壁管的工業(yè)問題（比如說，t=10mm），我 們應(yīng)進(jìn)行更多的實(shí)驗。 圖 17. 實(shí)測信號管(d0=50mm，t=1mm)和(d0=50mm， t=3mm)。中心頻率選擇，以產(chǎn)量高 T/L 比率和產(chǎn)出。 圖 18. 該實(shí)驗裝置對于損傷檢測的應(yīng)用。（a）一個破 碎的鋁管；(b)裂紋尺寸。 C.損傷檢測的應(yīng)用損傷檢測的應(yīng)用 作為創(chuàng)建傳感器的一個應(yīng)用， 損傷檢測在管道被考 慮損傷檢測的實(shí)驗裝置如圖 18（a）所示 和人工裂紋 的尺寸如圖 18（b）所示。測試管和傳感器的規(guī)格和這 些早期試驗中使用過的規(guī)格相同。 圖 19 顯示了由所創(chuàng)建的傳感器測量出的信號，其 中包括由裂紋中反射出的獨(dú)特脈沖。使用扭波速度 cT=3188 米/秒，我們可以估計出傳感器到裂紋的距離 LC。結(jié)果摘要載于表 ll；從所創(chuàng)建的傳感器測量到的信 號中，我們可以準(zhǔn)確地確定損傷位置。許多其他的開裂 情況也應(yīng)該進(jìn)行調(diào)查，但我們今后將研究這一問題。不 過，目前的損傷探測問題足以證明了該傳感器的有效 性。(見圖 19) 圖 19. 裂紋鋁管的實(shí)測信號。使用=60 千赫 Gabor 脈沖。 表二.提出的傳感器對裂紋位置的估計(Lc)。 V.結(jié)論 一個新的磁致伸縮換能器產(chǎn)生了圓柱波導(dǎo)， 我們研 究了圓柱波導(dǎo)中扭轉(zhuǎn)波的生成和測量。 所創(chuàng)建的傳感器 包括一個電磁線圈， 和以 45角的對齊方式黏結(jié)在測試 樣上的數(shù)條鎳帶。 為鎳帶提供靜態(tài)偏置磁場的偏置電磁 線圈可以用來提高傳感器的輸出。 與當(dāng)前可用的傳感器 相比， 創(chuàng)建的傳感器避免了繁瑣的鎳帶預(yù)磁化過程， 并 且產(chǎn)生更大的扭轉(zhuǎn)信號。 為了估計生成的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波和 生成縱向波的相對大小， 我們進(jìn)行了一階應(yīng)力分析。 由 創(chuàng)建的傳感器所進(jìn)行的實(shí)驗表明： 中心激勵脈沖的頻率 和輸入到偏置線圈的應(yīng)用直流的大小對傳感器性能有 顯著影響。 最后， 所創(chuàng)建的傳感器已成功應(yīng)用到長圓柱 管中進(jìn)行損傷檢測。 1 M. 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