钢板缺陷的磁致伸缩SH0模态导波扫查传感器

吴 斌，刘飞鹏，刘秀成，王 欢，杨宁祥，刘 尧

(1.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124；2.广东省特种设备检测研究院 珠海检测院，珠海 519002)

特种设备行业的大型储罐壁板、起重机械横梁等均可视为板类结构，在服役过程中，板内缺陷的形成和扩展直接影响结构的运行安全，因此需要发展专用技术对结构缺陷进行检测。由于具备对大范围内的缺陷进行快速有效检测的能力，超声导波技术近年来被广泛应用于压力容器、管道等的结构健康监测中[1]。

目前，在SH0模态导波激发的压电传感器技术方面已取得突破性进展[2]，但磁致伸缩SH0模态传感器在实际应用中仍具有拆装简便的独特优势。美国西南研究院率先采用铁钴合金条带作为传感材料，基于魏德曼效应激发SH0模态导波，通过更换激发线圈的连接方式即可实现传感器中心频率的调整[3]。国内北京工业大学、浙江大学等研究团队针对特定的检测要求，相继研制出多类型的磁致伸缩SH0模态传感器[4]。

为了提高导波激发效率，实现传感器的阵列化，VINOGRADOV等[5]研制了基于逆魏德曼效应的磁致伸缩传感器，激发SH0模态导波对储罐壁板、大口径管道进行缺陷检测。上述传感器激发导波声场的扩散角有限，需在被测结构表面安装多个传感器，才能覆盖大范围内的缺陷检测需求。SEUNG等[6]利用环绕导线的镍环片，在板中激发出全向的SH0模态导波，解决了单向声场覆盖范围有限的问题，但全向波场对缺陷的定位能力不足。

一种兼顾大范围和高精度定位的检测模式为：利用磁致伸缩传感器产生单向性较好的SH0模态导波声场，沿直线移动传感器完成大范围内板中缺陷的扫查与成像。笔者通过试验优化方法，研制了钢板缺陷的磁致伸缩SH0模态导波扫查器。重点优化了检测线圈结构及尺寸，提高了传感器激发的导波幅值；分析了铁钴合金带材剩磁状态对信号质量的影响，优化设计了永磁式偏置磁场，提高了检测信号质量；最后，利用研制的SH0模态导波扫查器实现了板中缺陷的检测与幅值成像。

1 SH模态磁致伸缩传感器

1.1 工作原理

磁致伸缩SH模态导波传感器基本工作原理如图1所示。一般采用永磁磁路对磁致伸缩带材进行单向静态偏置磁化，检测线圈中通入高频交变或宽带脉冲电流以提供与动态磁场Hd方向相垂直的动态磁场Hs。由魏德曼效应可知，磁致伸缩带材在正交的动、静磁场作用下，将产生高频剪切形变，通过横波耦合剂耦合至待测钢板并沿钢板传播形成水平剪切的SH模态导波。基于逆磁致伸缩效应，反射回磁致伸缩带材的导波将扰动其内部的静态磁场，被检测线圈接收并以电压信号输出。由上述工作原理可知，磁致伸缩带材的静态偏置磁化和动态磁场的构建方式均会影响SH模态磁致伸缩传感器的性能。

图1 磁致伸缩SH模态导波传感器基本工作原理示意

在常规的检测模式中，采用的是永磁体预先磁化方式，使得磁致伸缩带材处于剩磁状态，对应图1中磁特性曲线的R点位置。在动态磁场Hd恒定的条件下，磁致伸缩带材的换能效率β主要由偏置磁场Hs的均匀性及材料磁感应强度B决定[7]。一方面，人工预先磁化操作不当或外界磁场干扰等因素易导致磁致伸缩带材内的剩磁强度呈现不均匀性，劣化传感器的导波检测性能；另一方面，从图1所示的换能效率曲线可知，在剩磁强度附近(R点)磁致伸缩带材的换能效率相对较低，适当选取偏置磁场强度Hs(例如A点)以提高材料的磁感应强度B，可进一步提升传感器的换能效率[8]。

1.2 方案设计

为了解决上述偏置磁场与检测线圈的相关技术问题，设计了磁致伸缩SH0模态导波扫查器(见图2)。采用U型永磁磁路对铁钴合金磁致伸缩带材进行恒定磁化，确保扫查过程中铁钴合金带材内偏置磁场满足均匀性要求，并提供比剩磁状态更高的偏置磁场强度，提升传感器的换能效率。

图2 磁致伸缩导波扫查器结构示意

矩形截面检测线圈内部放置厚度为h的铁磁性屏蔽层。当检测线圈内部通入交变电流时，上导线电流形成的交变磁场将集聚在铁磁性屏蔽层中并同时形成涡流场，由此削弱直接耦合至线圈底部磁致伸缩带材的磁场分量，减小上、下导线形成的动态磁场的相消程度。相比空心矩形检测线圈，铁磁性屏蔽层的引入，可以在确保导波激励幅值的情况下，大幅降低矩形线圈的高度w。

实际采用的检测线圈由柔性扁平排线制成，截面高度和长度分别固定为w=10 mm，长度L=70 mm。通过试验,对比分析了屏蔽层的材料、厚度及其与下导线的提离距离l对传感器导波激励幅值的影响。

2 试验系统

为了对磁致伸缩SH0模态导波扫查器进行试验优化与应用测试，构建了如图3(a)所示的试验系统。采用USB-UT350T型超声检测仪进行导波激励与信号采集，检测参数可以通过上位机的LabVIEW软件进行控制。试验过程中，信号增益为70 dB，采样频率为6.25 MHz，平均次数为100。研制的SH0模态导波扫查器实物照片如图3(a)所示。柔性扁平排线绕制在3D打印的塑料矩形框架上，屏蔽层嵌入塑料矩形框架内，通过增减垫片调整其提离距离l。柔性扁平排线与自制的适配器连接，以设定线圈工作的中心频率。

图3 试验装置实物及试件尺寸示意

试验装置外观及试件尺寸示意如图3(b)所示，测试的钢板尺寸(长×宽×厚)为1.5 mX0.75 mX2 mm。长约0.75 m的铁钴合金条带通过环氧树脂沿钢板宽度方向黏贴，距离钢板左侧边界约0.3 m。试验过程中，首先将导波扫查器置于铁钴合金条带的中点位置，通过采集无缺陷钢板中左、右两侧边界的反射回波信号幅值，对屏蔽层与永磁磁路的作用进行对比评价。其次，在距离钢板下边界、右边界分别为0.375 m和0.5 m的位置加工直径约6 mm的通孔缺陷，利用优化后的导波扫查器沿铁钴合金条带进行扫查，并对检测信号进行幅值成像处理，实现缺陷定位。

3 屏蔽层试验优化与分析

3.1 屏蔽层材料

先后选用镍和纯铁薄板作为屏蔽层，测试含不同材料屏蔽层的矩形截面排线的导波检测能力。试验过程中，铁钴合金条带采用预先磁化方式工作于剩磁状态。固定导波的激励中心频率为64 kHz，屏蔽层厚度及提离距离分别为h=0.1 mm和l=1 mm。在自发自收模式下，传感器检测到的典型时域导波信号如图4所示。可以看出，有无屏蔽层时，传感器均可以有效激发导波并检测到钢板左右两侧边界的反射回波。左侧边界反射回波时间为0.2 ms，计算导波波速约为3 256 m·s-1，与SH0模态导波的群速度3 260 m·s-1接近。因此，研制的导波扫查器可以有效激励出SH0模态导波。

图4 有无屏蔽层时的导波检测信号

相比无屏蔽层的情况，在矩形截面线圈内先后水平嵌入镍和纯铁薄板，传感器检测的导波幅值分别增加了约30%和40%。这验证了引入屏蔽层提升传感器导波检测能力的有效性。

相比纯铁而言，镍的磁导率更高，与铁钴合金带材的磁导率处于同一量级。上导线形成的磁场可以更好地聚集在镍薄板中，但同样下导线提供的部分磁场也会进入高导磁的镍薄板中，反而降低了耦合至铁钴合金带材的磁场分量，导致传感器激励的导波幅值略有下降。因此，最终选择利用纯铁薄板作为屏蔽层。

3.2 屏蔽层厚度

为了探究屏蔽层厚度对传感器导波检测能力的影响，固定屏蔽层的提离距离l=1 mm，先后将厚度h分别为0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 mm的纯铁屏蔽层嵌入检测线圈，进行不同中心频率的导波检测。

图5(a)为中心频率分别选取32 kHz,64 kHz,128 kHz时的时域信号。在不同频率的试验中，均显示：相比厚度1 mm的屏蔽层，采用0.1 mm厚屏蔽层时，传感器检测到的钢板边界反射回波幅值更高。统计屏蔽层厚度h变化时钢板左边界的反射回波幅值，并以h=0.1 mm时测得的反射回波幅值为基准进行幅值归一化处理，结果如图5(b)所示。

图5 屏蔽层厚度对导波检测幅值的影响

屏蔽层一方面可以减小上、下导线形成磁场的相消程度，另一方面也作为检测线圈磁芯而改变线圈的电感或电阻抗。当适配器内的阻抗匹配电路不变时，屏蔽层厚度的增大将导致检测线圈阻抗增加，使得电路谐振频率偏离波长控制决定的中心频率，此时传感器的导波检测性能下降。从图5(b)可以看出，当屏蔽层厚度由0.1 mm增加至0.5 mm时，传感器检测的导波幅值明显降低，预示着在h处于0.10.5 mm范围内时，屏蔽层厚度的变化对电路谐振频率的影响较为剧烈；当h>0.5 mm时，随屏蔽层厚度的增加，线圈的阻抗变化趋于平缓，此时传感器检测的导波信号只出现微小幅度的下降。

3.3 屏蔽层提离距离

选择h=0.1 mm厚的纯铁屏蔽层，在02 mm范围内，以0.5 mm为步长改变磁屏蔽层提离距离l，记录不同条件下的导波检测信号，典型结果如图6(a)所示。钢板左侧边界回波幅值随提离距离l的增加呈近似线性下降的规律(见图6)。

图6 屏蔽层提离距离对导波检测幅值的影响

上导线形成的交变磁场磁力线遍及矩形截面空间，穿过屏蔽层上部空间的磁力线易被屏蔽层集束。当屏蔽层不断靠近上导线的(对应提离距离l增加)过程中，屏蔽层影响的上部空间逐渐减小，也即绕过屏蔽层进入下部空间和磁致伸缩带材的磁力线增加，不断抵消下导线形成的磁场强度，降低了传感器的导波检测性能。

4 偏置磁路结构优化与试验验证

采用永磁磁路对铁钴合金条带进行磁化，可以确保扫查过程中偏置磁化(与导波检测能力相关)的一致性，也可以提高传感器的导波激发效率。针对前述优化的检测线圈结构参数，设计了偏置磁路结构。检测线圈的长度L=70 mm，在该长度范围内，应尽量保持铁钴合金条带内的磁场均匀且强度较高。以此为优化指标，在COMSOL有限元仿真软件中建立了如图7所示的磁路模型。模型采用自由四面体网格划分，对铁钴合金带材上方信号提取处进行局部细化。永磁铁表面剩磁强度为0.42 T，铁钴合金条带的磁导率设置为5 100 H·m-1。

图7 磁路有限元仿真模型及典型结果

采用单因素分析方法，先后改变磁路跨距k和高度g，仿真计算铁钴合金条带内沿长度方向中心线(x轴)上的磁感应强度分布情况。

首先，固定磁路跨距k=90 mm，高度g为2050 mm，以步长为10 mm进行调整，典型的磁感应强度分布仿真结果如图8(a)所示。可以看出，随着高度g的增大，磁路中间区域范围内铁钴合金条带的磁感应强度峰值不断增加并最终趋于稳定，同时沿x轴方向铁钴合金条带内的磁感应强度分布更加均匀。因此，选择磁路高度g=50 mm。

其次，固定偏置磁路的高度g=50 mm，研究磁路跨距k对磁化效果的影响。为了制作结构紧凑的扫查器，设定磁路跨距k不大于160 mm。在120160 mm内以步长为10 mm改变k值，计算得到不同模型中的磁感应强度分布曲线，结果如图8(b)所示。以x=0处的磁感应强度B0为基准，统计磁感应强度波动15%时对应的x轴取值范围，称为磁化均匀长度Le。图9为不同跨距时B0和Le的统计结果。可以看出，在磁极跨距k缩减过程中，B0上升但Le呈下降趋势。当k=120 mm，满足Le>70 mm的要求且此时B0取值最大，有利于增强传感器的导波激发效率。

图8 带材内磁感应强度的分布仿真结果

图9 不同跨距时磁感应强度与均匀长度统计结果

为了验证优化结果的准确性，选择导波激发频率为64 kHz，开展不同磁化条件下的导波检测对比试验。测试的磁化条件包括：① 采用永磁体对铁钴合金条带进行扰动磁化，使其磁化不具备单向性；② 采用永磁体对铁钴合金条带进行单向磁化，使其工作于剩磁状态；③ 采用优化后的偏置磁路对铁钴合金条带进行恒定磁化。3种不同磁化条件下的导波检测结果如图10所示。

图10 3种不同磁化条件下的导波检测结果

在杂乱磁化状态下，传感器检测到的左端面回波信号幅值很低且信号本底噪声高。结果表明：采用永磁磁路恒定磁化时，传感器的导波激发能力显著增强，检测的左端面回波信号幅值约为剩磁状态时的2.4倍。

5 钢板中缺陷扫查与成像

利用研制的磁致伸缩SH0模态导波扫查器沿钢板宽度方向进行扫查，当传感器靠近钢板下边界时，只检测到左、右端面回波信号。在传感器正对圆孔缺陷时，检测到的缺陷回波幅值最高。图11显示的第一个缺陷回波是沿右侧传播导波遇到缺陷时的反射信号，第二个缺陷回波是沿左侧传播导波从左边界折返后再次遇到缺陷时的反射信号。由于传感器激发的导波声场具有一定的扩散角，在传感器偏离圆孔缺陷一定角度时，传感器仍能接收到缺陷反射回波信号。

图11 不同位置缺陷扫查结果

在正对缺陷附近位置，以步长n=10 mm进行扫查，共采集到20组导波检测数据，进行幅值成像的结果如图12所示。从成像图中可以清晰地看到缺陷回波信号，通过计算信号波形的希尔伯特包络，并合理选择阈值，可以对缺陷进行定位。

图12 缺陷区域的扫查成像结果

以所有20组检测数据中左端面回波峰峰值的变异系数ρ为指标，评价扫查器的工作性能。变异系数ρ为标准差和均值之比，越接近0，表明测试多组数据间的一致性较好。统计结果显示：ρ约为9.1%，这表明在实际扫查过程中，所研制扫查器的导波检测能力具有高稳定性。

6 结语

(1) 通过在矩形截面检测线圈内部嵌入磁屏蔽层的方式，可以在保持线圈导波检测能力的基础上大幅减小线圈高度。研究结果表明，纯铁材料的屏蔽效果优于纯镍的，减小屏蔽层材料的厚度和提离距离，均可以提升检测线圈的导波检测能力。

(2) 采用具有优化结构参数的永磁磁路，提供更强的偏置磁场对铁钴合金进行均匀磁化，可大幅提升传感器的导波激发效率。利用设计的扫查器进行试验结果显示，相比剩磁状态，永磁磁路磁化时传感器检测的回波信号峰峰值提升约1.4倍。

(3) 研制的磁致伸缩SH0模态导波扫查器具有高稳定性，多次扫查检测的试验数据的变异系数小于9.1%。利用扫查器获得的信号进行幅值成像，可以准确检测出钢板中的圆孔缺陷。