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近年來(lái)，利用鐵磁性材料的磁致伸縮特性激勵(lì)和接收導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。美國(guó)西南研究所首先提出運(yùn)用于鋼管、鋼繩等管狀結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的導(dǎo)波激勵(lì)接收裝置,稱之為磁致伸縮傳感器，并在實(shí)際工程中得以成功運(yùn)用。本文提出一種用于非鐵磁性板結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的磁致伸縮位移傳感器，該傳感器具有價(jià)格便宜、靈敏度高、可與被測(cè)結(jié)構(gòu)分離等優(yōu)點(diǎn)。首先，介紹傳感器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)以及鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng);然后,提出傳感器設(shè)計(jì)方案；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)激勵(lì)不同波型導(dǎo)波對(duì)鋁板上預(yù)置損傷進(jìn)行檢測(cè),從而驗(yàn)證傳感器設(shè)計(jì)的可行性。 

1、板中的導(dǎo)波

當(dāng)超聲波在板中傳播時(shí),將會(huì)在板界面來(lái)回反射，產(chǎn)生復(fù)雜的波形轉(zhuǎn)換以及相互干涉。這種經(jīng)介質(zhì)邊界制導(dǎo)傳播的超聲波稱為超聲導(dǎo)波。因?yàn)閷?dǎo)波沿其邊界傳播,所以,結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件對(duì)導(dǎo)波的傳播特性有很大的影響。與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)不同，傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)是以恒定的聲速傳播，但導(dǎo)波速度因頻率和結(jié)構(gòu)幾何形狀的不同而有很大的變化,即具有頻散特性。在同一頻率激勵(lì)下，導(dǎo)波也存在多種不同的波型和階次。在板狀結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)波以2種不同的波型傳播，分別是：對(duì)稱(S)和非對(duì)稱(A)的縱波(也稱Lamb波)，以及剪切波(SH)導(dǎo)波在3mm鋁板中傳播的頻散曲線。從圖1可以看出：SH0 波無(wú)頻散。在實(shí)際運(yùn)用中，無(wú)頻散的SH0波便于信號(hào)的分析處理以及大范圍檢測(cè)。因此，雖然導(dǎo)波的傳播特性非常復(fù)雜,但如果對(duì)波型和頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和控制，處于低頻段的導(dǎo)波(到幾百千赫茲)將能很好地運(yùn)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。

2、磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)

鐵磁性材料的磁致伸縮現(xiàn)象可以通過(guò)微觀磁疇結(jié)構(gòu)的移動(dòng)和變形來(lái)解釋。所謂磁疇,是指磁性材料內(nèi)部的一個(gè)個(gè)小區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個(gè)磁疇之間的交界面叫疇壁。宏觀物體具有很多磁疇,磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消,矢量和為零,整個(gè)物體的磁矩為零。在外磁場(chǎng)的作用下，材料內(nèi)部能量平衡被破壞,內(nèi)部磁化重新分配，從而使得在新狀態(tài)下材料總能量最小，具體表現(xiàn)為磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),磁體的磁疇發(fā)生疇壁移動(dòng)和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)果導(dǎo)致磁體尺寸發(fā)生變化,上述現(xiàn)象稱之為磁致伸縮效應(yīng),利用此效應(yīng)可以在磁性材料中激勵(lì)導(dǎo)波。相反，鐵磁體在導(dǎo)波的作用下發(fā)生疇壁移動(dòng)和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起材料磁場(chǎng)發(fā)生變化，稱之為磁致伸縮逆效應(yīng)。

3、設(shè)計(jì)方案

根據(jù)鐵磁性材料的磁致伸縮特性,本文提出一種用于非鐵磁性板結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的磁致伸縮傳感器。該傳感器分為激勵(lì)和接收兩部分，由鎳帶、8字型線圈以及永磁鐵組成。由于被測(cè)板結(jié)構(gòu)是非鐵磁性的，不具有磁致伸縮特性。因此，在鋁板上粘貼一條鎳帶做為“媒介”。兩塊永磁鐵產(chǎn)生一個(gè)恒定偏置磁場(chǎng)對(duì)鎳帶進(jìn)行磁化。當(dāng)給線圈一個(gè)時(shí)變激勵(lì)時(shí)，相應(yīng)的線圈產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)，由磁致伸縮效應(yīng),鎳帶發(fā)生變形，再耦合到被測(cè)板中，從而在板中產(chǎn)生導(dǎo)波。波在板中傳播，遇缺陷或者邊界反射，反射回來(lái)的導(dǎo)波到達(dá)傳感器接收部分時(shí)，由逆磁致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致接收部分鎳帶磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而使得通過(guò)接收線圈的磁通量發(fā)生變化，由法拉第效應(yīng)，接收線圈中產(chǎn)生電壓。接收到的電壓信號(hào)反映出導(dǎo)波的反射情況，又已知波在板中的傳播速度，便可以計(jì)算出損傷所在位置。

另一方面,已有的研究成果已經(jīng)證明在對(duì)鐵磁性材料施加一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)和一個(gè)恒定偏置磁場(chǎng)，2個(gè)磁場(chǎng)的方向不同將產(chǎn)生不同波型的導(dǎo)波。當(dāng)永磁鐵提供的偏置磁場(chǎng)與線圈提供的時(shí)變磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，傳感器在板中激勵(lì)SH波；當(dāng)兩磁場(chǎng)相互平行時(shí)，傳感器在板中激勵(lì)Lamb波。

4、實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)部分，首先，利用SH型磁致伸縮傳感器在板中激勵(lì)導(dǎo)波,并檢測(cè)損傷位置；其次，在不同的中心頻率激勵(lì)下,利用SH型傳感器在板中激勵(lì)導(dǎo)波,驗(yàn)證此導(dǎo)波為SH波；最后，驗(yàn)證分析改變恒定偏置磁場(chǎng)與時(shí)變磁場(chǎng)的方向，從而改變傳感器在板中激勵(lì)的波型。實(shí)驗(yàn)中 ,被測(cè)對(duì)象為一塊鋁板,長(zhǎng)為500mm、寬為200mm、厚為3mm。鎳帶厚度為0.15mm、長(zhǎng)為25mm、寬為8mm，用AB膠粘貼在鋁板上。兩塊釹鐵硼永磁鐵提供恒定偏置磁場(chǎng)，由漆包銅線繞成8字型線圈提供一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)。傳感器激勵(lì)部分與接收部分距離175mm。先對(duì)無(wú)裂縫的鋁板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再在鋁板上設(shè)置一裂縫，裂縫設(shè)置在距離板右邊緣150mm處，對(duì)稱于中軸線長(zhǎng)30mm、寬0.5mm、深3mm。實(shí)驗(yàn)使用的儀器設(shè)備主要有NIPXI-5412信號(hào)發(fā)射卡、K-H Model7602功率放大器、Tektronix TDS3012示波器以及計(jì)算機(jī)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先 ,利用SH型磁致伸縮傳感器對(duì)無(wú)缺陷鋁板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)信號(hào)中心頻率為100kHz。無(wú)缺陷時(shí)接收到信號(hào)，信號(hào)A為導(dǎo)波從傳感器激勵(lì)部分發(fā)出，第一次到達(dá)接收部分時(shí)線圈接收到的信號(hào)。信號(hào)B為導(dǎo)波繼續(xù)在板中傳播,遇板右邊緣反射回來(lái)到達(dá)接收線圈所接收到的信號(hào)?？梢钥闯觯簜€(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔為200μs，這一時(shí)間是導(dǎo)波從接收線圈到達(dá)鋁板右邊緣再反射回來(lái)的往返時(shí)間，又已知該段往返距離為600mm，因此，可以計(jì)算出導(dǎo)波在該鋁板中傳播的速度為3 000m/s。在鋁板上設(shè)置裂縫后測(cè)得的結(jié)果可以看出：裂縫信號(hào)與鋁板右邊緣反射信號(hào)之間的時(shí)間間隔為100.4μs，又已知波在該鋁板中的傳播速度為3000m/s，因此，可計(jì)算出裂縫距離鋁板右邊緣的距離為3000×100.4×10-3/2=150.6mm，與實(shí)際情況(150mm)基本符合 ，誤差為0.4%。中心頻率分別為50、100、150、200kHz時(shí),利用SH型磁致伸縮傳感器對(duì)設(shè)置裂縫后的鋁板進(jìn)行檢測(cè)接收到的信號(hào)。各檢測(cè)結(jié)果中，第一個(gè)信號(hào)為從傳感器激勵(lì)部分發(fā)射的導(dǎo)波首次到達(dá)傳感器接收部分時(shí)接收到的信號(hào),它與激勵(lì)信號(hào)之間的時(shí)間間隔依次為57.1、58.3、58.9、59.5。又已知傳感器激勵(lì)部分與接收部分之間的距離為175mm，由此可計(jì)算各頻率下，該導(dǎo)波在板中傳播的速度分別為3064、3000、2971、 2941m/s?？梢钥闯觯涸搶?dǎo)波隨著頻率的變化速度無(wú)明顯變化 ,可以判斷該導(dǎo)波為無(wú)頻散的最低階SH波，由此證明：提出的SH型磁致伸縮傳感器在板中激勵(lì)SH0波是可行的。利用Lamb型磁致伸縮傳感器對(duì)設(shè)置裂縫后的鋁板進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激勵(lì)信號(hào)中心頻率為50kHz。C信號(hào)為從傳感器激勵(lì)部分激出的導(dǎo)波首次到達(dá)接收線圈時(shí)接收到的信號(hào)，該段時(shí)間間隔為82μs，又已知傳感器激勵(lì)部分與接收部分之間的距離為175mm,由此可計(jì)算出此導(dǎo)波在板中傳播的速度為175×10-3/(82×10-6)=2134m/s，對(duì)比頻散曲線關(guān)系，可以判斷出此導(dǎo)波為A0模態(tài)的Lamb波。另外，圖中D信號(hào)為裂縫反射信號(hào)，它與C信號(hào)之間的時(shí)間間隔為117μs，由此，可計(jì)算出裂縫與接收線圈之間的距離為125mm，與實(shí)際情況(150mm)有17%的誤差。Lamb型傳感器檢測(cè)結(jié)果不如SH型傳感器清晰，初步考慮如下3個(gè)因素：1)在50kHz時(shí)Lamb波存在A0和S02種模態(tài)的波型，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)疊加；2)傳感器除激勵(lì)Lamb波外，還有部分SH波產(chǎn)生；3)激勵(lì)出的Lamb波傳播方向并非完全沿一個(gè)方向傳播，從而會(huì)出現(xiàn)板其他邊緣的反射信號(hào)。

5、結(jié) 論

基于磁致伸縮材料的特性，設(shè)計(jì)運(yùn)用于非鐵磁性板結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的磁致伸縮傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該傳感器可在板中激勵(lì)和接收導(dǎo)波，從而探測(cè)出缺陷所在位置；改變恒定偏置磁場(chǎng)與時(shí)變磁場(chǎng)的方向,傳感器在板中激勵(lì)的波型不同。由于該傳感器利用的是材料的特性，因此，可以將傳感器中線圈及永磁鐵提離被測(cè)結(jié)構(gòu)一定距離,即該傳感器具有非接觸性的優(yōu)點(diǎn)，這便于對(duì)被測(cè)構(gòu)件處于高溫或者運(yùn)動(dòng)中等情況進(jìn)行測(cè)量。該傳感器還具有成本低廉制作、簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，該傳感器還存在一些需要進(jìn)一步探討和改進(jìn)的地方，如傳感器所激勵(lì)出的導(dǎo)波傳播方向單一，在檢測(cè)未知缺陷時(shí)，需改變傳感器放置方向來(lái)探測(cè)缺陷所在位置，因此，需進(jìn)一步改進(jìn)傳感器設(shè)計(jì),從而能方便地在各個(gè)方向上激勵(lì)導(dǎo)波。