基于Terfenol-D的管道超声导波换能器

曹 健，鲍丙豪

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

基于Terfenol-D的管道超声导波换能器

曹 健，鲍丙豪

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

针对于常规超声导波换能器激励能量有限的问题，采用了具有较高磁致伸缩系数和能量转换效率的新型超磁致伸缩材料Terfenol-D来研制管道超声导波激励换能器。通过使Terfenol-D材料产生振动并将振动耦合入管道来产生导波对管道进行检测，一次检测距离可达数10 m。在同等激励条件下，研制的激励换能器的能量是常规PZT材料的激励换能器的2.5倍以上，其对缺陷的定位精度<0.57%。

超声导波；无损检测；Terfenol-D；换能器

由于现役管道服役时间较长且处于野外，而导致腐蚀严重且难以监管[1]，管道缺陷逐渐成为一个需要重视的问题。面对管道检测，传统的无损检测技术大多是采用单点检测，其过程费时费力、效率较低。因此，超声导波管道检测技术应运而生[2]。其通过激励换能器在管道中播超声导波，通过接收换能器接收回波，回波中包含着管道信息。通过这样的方法，其一次检测距离可达数10 m。

目前，常用于管道超声导波检测的激励换能器是以PZT材料为敏感元件[3]，但由于该材料的机电耦合系数较低，其能量转换效率较差，这限制了对管道一次检测的距离，同时需要提供较高的负载电压，这会带来安全隐患。

本文研制的新型换能器与传统的超声导波换能器相比所需的工作条件更低，在同等激励条件下可产生更大的检测信号[4]，从而使得传播更远距离且使缺陷信息更为明晰。

1 实验系统和换能器结构

本换能器主要由4个方面来研究：(1)Terfenol-D材料尺寸；(2)提供偏置磁场的永磁铁；(3)提供交变磁场的线圈；(4)装夹夹具。实验的整体系统为有信号发生器产生信号导入激励换能器，激励换能器产生振动并将振动耦合入管道，包含了管道信息的[5]回波信号被接收换能器接收后经PAI放大器放大后在示波器上被显示出来[6]。本实验的实验现场图如图1所示，其中管道为45#钢，长度为10.34 m于其上有三道焊缝分别位于离端面2.90 m，5.21 m，7.48 m处。

图1 实验现场图

2 换能器的设计

2.1 Terfenol-D材料尺寸设计

在用超磁致伸缩材料设计超声导波激励换能器时，对Terfenol-D尺寸的设计是重中之重[7]。Terfenol-D材料被希望产生沿轴向的振动，然后通过GMM材料与管道的耦合将振动传导入管道中去。

考虑到敏感元件的发射效能，Terfenol-D的固有频率被设计为与工作频率一致为优[8]。且发射材料的长度 应该是基本振动模式的波长长度的1/2[9]。

GMM材料的固有频率可由以下方程(1)算出[10]

(1)

式中，f0为材料的固有频率；ρT为材料的弹性系数；ET为材料的弹性模量。

由于常用的频率范围在30～120 kHz之间，因此Terfenol-D的长度尺寸为6.8～32.4 mm因此，通过实验验证，采用了25 mm×4 mm×2 mm尺寸的敏感材料，当其与管道上表面接触长度为5 mm时的在各频率段下产生的导波回波信号端面幅值如图2所示。

图2 各频率下端面回波幅值图

2.2 偏置磁场设置

本文采用钕铁硼永磁体来设置偏置磁场，其具有结构紧凑，磁场大小稳定、价格低廉等优点[10]。在实验时，于Terfenol-D材料上绕制线圈并通以激励信号产生交变磁场，在无偏置磁场时，基本得不到回波信号。若将不同片数钕铁硼永久磁铁置于Terfenol-D的端面，采用PZT材料接收回波信号，得到图3所示的实验结果。

图3 永磁体片数与端面回波幅值图

由图中3可看出，当永磁体由3片增加到4片时，端面回波幅值无明显变化，此时偏置磁场已达最佳工作区。

2.3 交变线圈

当Terfenol-D工作偏置磁场中时，可用一种线性化模型[11]来描述磁致伸缩效应

B=μσH+dσ

(2)

式中，H为磁场强度，σ为应力；ε为应变，EH为弹性模量；μσ为磁导率；D为磁—机耦合系数

设线圈的阻值RL、信号发生器的阻抗为r，信号发生器输出时变的电压信号ua(t)，此时激励信号与Terfenol-D的动态一维轴向位移s(t)之间的关系如式(3)所示

(3)

由式可见，线圈的匝数、阻值和尺寸都会对敏感材料的振动产生影响[12]。在实验初期，用0.1 mm，0.2 mm和0.3 mm的漆包线来绕制线圈，经实验发现，0.1 mm漆包线虽可以绕指匝数较大的线圈但其允许通过的电流较小，产生的磁场并不理想。而0.3 mm漆包线相对较粗，当匝数较大时整个线圈较为臃肿，难以密绕。因此在反复比较后选用0.2 mm漆包线进行实验。

为了验证线圈匝数对实验的影响，将线圈长度定为13 mm，匝数从50～350匝之间变化，每隔50匝绕制一枚线圈，其阻值分别为1 Ω，1.4 Ω，1.8 Ω，2.3 Ω，2.9 Ω，3.5 Ω，4.1 Ω。通过这些线圈来探究匝数与对换能器激励性能的影响。

材料在由各线圈产生的交变磁场激励后，由接收换能器接收的波形幅值变化如图4所示。

图4 各道焊缝和端面回波幅值

2.4 夹具设计

为了能使得Terfenol-D材料的振动稳定的耦合入管道，需要设计一款结构简单且能提供足够且稳定压力的夹具，如图5所示。

图5 夹具

夹具由普通铸铁做成，其下端与管道的内表面相接合并通过上端的螺栓拧紧。在螺栓下方粘接一块作为保护层的刚玉片[13]，其作用是为了防止螺栓直接与Terfenol-D材料相接处压强过大，导致材料断裂。在夹具侧面有一个10 mm×8 mm的通槽，这是为了使Terfenol-D材料伸出并在其上绕制线圈。

在实验中，首先会将材料固定于管道上，信号发生器输出信号后在示波器上会显示波形[14]，此时逐渐拧紧六角螺钉，波形会逐渐变大，当信号幅值无明显变化时停止拧动螺钉，此时螺钉已提供足够的压力。

3 实验结果

当以3片Ø8 mm×1 mm钕铁硼永磁铁提供偏置磁场，以0.2 mm漆包线绕制长度为13 mm，匝数为150匝的线圈提供交变磁场时能够使得换能器激发出最合适的回波信号，此时信号波形如图6所示。

图6 Terfenol-D激励回波图

此时，其第一次端面回波为2.42 V，而3道焊缝波分别为1.71 V、1.47 V和1.05 V，相较于端面回波能量的70.7%、60.7%和43.4%，其噪声相对较低，信噪比较高，能清晰的分辨缺陷位置。由于信号由激励端到端面再回到激励端一共经过了20.68 m，经过的时间可在图6中看出，通过各道焊缝与端面时间的相对关系可算出三道焊缝的位置分别为2.89 m，5.18 m，7.44 m，其实际距离为：2.90 m，5.21 m和7.48 m。计算值与实际值得误差为0.35%，0.57%和0.53%。作为长距离初检的手段，这个精度符合所需的要求。

图7为用1片PZT材料在相同激励条件下激励后获得的回波信号。

图7 PZT激励回波图

此时，3道焊缝和端面回波的幅值分别为：0.44 V，0.51 V，0.37 V和0.76 V。由Terfenol-D材料产生的回波信号基本在由PZT材料产生的信号的2.5倍以上，其性能有显著提升。

4 结束语

本文提出了一种基于Terfenol-D材料的新型管道超声导波换能器，从尺寸选取、偏置磁场、交变线圈和夹具4个方面对其进行了设计，通过各部分的最优使得所研制的换能器具有较好的性能。通过对信号中各焊缝位置的计算，发现其位置偏差<0.57%，满足作为初检手段的精度[15]，同时将其于PZT材料振动产生的信号对比，其回波的能量在PZT的2.5倍以上，其优异的性能符合应用的需要。

但目前研制的超声导波激励换能器还有所不足，由于Terfenol-D材料的磁导率较小，目前的换能器只能做到端面激励，如何采用更优的装夹方式使其可于管道任意位置进行激励是下一步的研究方向。

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Pipe Ultrasonic Guided Wave Transducer Based on Terfenol-D

CAO Jian，BAO Binghao

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

In view of the limited energy of conventional ultrasonic guided wave transducer，the new giant magnetostrictive material Terfenol-D which has high magnetostrictive coefficient and energy conversion efficiency has been adopted to develop the pipeline ultrasonic guided wave excitation transducer. By making the Terfenol-D material vibrating and transmit it into the pipe to produce guided wave and check the pipe, the detection range can be up to tens of meters. Under the same incentive conditions, the energy of the excitation transducer is 2.5 times higher than that of the conventional PZT material and the positioning accuracy of defects is less than 0.57%.

ultrasonic guided wave; NDT; Terfenol-D; transducer

2016- 04- 26

曹健(1990-)，男，硕士研究生。研究方向： 超声导波传感器。鲍丙豪(1963-)，男，教授。研究方向：新型传感器等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.021

TP393

A

1007-7820(2017)03-076-04