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

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)翻譯與原文題目： 使用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生和探測(cè)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波 學(xué) 院： 測(cè)試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)： 11081318學(xué)生姓名： 馮浩指導(dǎo)教師： 龍盛蓉二Oxx 年 四 月無(wú)損評(píng)價(jià) （2011） 44：145-151期刊主頁(yè)：/locate/ndteint 使用磁致伸縮傳感器產(chǎn)生和探測(cè)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(guó)立大學(xué)，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749,韓國(guó)b機(jī)械工程系，全南國(guó)立大學(xué)，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749，韓國(guó)c對(duì)重化工設(shè)施安全診斷技術(shù)創(chuàng)新中心，全南國(guó)立大學(xué)，San 96-1, Dundeok-dong, Yosu 550-749 ，韓國(guó)摘要 在這項(xiàng)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(gè)在管道檢測(cè)中用于產(chǎn)生和探測(cè)扭轉(zhuǎn)波的鐵磁性貼片，我們得知可以通過(guò)調(diào)整環(huán)形線圈的輸入電流控制鐵磁塊的磁場(chǎng)方向。此外，使用交叉線圈傳感器從管的末端反射的信號(hào)的振幅比采用預(yù)磁化技術(shù)大得多，然后過(guò)激的能量就被用來(lái)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，從多個(gè)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(cè)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(gè)主要問(wèn)題，內(nèi)部和外部的管壁都會(huì)發(fā)生一般的壁厚減薄和局部點(diǎn)蝕問(wèn)題。大部分的管子都是絕緣的,因此，在沒(méi)有去除絕緣層的情況下，外部缺陷無(wú)法通過(guò)常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)（NDE）技術(shù)，如超聲波，液體滲透或磁粉檢測(cè)方法來(lái)探測(cè)。點(diǎn)或單獨(dú)的位置測(cè)量有一個(gè)有力的優(yōu)勢(shì)，將激發(fā)導(dǎo)波沿管道傳播。他們可以被用來(lái)檢測(cè)長(zhǎng)距離管道，由于其速度快也可以減少檢查時(shí)間。已經(jīng)使用導(dǎo)波進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)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(cè)相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)有了進(jìn)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(lái)產(chǎn)生和探測(cè)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(gè)纏繞的螺線管被放置在貼片上。在檢查時(shí)，使用永磁鐵和一個(gè)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(gè)基本的磁場(chǎng)。在相鄰的鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)下，交流磁場(chǎng)（變化的磁場(chǎng)）就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。然而，如果貼片中的預(yù)磁化強(qiáng)度的大小和線圈中的磁場(chǎng)的強(qiáng)度是在不合適的情況下，使用這種方法就會(huì)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(wú)視其輸入電流的大小時(shí)，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(yàn)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(lái)解決這些問(wèn)題。 在這項(xiàng)工作中，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)先進(jìn)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(chǎng)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(duì)具有多個(gè)圓周凹槽管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(gè)交叉線圈傳感器的配置，此線圈被設(shè)計(jì)來(lái)產(chǎn)生和檢測(cè)管中扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。該傳感器由磁性片和兩個(gè)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(chǎng)，電磁線圈在其軸向方向上也產(chǎn)生了磁場(chǎng)。 已經(jīng)表明，如果鐵磁材料受到了正當(dāng)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)，這個(gè)感應(yīng)可以是任何的軸向或者周向方向與在各個(gè)正交方向上的偏置感應(yīng),就會(huì)在扭轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生一個(gè)由Wiede- mann效應(yīng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)所確定的頻率振蕩。這一結(jié)果證實(shí)，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(tái)的有限元法（FEM）（12版本，ANSYS公司USA）對(duì)強(qiáng)磁性貼片的磁通密度分布進(jìn)行分析。有限元基本模型有1350277個(gè)，其中110400個(gè)基本模型是用于條狀模型，192個(gè)模型為環(huán)形線圈，1個(gè)螺線管線圈模型和1239684個(gè)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(duì)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(duì)磁通密度的分布進(jìn)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(shí)，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(shí)的磁通密度分布。因?yàn)榄h(huán)形線圈沒(méi)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(shí)，磁通的方向和大小就會(huì)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(shí)，磁通密度的方向越來(lái)越周向。軸向軸的測(cè)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(guò)以下事實(shí)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，磁通密度的方向取決于由流過(guò)螺線管和環(huán)形線圈的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(shí)，增加并且接近45度理想角來(lái)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(shí)，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(guò)調(diào)整輸入到環(huán)形線圈的輸入電流來(lái)控制鐵磁性貼片的磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)裝置 如圖4所示是使用交叉線圈傳感器在碳鋼管（長(zhǎng)2.7米，外徑114.3mm，壁厚6mm）上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。用一個(gè)超鐵鈷帶（寬25mm，厚0.15mm，長(zhǎng)360mm）來(lái)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(shù)脂膠貼到官道上，并把一個(gè)電磁線圈纏繞在貼片上。一個(gè)MKSR-2080高頻電磁線圈（由西南研究院制造）被用來(lái)進(jìn)行測(cè)試。一個(gè)直流（DC）電源（HC-2330AD）被用來(lái)提供一個(gè)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(lái)操作交叉線圈傳感器。從MsS儀器輸出的信號(hào)是1個(gè)周期128KHz的正弦波。利用短時(shí)傅里葉變換（STFT）來(lái)對(duì)接收的波的分散性進(jìn)行分析，從而確認(rèn)其波的模式。用預(yù)磁化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)與使用交叉線圈傳感器的結(jié)果進(jìn)行比較。 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是在兩個(gè)獨(dú)立的官道上進(jìn)行的：一個(gè)沒(méi)有任何缺陷，另一個(gè)有多個(gè)周向凹痕。如圖5所示，四個(gè)周向的凹痕被加工到管上。四個(gè)凹痕離傳感器為0.85m，1.05m，1.25m，1.45m。每個(gè)凹痕都是1.5mm寬不同周長(zhǎng)的圓周：20mm（周長(zhǎng)的5.5%），23mm（6.5%），27mm（7.5%）和34mm（9.5%）。在實(shí)際應(yīng)用中，這種凹痕可以代表一個(gè)周向的裂紋，因?yàn)楫?dāng)凹痕比波長(zhǎng)和圓周尺寸短得多的時(shí)候，凹痕的軸向尺寸就不重要了。4結(jié)果與討論 該檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要素是單一模式的選擇和利用。如圖6所示，在對(duì)管檢查時(shí)，管中大量的波的可能的模式被群速度色散曲線來(lái)呈現(xiàn)。采用通用的疏散程序來(lái)計(jì)算這條曲線。模式被標(biāo)記為L(zhǎng)（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(shí)際測(cè)試使用的是縱向模式。然而，最近的測(cè)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(shí)不會(huì)受到管道中的液體的影響和不依賴于頻率的優(yōu)點(diǎn)。并且該模式是在所有頻率上完全非分散的。因此是通過(guò)在中心頻率（此項(xiàng)研究中的128kHz）簡(jiǎn)單地施加模式形狀來(lái)獲取純模式的激發(fā)。在軸對(duì)稱缺陷中偶然出現(xiàn)軸對(duì)稱模式時(shí)，只有在感興趣的頻率的軸對(duì)稱模式傳播模式才有助于反射場(chǎng)。由于我們工作頻率低于T（0.2）的截止頻率，因此在軸對(duì)稱缺陷中并沒(méi)有模式轉(zhuǎn)換并且T（0，1）模式就被簡(jiǎn)單的反射或者穿過(guò)缺陷。然而，當(dāng)管中有非對(duì)稱特征時(shí)，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(cè)扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，圖7（b）了當(dāng)用預(yù)磁化技術(shù)來(lái)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波時(shí)的相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行了短時(shí)傅里葉變換后的時(shí)頻圖。被檢查的管道沒(méi)有缺陷，因此除了從底部返回的扭轉(zhuǎn)波之外應(yīng)該沒(méi)有其他的波出現(xiàn)。如圖7（a）所示，但是，也出現(xiàn)了兩個(gè)波，A波和B波以及一個(gè)從底部來(lái)的反射波。短時(shí)傅里葉變換的數(shù)據(jù)還表明，三個(gè)波被包括在所接收的信號(hào)中。由于扭轉(zhuǎn)模式是無(wú)散射的，該信號(hào)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(jì)算的值3.25103米/s很吻合。信號(hào)A的速度大約為5.3103米/s，它表現(xiàn)為一個(gè)弱線，幾乎平行于頻率軸。使用所計(jì)算的色散曲線，我們驗(yàn)證了這條曲線符合L（0，2）模式，因?yàn)樵趫D7（b）中的頻率范圍內(nèi)L（0，2）模式的群速度幾乎是一個(gè)常數(shù)，這速度在128kHz時(shí)大約是5.35103米/s。 除了L（0，2）模式的信號(hào)，其他像L的信號(hào)（B）也會(huì)異常的出現(xiàn)。這些信號(hào)類似于L模式，因?yàn)樗鼈冿@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(rèn)為是一個(gè)重模式轉(zhuǎn)換的L（0，2）模式。重新模式轉(zhuǎn)換的過(guò)程有如下解釋：當(dāng)由MsS探針無(wú)意中生成的L（0，2）模式到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，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(dá)另一端時(shí)它轉(zhuǎn)回為L(zhǎng)（0，2）模式。因此，這種模式通過(guò)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(dá)傳感器，在T（0，1）模式信號(hào)之后到達(dá)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(lái)避免這些問(wèn)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(cè)扭轉(zhuǎn)模式時(shí)所檢測(cè)到的扭轉(zhuǎn)波信號(hào)和時(shí)頻圖。圖8（a）中的數(shù)據(jù)是用128kHz的脈沖激勵(lì)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(huì)在信號(hào)到達(dá)傳感器的底端反射前出現(xiàn)。短時(shí)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(shí)傅里葉變換所得到的數(shù)據(jù)線更厚，并且對(duì)應(yīng)于L（0，2）的弱線和類似于L模式的線會(huì)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(shí)，磁場(chǎng)就完全沿著圓周方向分散。這意味著，所有的激勵(lì)能量有助于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波并且不會(huì)激勵(lì)出不需要的L模式波。 當(dāng)我們得到圖7（a）所示的信號(hào)時(shí)，我們可能會(huì)產(chǎn)生這樣的誤解，一個(gè)沒(méi)有缺陷的官道上有兩個(gè)裂紋。如果一個(gè)缺陷偶然存在在那個(gè)位置，并且從缺陷反射回得信號(hào)將會(huì)與L模式的信號(hào)重疊，我們就難以辨認(rèn)它們是否來(lái)自于缺陷。另一方面，可以使用交叉線圈MsS僅僅只激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模式，這樣從缺陷反射的波就不會(huì)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(shí)，直到電流到達(dá)1.0A之前，從底端反射的信號(hào)的幅度也會(huì)增加。當(dāng)輸入的電流到達(dá)1.0A時(shí)，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(duì)于該缺陷的入射波的靈敏度。然而，隨著輸入電流超過(guò)1.0A時(shí)，振幅就會(huì)單調(diào)下降，當(dāng)電流為1.7A時(shí)，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(shí)管與4個(gè)圓周缺陷的實(shí)驗(yàn)裝置的響應(yīng)時(shí)間歷程。測(cè)試的時(shí)間得足夠長(zhǎng)，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(lái)計(jì)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(shí)間。使用C=3.25x103米/秒，將測(cè)得信號(hào)的時(shí)間。圖10中的CC2，計(jì)算得傳感器到凹槽的距離為1.042米，這與實(shí)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(jìn)行估計(jì)，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(zhǎng)（周長(zhǎng)的5.5%）的CC1反射的信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)在測(cè)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(cè)一個(gè)比這個(gè)凹槽更小的缺陷。這個(gè)凹槽比其他的凹槽更小，以至于反射信號(hào)的振幅下降到跟噪聲一個(gè)水平。這樣，我們就不能區(qū)分反射信號(hào)與噪聲信號(hào)。 反射到所述圓周范圍的靈敏度可以通過(guò)反射系數(shù)來(lái)研究。反射系數(shù)的定義為反射信號(hào)的幅度與T（0，1）參考信號(hào)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(shí)域中，幅度用來(lái)作為峰-峰值的測(cè)量。從底端反射回的信號(hào)的幅度是0.8V。從凹槽CC2反射回的信號(hào)的幅度是0.004；因此，計(jì)算的反射系數(shù)為0.005。同樣的計(jì)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(zhǎng)是一個(gè)線性函數(shù)。5結(jié)論 我們開(kāi)發(fā)出了一個(gè)交叉線圈磁致伸縮傳感器用于產(chǎn)生和檢測(cè)管中的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的性能。該傳感器包括一個(gè)電磁線圈，環(huán)形線圈和鐵磁貼片。結(jié)果表明，可以通過(guò)調(diào)整輸入到環(huán)形線圈的電流來(lái)控制強(qiáng)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(diǎn)：（1）從底端和凹槽發(fā)射回的信號(hào)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(lái)差生扭轉(zhuǎn)波，所以類似于L模式的不想要的波就不會(huì)在管中被激發(fā)。具有多個(gè)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(lái)探測(cè)。因此在管道檢測(cè)中，結(jié)合了交叉線圈磁致伸縮傳感器的遠(yuǎn)程導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)會(huì)是很有用并且很節(jié)約成本。感謝 這項(xiàng)研究由MKE和MEST通過(guò)區(qū)域創(chuàng)新中心項(xiàng)目和人力資源培訓(xùn)資助。參考文獻(xiàn)1 Alleyne D, Lowe M, Cawley P. 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