湯檳暉，王悅民，陳 昂，邱增城，許鑒鑒

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

0 引言

管道作為油、汽、水等介質(zhì)的重要輸送工具，在石油、化工、船舶等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，隨著其服役時(shí)間的增長(zhǎng)，受其使用環(huán)境和運(yùn)行工況的影響，管道易產(chǎn)生腐蝕、裂紋、破損等缺陷，導(dǎo)致管道的安全性和可靠性降低，造成安全隱患[1-2]。因此，有必要對(duì)管道定期進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

超聲導(dǎo)波技術(shù)相比于常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、渦流檢測(cè)等)，可以克服檢測(cè)對(duì)象局限、檢測(cè)要求高、檢測(cè)效率低等不足，具有使用頻率低、傳播距離遠(yuǎn)和信號(hào)衰減小等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、非接觸、長(zhǎng)距離、大范圍的管道體積檢測(cè)，近些年受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛青睞與關(guān)注[1,3]。

作為激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波的載體，超聲導(dǎo)波傳感器可分為壓電式、脈沖激光式和電磁式等[3]。其中，電磁式超聲傳感器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)具有良好的靈敏度和耐用性，能夠無(wú)需使用耦合劑而直接與測(cè)試樣品接觸，易于實(shí)施且可進(jìn)行長(zhǎng)期檢查[4]。電磁式超聲導(dǎo)波技術(shù)中，在施加偏置磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的條件下，非鐵磁性導(dǎo)電材料中會(huì)出現(xiàn)洛倫茲力，鐵磁性材料中會(huì)感應(yīng)出磁致伸縮力和洛倫茲力，其中磁致伸縮是超聲導(dǎo)波傳遞的主要機(jī)制[1,5]。目前，EMAT表示主要使用洛倫茲力為超聲導(dǎo)波傳遞機(jī)制的傳感器，而以磁致伸縮為主要機(jī)制的傳感器被稱為磁致伸縮傳感器[6]。相比于EMAT，磁致伸縮傳感器可激勵(lì)出更大功率的超聲導(dǎo)波，激勵(lì)頻率更低(≤100 kHz)，能夠?qū)崿F(xiàn)非鐵磁性管道和有包裹層管道的超聲導(dǎo)波檢測(cè)[1-2]。因此，為了提升超聲導(dǎo)波檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度，需要對(duì)磁致伸縮物理特性和磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器進(jìn)行大量理論和試驗(yàn)研究。

針對(duì)磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了貼片式磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器，并研究其對(duì)周向缺陷和模式抑制等方面的效果。文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)由鐵鈷合金制成的磁致伸縮貼片所產(chǎn)生的的超聲導(dǎo)波輸出功率大于純鎳合金磁致伸縮貼片。文獻(xiàn)[9]提出了一種螺旋梳磁致伸縮貼片換能器，用于檢查管道中發(fā)生的各種類型的缺陷。文獻(xiàn)[10]采用雙波導(dǎo)線和雙線圈同時(shí)激發(fā)扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波，并通過(guò)差分波導(dǎo)提高磁致伸縮傳感器的信噪比。本文在介紹磁致伸縮物理特性和磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，從制作超聲導(dǎo)波傳感器的磁致伸縮材料和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化兩方面，綜述了磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的檢測(cè)原理

磁致伸縮效應(yīng)是一種涉及磁化過(guò)程和鐵磁性材料尺寸/形狀變化的耦合現(xiàn)象。如圖1(a)所示，當(dāng)鐵磁性材料受到交變外磁場(chǎng)作用時(shí)，其內(nèi)部隨機(jī)取向的磁疇轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，導(dǎo)致其宏觀尺寸和形狀發(fā)生改變，該現(xiàn)象稱為磁致伸縮正效應(yīng)或Joule效應(yīng)[11]。圖1(b)顯示出與之相反的現(xiàn)象，鐵磁性材料在外力的作用下發(fā)生形變，使得其內(nèi)部磁疇的磁化方向趨于形變方向，導(dǎo)致磁場(chǎng)狀態(tài)隨之改變，該現(xiàn)象稱為磁致伸縮逆效應(yīng)或Villari效應(yīng)[12]。如圖1(c)所示，當(dāng)鐵磁性材料受到恒定外磁場(chǎng)和與之正交的交變外磁場(chǎng)的耦合作用時(shí)，其內(nèi)部磁疇的磁化方向轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣赏獯艌?chǎng)方向，宏觀上表現(xiàn)為鐵磁性材料的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，稱之為扭轉(zhuǎn)磁致伸縮效應(yīng)或Wiedemann效應(yīng)[13]。

(a)Joule效應(yīng) (b)Villari效應(yīng) (c)Wiedemann效應(yīng)

超聲導(dǎo)波沿軸向傳播時(shí)，根據(jù)傳播模態(tài)可分為縱向超聲導(dǎo)波、扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波和彎曲超聲導(dǎo)波，分別用L(0，m)、T(0，m)和F(n，m)表示，其中n為周向階數(shù)，m為模數(shù)[1]。為激勵(lì)不同模態(tài)的超聲導(dǎo)波，磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的結(jié)構(gòu)各不相同，但其檢測(cè)原理一致。以文獻(xiàn)[14]研制的磁致伸縮縱向超聲導(dǎo)波傳感器為例，見(jiàn)圖2(a)，說(shuō)明磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的檢測(cè)原理。

在激勵(lì)磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的內(nèi)外線圈中分別通入交流電和直流電，形成動(dòng)態(tài)交變磁場(chǎng)和靜態(tài)偏置磁場(chǎng)。根據(jù)Joule效應(yīng)，磁化的鐵磁性管道內(nèi)會(huì)發(fā)生軸向伸縮，并以機(jī)械波振動(dòng)的方式向管道端部傳遞力和位移。當(dāng)機(jī)械波到達(dá)接收磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器時(shí)，根據(jù)Villari效應(yīng)，鐵磁性管道的磁場(chǎng)會(huì)因?yàn)檩S向長(zhǎng)度的變化而變化，導(dǎo)致接收線圈內(nèi)產(chǎn)生電勢(shì)差并以電壓的形式輸出。上述過(guò)程的能量轉(zhuǎn)變可總結(jié)為：電能→磁能→機(jī)械能→磁能→電能。

對(duì)于非鐵磁性管道的超聲導(dǎo)波檢測(cè)，或當(dāng)鐵磁性管道的超聲導(dǎo)波檢測(cè)需要更高的轉(zhuǎn)換效率時(shí)，可以在管道表面貼上磁致伸縮貼片，使超聲導(dǎo)波的激勵(lì)和接收發(fā)生在磁致伸縮貼片內(nèi)[15]，如圖2(b)所示。相比于大多數(shù)管道，磁致伸縮貼片的應(yīng)變靈敏度更高，超聲導(dǎo)波檢測(cè)的效果更明顯。并且由于其高柔性特點(diǎn)，磁致伸縮貼片能夠按需制成不同的形狀，可以輕松安裝在管道的彎曲表面上[6]。因此，貼片式磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器具有更大的研究?jī)r(jià)值，本文重點(diǎn)論述此類傳感器的研究進(jìn)展。

(a)無(wú)貼片式

(b)貼片式圖2 典型縱向超聲導(dǎo)波傳感器

2 磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的研究現(xiàn)狀

磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器作為超聲導(dǎo)波檢測(cè)中的關(guān)鍵元器件，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和靈敏度具有重要影響。對(duì)于應(yīng)用更為廣泛的貼片式磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器，其研究主要為傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。但作為激勵(lì)、傳遞和接收磁致伸縮效應(yīng)的載體，磁致伸縮貼片的材料性能研究對(duì)超聲導(dǎo)波測(cè)試同樣重要。因此，本文從磁致伸縮材料的性能研究和磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化2方面，論述磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的研究現(xiàn)狀。

2.1 磁致伸縮材料的性能研究

從宏觀角度出發(fā)，磁致伸縮材料是一種能在磁場(chǎng)環(huán)境下發(fā)生回復(fù)變形，在應(yīng)力作用下改變其磁場(chǎng)性能的材料。從微觀角度出發(fā)，磁致伸縮效應(yīng)可歸因?yàn)樽孕?自旋和自旋-軌道的耦合作用所產(chǎn)生的自旋磁矩和原子磁矩，而由于過(guò)渡元素和稀土元素具有未填滿的3d和4f電子層，能夠產(chǎn)生上述磁矩，因此具有磁致伸縮效應(yīng)[16]。目前，以上述元素為基礎(chǔ)的磁致伸縮材料可分為：傳統(tǒng)磁致伸縮材料(鐵、鎳及其合金和鐵氧體)、超磁致伸縮材料(稀土金屬間化合物)和新型磁致伸縮材料(鐵-鎵二元合金)，上述材料的性能和特點(diǎn)如表1所示。

2.1.1 傳統(tǒng)磁致伸縮材料

傳統(tǒng)磁致伸縮材料雖然具有飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度低、性價(jià)比高和力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其磁致伸縮性能較差，對(duì)改善超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果方面仍差強(qiáng)人意。因此，關(guān)于傳統(tǒng)磁致伸縮材料的研究主要集中于磁致伸縮性能的提升，并主要從制備工藝、合金成分、熱處理等方面入手。

文獻(xiàn)[18]通過(guò)磁控濺射技術(shù)在FeCo合金上沉積了(Tb0.3Dy0.7)Fe1.95合金，并進(jìn)行了退火處理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合合金在退火處理(600 ℃+1 h)后，磁致伸縮系數(shù)達(dá)到265×10-6，超聲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)高達(dá)2.5 V，相比于FeCo合金分別提高了1.94倍和5.25倍。文獻(xiàn)[19]通過(guò)溶膠-凝膠自動(dòng)燃燒方法，制備了Bi摻雜的CoFe2O4合金，發(fā)現(xiàn)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，CoFe1.9Bi0.1O4合金的磁致伸縮性能均優(yōu)于CoFe2O4合金，最大應(yīng)變靈敏度提升了60%。

2.1.2 超磁致伸縮材料

雖然超磁致伸縮材料具有極高的磁致伸縮系數(shù)，但受限于儲(chǔ)量有限和價(jià)格昂貴的重稀土元素，具有以下突出問(wèn)題：飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度高、成本過(guò)高和力學(xué)性能差(脆性大、易斷裂)，限制了其在超聲導(dǎo)波檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用。為了解決上述問(wèn)題，可從開(kāi)發(fā)新合金體系(加入儲(chǔ)量大和成本低的輕稀土元素)和制備磁致伸縮聚合物復(fù)合材料(加入環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯和硅橡膠等聚合物)等方面入手。

文獻(xiàn)[20]使用高壓退火方法制備了Nd基多晶Tb0.27Dy0.73-xNdxFe2合金，并研究了退火溫度和Nd含量對(duì)復(fù)合合金磁致伸縮性能的影響。結(jié)果表明，晶格常數(shù)和矯頑力會(huì)隨著Nd含量的增加而增大，不利于磁致伸縮性能的提升，當(dāng)x=0.1時(shí)，Tb0.27Dy0.63Nd0.1Fe2合金具有最大磁致伸縮系數(shù)(1 700×10-6)。文獻(xiàn)[21]通過(guò)定向凝固方法制備了Tb0.3Dy0.7Fe2連續(xù)纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在高磁場(chǎng)(>400 kA/m)內(nèi)表現(xiàn)出較大的磁致伸縮系數(shù)(840×10-6)，在低磁場(chǎng)(<100 kA/m)中表現(xiàn)出較大的相對(duì)磁導(dǎo)率(8.2 μm/kA)。

2.1.3 新型磁致伸縮材料

以Fe-Ga合金為代表的新型磁致伸縮材料憑借其較好的磁致伸縮性能和較低的成本，能夠綜合上述2種材料的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[22]分別使用鑄造、熔融淬火和熔融紡絲3種方法制備了(Fe83Ga17)100-xTbx(0≤x≤0.47)復(fù)合合金，并研究了其磁致伸縮性能，發(fā)現(xiàn)熔體紡絲制備的復(fù)合合金磁致伸縮性能最好，磁致伸縮系數(shù)高達(dá)886×10-6。文獻(xiàn)[23]運(yùn)用真空電弧熔煉技術(shù)制備了(Fe83Ga17)100-xYx(x=0，3)復(fù)合合金，發(fā)現(xiàn)復(fù)合合金中晶粒的滑移和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致形成<0 0 1>優(yōu)選的取向，而取向后的復(fù)合合金磁致伸縮系數(shù)為120×10-6，是未取向的Fe83Ga17合金的4倍。文獻(xiàn)[24]通過(guò)真空電弧熔化技術(shù)制備了Pr摻雜的Fe83Ga17Prx復(fù)合合金，發(fā)現(xiàn)隨著x由0增加至1，磁致伸縮系數(shù)先增加后降低，當(dāng)x=0.6時(shí)達(dá)到最大值(192 ppm)，相比于Fe83Ga17合金提升了40%。

2.2 磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為了獲得更好的超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果，除了對(duì)磁致伸縮材料進(jìn)行選擇和改性外，還需要對(duì)磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。不同模態(tài)的超聲導(dǎo)波所需的激勵(lì)條件不同，其傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化也各不相同。其中，彎曲導(dǎo)波由于軸向、徑向和周向均有位移分量，傳播情況復(fù)雜，頻散現(xiàn)象嚴(yán)重，且大多是通過(guò)壓電式超聲導(dǎo)波傳感器沿管道周向局部加載而產(chǎn)生[1,5]。因此，本文主要從縱向超聲導(dǎo)波和扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波來(lái)論述磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2.2.1 縱向超聲導(dǎo)波

縱向超聲導(dǎo)波可分解為軸向uz和徑向ur位移分量，具有周向缺陷檢測(cè)靈敏、檢測(cè)頻率低、傳播速度快和激勵(lì)方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1,5]。典型磁致伸縮縱向超聲導(dǎo)波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，主要包括磁化器(偏置磁場(chǎng)線圈)、感應(yīng)線圈(激勵(lì)線圈、接收線圈)和磁致伸縮貼片等。

磁化器用于產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，決定傳感器的靜態(tài)工作點(diǎn)，并可避免倍頻現(xiàn)象的出現(xiàn)，目前主要有2種類型[25]：一種是圖2(b)中的直流線圈式磁化器，其產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)大小均勻，但增大了傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并且線圈會(huì)由于長(zhǎng)期工作而發(fā)熱，導(dǎo)致傳感器的性能變差。另一種是磁軛式磁化器，包括電磁鐵和永磁體，其中永磁體價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置磁場(chǎng)，更適合實(shí)際超聲導(dǎo)波的檢測(cè)。

文獻(xiàn)[26]設(shè)計(jì)了一種可自由調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)的永磁式磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器，見(jiàn)圖3(a)，優(yōu)化了勵(lì)磁線圈與永磁體的參數(shù)，確定了永磁體與線圈的最佳軸向距離，從而提高了檢測(cè)靈敏度。

感應(yīng)線圈包括激勵(lì)線圈和接收線圈。為了提升縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)的傳感效率和信號(hào)強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常從輸入能量入手，即對(duì)激勵(lì)線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，比如適當(dāng)提高輸入電壓[27]、增加線圈簇?cái)?shù)[28]、添加聚磁器[29]等，而對(duì)輸出能量研究較少。文獻(xiàn)[30]從輸出能量角度出發(fā)，為了排除管道內(nèi)部空氣對(duì)接收信號(hào)的有害影響，設(shè)計(jì)了一種用于開(kāi)口管道的改進(jìn)型縱向?qū)Рń邮諅鞲衅鳎?jiàn)圖3(b)。其在管道內(nèi)部設(shè)置了額外的線圈，并且內(nèi)外線圈在軸向位置完全一致。通過(guò)將外線圈信號(hào)減去內(nèi)線圈信號(hào)，獲得僅包括管壁的增強(qiáng)信號(hào)，其信號(hào)幅度比傳統(tǒng)傳感器提高了50%以上。

目前，大多數(shù)磁致伸縮貼片是通過(guò)耦合劑固定在管道上的。然而，當(dāng)管道的服役工況較為惡劣(強(qiáng)紫外線照射、高溫高壓、濕度大等)時(shí)，耦合劑易老化脫落，導(dǎo)致超聲導(dǎo)波檢測(cè)效果變差。為此，將磁致伸縮貼片替換為磁致伸縮涂層，使磁致伸縮材料與管道形成冶金結(jié)合，是解決上述問(wèn)題的有效途徑。文獻(xiàn)[31]運(yùn)用高速氧-燃料噴涂技術(shù)在316L不銹鋼管上制備了退火Fe81Al19涂層，研究了涂層的磁致伸縮性能和縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，磁致伸縮涂層在400 ℃退火處理后，最大磁致伸縮達(dá)到38 ppm，飽和磁場(chǎng)低于400 Oe，能夠有效提高超聲導(dǎo)波振幅和檢測(cè)靈敏度。另外，文獻(xiàn)[32]還制備了高應(yīng)變靈敏度的Fe83Ga17涂層，并對(duì)偏置磁場(chǎng)的大小進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏置磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為255.7 Oe時(shí)，傳感器性能最佳。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波

扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波只有周向位移uθ，并且在管道傳播時(shí)外壁的uθ要大于內(nèi)壁的uθ，其對(duì)管道內(nèi)外壁、周向和軸向的缺陷檢測(cè)都很靈敏[1]。以T(0,1)為典型的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波無(wú)頻散現(xiàn)象，即使在充液管道中傳播時(shí)也能保持波形，便于提取信號(hào)信息[6]。另外，相比于壓電式超聲導(dǎo)波傳感器，磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，更適合激勵(lì)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。

由于扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波涉及管道的剪切變形，國(guó)內(nèi)外學(xué)者首先考慮基于Wiedemann效應(yīng)及其逆效應(yīng)來(lái)激勵(lì)和接收扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。常見(jiàn)的3種傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，分別為預(yù)磁貼片式、交叉線圈式和永磁式。

圖4 磁致伸縮扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波傳感器

預(yù)磁貼片式傳感器利用磁致伸縮貼片與永磁體相互摩擦所產(chǎn)生的的剩磁進(jìn)行周向預(yù)磁化。文獻(xiàn)[33]研究了預(yù)磁過(guò)程中磁致伸縮貼片的長(zhǎng)寬比對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著磁致伸縮貼片的長(zhǎng)寬比由1∶2增加至2∶1，磁致伸縮貼片內(nèi)的退磁因子減小，磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，檢測(cè)信號(hào)幅值由0.309 V增大至0.949 V。另外，文獻(xiàn)[34]還發(fā)現(xiàn)在預(yù)磁化過(guò)程中，當(dāng)磁致伸縮貼片內(nèi)的飽和磁化強(qiáng)度越低、飽和磁致伸縮越大，并且偏置磁場(chǎng)位于磁致伸縮曲線斜率最大的位置時(shí)，信號(hào)幅值越大。

交叉線圈式傳感器利用通入直流電的環(huán)形線圈來(lái)產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，從而達(dá)到偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的目的。文獻(xiàn)[35]將交叉線圈式扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波傳感器的檢測(cè)結(jié)果與預(yù)磁貼片式進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)信號(hào)幅度得到了大幅提升，并且激勵(lì)出來(lái)的超聲導(dǎo)波僅為扭轉(zhuǎn)波。文獻(xiàn)[36]為了提高交叉線圈式磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的效率，對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化(偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈線徑和線圈覆蓋率)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的檢測(cè)信號(hào)幅值高達(dá)5.0 V，相較于優(yōu)化前的換能效率，提高了28%。

為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，可以使用低成本的永磁體提供偏置磁場(chǎng)，動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)由回折線圈產(chǎn)生。但是，在回折線圈中通入交流電時(shí)，除了周向段產(chǎn)生與偏置磁場(chǎng)正交的磁場(chǎng)外，其軸向段會(huì)產(chǎn)生與之平行的磁場(chǎng)，導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波不完全是扭轉(zhuǎn)波，并伴隨著噪聲信號(hào)。為此，文獻(xiàn)[37]在回折線圈的軸向段覆蓋了一層FeCo合金箔，可有效解決上述問(wèn)題。另外，還可以利用具有趨膚效應(yīng)的銅片作為屏蔽層，將其放置在軸向段回折線圈的下面，能夠有效屏蔽其激勵(lì)的周向磁場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加銅片屏蔽層后的信號(hào)信噪比高達(dá)30.51 dB，相較于無(wú)屏蔽層提高了62.29%[38]。

除了基于Wiedemann效應(yīng)及其逆效應(yīng)外，還可以利用Joule效應(yīng)和Villari效應(yīng)來(lái)激勵(lì)和接收扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波，實(shí)現(xiàn)方法為安裝與軸向呈特定角度的磁致伸縮貼片，如圖5所示。

圖5 典型磁致伸縮貼片

由于磁致伸縮貼片的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于管道和空氣的磁導(dǎo)率，因此在磁場(chǎng)作用下，貼片中的磁通量方向沿貼片長(zhǎng)邊方向。利用該特性，將磁致伸縮貼片調(diào)整為斜向45°或略小于45°，見(jiàn)圖5(a)，便可在管道中產(chǎn)生沿該方向的切向力，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波。

為了提升傳感器的性能，對(duì)磁致伸縮貼片的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，如圖5(b)和圖5(c)所示。V型和Z型磁致伸縮貼片均保持了中間部分斜向45°，區(qū)別在于尾端形狀不同，但均不與管道接觸，僅起集中磁場(chǎng)的作用。文獻(xiàn)[39]分別使用斜向45°和V型磁致伸縮貼片進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)后者的信號(hào)幅度和信噪比均高于前者。文獻(xiàn)[40]通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法，確定Z型磁致伸縮貼片的形狀最合理，相較于V型貼片，檢測(cè)信號(hào)的幅度和信噪比分別提升了70.86%和2.25%。

3 總結(jié)與展望

本文在介紹磁致伸縮物理特性和磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，從制作超聲導(dǎo)波傳感器的磁致伸縮材料和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化2方面，綜述了磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的研究現(xiàn)狀。雖然關(guān)于磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的研究取得了一定進(jìn)步，但由于超聲導(dǎo)波仍屬于相對(duì)新穎的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。

(1)理論體系方面。隨著管道的服役工況(溫度、濕度、應(yīng)力、輻射等)日益苛刻，以及形狀特性(彎曲管道、復(fù)合管道、充液管道、非均勻管道等)逐漸復(fù)雜，需要研究在此情況下超聲導(dǎo)波傳播的理論模型和模態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)理，為檢測(cè)信號(hào)的分析和處理提供理論依據(jù)。

(2)磁致伸縮材料方面。磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)普遍偏低，不能很好地兼顧磁致伸縮性能和力學(xué)性能，組織結(jié)構(gòu)可控性和制備工藝的穩(wěn)定性差。需要從磁致伸縮機(jī)理出發(fā)，從制備工藝、合金成分和后處理方法等方面進(jìn)一步改善磁致伸縮材料的綜合性能。

(3)傳感器設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面。目前，傳感器在激勵(lì)單一模態(tài)導(dǎo)波時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生其他模態(tài)導(dǎo)波，并且很容易受到環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致干擾信號(hào)的產(chǎn)生，不利于缺陷檢測(cè)。需要從傳感器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提升超聲導(dǎo)波檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性。