基于Terfenol-D材料的刀型结构超声导波激励换能器的研究

摘要

随着国民经济的迅猛发展，管道在消防、冶金、石油等方面的运输中承担着越来越重要的作用。然而管道由于所处环境恶劣、检测维修周期长，导致管线因为破损、腐蚀而发生泄漏。现有检测方法虽然检测精度高但效率低下且耗费财力，超声导波无损检测技术因其具有一次性长距离的检测、且只需在安装检测装置的位置剥离包覆层等优点而获得广泛关注。 因激励换能器的性能直接决定了导波检测的效果，且激励换能器的性能主要取决于其敏感材料的性能。目前常用PZT作为制作激励换能器的敏感材料，由于该材料机电耦合系数较低，且产生的激振能量不够大，故这种材料制作的换能器尚存在着不足。相较于PZT，Terfenol-D具有巨大的磁致伸缩系数、高的能量转化效率、微秒级的响应速度等优点，可通过线圈来励磁，所需的负载电压较小，因此可用于制作激励换能器。因此，本文利用Terfenol-D材料作为设计激励换能器的敏感材料，将换能器产生的振动耦合入待测管道，使其产生导波。 通过将Terfenol-D材料设计成一端较薄另一端较厚的刀型以解决Terfenol-D换能器无法在管道外表面中间的任意位置产生导波的问题。在薄端绕制励磁线圈，薄端端部放置三片永磁铁为Terfenol-D材料提供偏置磁场。对线圈的参数进行优化，使线圈以最小的励磁功率激励出所需的交变磁场，从而确定敏感材料薄端的尺寸，并对换能器的性能进行评定，对影响换能器激励性能的厚端尺寸进行实验。研究结果表明：当厚端厚度为2.5mm、长度为13mm时得到的回波反射系数和回波幅值较大。对励磁线圈产生的交变磁场强度进行了理论分析，通过实验验证了线圈参数对换能器性能的影响，结果表明：当线圈线径为0.21mm、匝数为180匝时，换能器的性能较好。实验研究了背衬层的厚度和粘接方式对接收信号噪声的影响，结果表明：当刀型Terfenol-D材料厚端的上表面用环氧树脂胶粘接5mm厚的背衬层时，换能器对应的回波反射系数和回波幅值较大。 将所研制的 Terfenol-D 材料换能器和传统的用 PZT 材料制作的换能器，在长为10.34m的管道（含三道焊缝）上进行检测，研究结果表明：当用自行研制的换能器进行激励时，其接收信号中缺陷的回波反射系数和焊缝回波幅值均高于PZT换能器，且衰减较低，可见自行研制的换能器的性能比传统的PZT换能器的性能好。

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