基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波傳感器可以在鐵磁性材料上激發(fā)和接收超聲導(dǎo)波，與壓電超聲相比，該技術(shù)可以更方便地激發(fā)縱波、扭轉(zhuǎn)波等多種類型的導(dǎo)波，且具有非接觸的特點(diǎn)，因而受到了越來越多的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多關(guān)注軸對(duì)稱加載型的導(dǎo)波，通過激發(fā)出的軸對(duì)稱型縱向?qū)Рɑ蚺まD(zhuǎn)導(dǎo)波 進(jìn)行檢測(cè) ，但是這類導(dǎo)波忽略了被測(cè)管道的周向信息，不能確定缺陷的圓周位置。要獲取被測(cè)管道的圓周信息，必須利用非軸對(duì)稱的周向局部加載型傳感器來產(chǎn)生并接收非軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波。 研究周向局部加載型傳感器特性，首先要從激勵(lì)源對(duì)導(dǎo)波模態(tài)的影響展開研究。而簡(jiǎn)正模態(tài)展開法可以給出導(dǎo)波激勵(lì)問題的物理解釋，具有直觀的物理意義，是一種研究波源影響的有效方法。本文在分析了磁致伸縮導(dǎo)波機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用NME法研究了磁致伸縮傳感器在周向局部激勵(lì)時(shí)的導(dǎo)波模態(tài)特征，得到了各模態(tài)幅值周向分布了隨傳播距離的變化規(guī)律，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，為慣導(dǎo)缺陷的周向定位提提供了理論依據(jù)。
1 周向局部加載型磁致伸縮導(dǎo)波理論
1.1導(dǎo)波機(jī)理研究
磁致伸縮力產(chǎn)生于鐵磁性材料中，對(duì)于非導(dǎo)磁材料或弱導(dǎo)磁材料， 一 般需要在被測(cè)材料表面粘貼高導(dǎo)磁材料（如鐵鉆合金）的條帶，作為磁致伸縮導(dǎo)波產(chǎn)生和接收的載體。
周向局部加載型導(dǎo)波傳感器沒有在管道整個(gè)圓周布置線圈，而只是覆蓋 一 定周向角度。條帶沿軸向預(yù)先磁化，與載流導(dǎo)線產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向平行，可在導(dǎo)波產(chǎn)生和接收過程中提供一 個(gè)穩(wěn)定的偏置磁場(chǎng)。鐵鉆條帶在磁致伸縮效應(yīng)的影響下，在表面產(chǎn)生與激勵(lì)電流同頻率的振動(dòng)，該振動(dòng)隨后被傳遞給待測(cè)管道，產(chǎn)生超聲導(dǎo)波。
磁致伸縮力一般是非線性變化的，與材料屬性、應(yīng)力狀態(tài)、表面條件和之前受到的磁場(chǎng)-機(jī)械載荷等因素有關(guān)。但較小的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)加在較大的偏置磁場(chǎng)上，使得磁場(chǎng)變化量很小，因此可將磁致伸縮力看作是在線性區(qū)間內(nèi)變化的。
1.2 導(dǎo)波模態(tài)分析
利用NME法對(duì)導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行分析，研究磁致伸縮表面力對(duì)導(dǎo)波能量周向分布的影響。磁致伸縮力主要是沿軸向分布的，因此導(dǎo)波傳播時(shí)速度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的軸向分量。
2、周向局部加載型磁致伸縮傳感器實(shí)驗(yàn)研究
2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
實(shí)驗(yàn)鋼管外徑為159 mm, 壁厚4.5 mm, 長(zhǎng)度6 m, 管道材質(zhì)為20#鋼，密度為7 800 kg/m3 , 彈性模量為210 GPa, 泊松比為0.3。激勵(lì)線圈周向覆蓋角度為45 '軸向長(zhǎng)度為50 mm,激勵(lì)頻率為91 kHz, 可激發(fā)出沿軸向傳播的導(dǎo)波。接收線圈由8個(gè)獨(dú)立通道組成，每個(gè)通道線圈周向角度為45 °，通道 1 的線圈與激勵(lì)線圈處千同一母線上，距離激勵(lì)線圈軸向距離為4m。
2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由NME法分析可知，在周向局部加載時(shí)，可激發(fā)出軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱型導(dǎo)波。由圖3可見，在91 kHz時(shí)，L (0 ,2)和F(l ,3)模態(tài)相速度和群速度相近，而與其他模態(tài)的速度相差很大，在時(shí)域圖中L(0,2)和F0,3)會(huì)形成一個(gè)波包進(jìn)行傳播。因此，在計(jì)算周向特征分布時(shí)，只考慮L(0,2)+F0,3)模態(tài)組合形式，即M=O和1。
8通道傳感器接收到的時(shí)域信號(hào)。由頻散曲線中的群速度可知，左側(cè)虛線框中的波包對(duì)應(yīng)L(0,2)+F0,3)模態(tài)導(dǎo)波傳播4m時(shí)的信號(hào)，右側(cè)虛線框中的波包對(duì)應(yīng)L(0,2)+F0,3)模態(tài)導(dǎo)波傳播8m時(shí)的信號(hào)。4m處波包和8m處波包幅值與理論曲線的對(duì)比，可見理論能量分布曲線和實(shí)測(cè)信號(hào)幅值周向分布較為吻合。
將激勵(lì)線圈中心位置記為0 0。導(dǎo)波傳播4m后，0 0位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量最小，而180°位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)，即此時(shí)能量聚焦于180°處。導(dǎo)波傳播8m后，0 0位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量，180 °位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)最小，即此時(shí)能量聚焦千處。
理論值和實(shí)測(cè)值存在一定誤差，這主要是由于接收傳感器數(shù)量較少，而且傳感器粘貼時(shí)存在一定誤差造成的。
3、結(jié)論
本文對(duì)周向局部加載型磁致伸縮傳感器進(jìn)行了研究。通過理論和實(shí)驗(yàn)證明：此類傳感器可以激發(fā)出軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波，隨著導(dǎo)波在管道中傳播，導(dǎo)波能量聚焦在不同的周向角度上，該聚焦點(diǎn)的周向位置與傳播距離有關(guān)。當(dāng)導(dǎo)波遇到缺陷發(fā)生反射時(shí)，可以將缺陷反射的導(dǎo)波信號(hào)等效為此類型的激勵(lì)傳感器激發(fā)的導(dǎo)波信號(hào)，根據(jù)導(dǎo)波傳播特性即可對(duì)缺陷進(jìn)行周向定位。
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