磁致伸缩导波检测原理

   导波(guided wave)具有单点激励即可实现长距离快速检测的优点，近年来得到了广泛的应用。导波指在有界介质（如管、板、杆等）中平行于介质边界并以超声或者声频率传播的机械波（或弹性波），导波传播介质称为波导。导波在传播过程中遇到缺陷或边界条件发生改变时会发生发射，从而可以应用于检测。由于能量被限制在波导内部，导波能够传播很长距离，例如，在状况良好的桥梁索杆中导波一般可传播数十甚至上百米的距离，因而使用导波技术可以从总体上提高检测效率和降低检测成本。导波的传播需要对象横截面上全部质点的参与，因而能够检测桥梁索杆整个端面。导波检测的优势如图1所示。

图1 导波技术相对传统检测方法的优势

磁致伸缩导波传感器利用电磁场和铁磁材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现能量耦合和信号转换，检测时允许一定的提离距离（一般可达几厘米）而不需要与被检对象直接接触。由于传感器的提离距离可达几厘米，在检测过程不需要拆除PE，因此它尤其适用于带PE保护层桥梁索杆的在役检测。磁致伸缩导波检测原理的基础是磁致伸缩(或Joule)效应及其逆(或Villari)效应。铁磁体在外磁场中被磁化时，其外型尺寸会发生变化，即产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发应力波，这种应力波实际上是结构导波，也是一种弹性波。反过来，当铁磁中存在缺陷时其声阻将发生变化，从而引起导波的反射、透射等，进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化，而变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化，通过测量电压信号即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹、破损等缺陷。

根据磁致伸缩导波检测原理和信号处理要求设计的检测系统结构框如图2所示。整个检测系统由主机、激励传感器、接收传感器和前置放大器组成，通过弹性波激励和接收，实现构件的检测。利用系统实现检测的过程是：首先将激励传感器和接收传感器安装在待测构件上，待测构件可有包覆层且表面无需处理，再利用便携计算机控制信号发生单元产生特定频率正弦波信号。正弦波信号输入到门控电路，在计算机的控制下产生特定宽度和间隔的门控信号。正弦波信号在门控信号的控制下经功率放大器放大后传输到激励传感器，通过磁致伸缩效应在待测构件中产生弹性波，接收传感器利用逆磁致伸缩效应将弹性波信号转换为电信号，信号经前置放大器后进入放大滤波单元处理后通过信号采集端口进入数据采集单元，经其中的A/D转换器后进入计算机，经计算机处理后得到构件的检测结果。

    检测系统如图3所示，整个检测样机由系统主机、激励和接收线圈、磁化器、前置放大器，连接器和连接线缆组成。激励和接收线圈适应于直径32-609mm范围内的桥梁索杆检测。磁化器也需要根据管道规格进行多个搭配使之处于最佳的工作状态。连接线缆保证主机与传感器的距离可达30m以上。

图2 系统结构框图

图3 磁致伸缩导波检测系统样机

    检测软件的主要功能有信号发生单元控制、门控单元控制、数据采集、数据分析、数据处理、数据压缩等。根据软件平台体系结构的特征，将软件分为采集控制和数据分析处理两个模块。软件的采集和数据分析界面如图4所示。