超磁致伸缩振源的制作方法

本发明涉及弹性波无损检测技术领域，具体的说是一种超磁致伸缩振源。

背景技术：

对于各类已经固定、安装设置的金属器件、设备，在对其损坏、腐蚀等情况进行检测时，一般采用拆解或者取出的方式，进行直接观察。但是对于工程量浩大或者贵重设备来说，拆解或者取出的耗费的精力或者人力都极高，不合适将其取出进行检查。

例如，接地网，接地网存在于电力系统的各个环节中，是电力系统中极为重要的一部分。由于经济条件限制，我国的接地网大量使用钢材，传统接地网一般使用的材料为镀锌扁钢，最近也开始使用铜覆扁钢作为接地网材料，而国外则普遍使用纯铜作为接地网材料。接地网直接埋于土壤之下，铜材料具有较好的抗腐蚀能力，即便在土壤中的埋设时间超过10年，其依旧可以保持较好的性能并不受到腐蚀或断裂，因此国外对于接地网缺陷方面的研究较少。接地网的缺陷会造成巨大的经济损失和社会影响。在我国，因接地网腐蚀、断裂等缺陷引起的电力系统的事故时有发生，每次事故都会造成巨大的经济损失。接地网引下线部分位于地面上暴露于空气中，部分埋于土壤中。在我国气候潮湿的南方地区，土壤透气性和湿度变化大。由于原电池效应，接地网引下线的腐蚀速度明显高于接地网水平导体，再加上有时接地网引下线需要承载很大的故障电流，而故障电流会产生较大的电动力。因此，接地网引下线是整个接地网中最容易出现缺陷的部分，所以对接地网引下线的故障诊断和状态评估的研究显得尤为重要。对于接地网引下线的检测，目前常用的方法就是传统的开挖式检测，即对整个接地网进行开挖，再用敲击或肉眼观察对地网的腐蚀进行判断。这种检测方法存在如下几个问题：①工程量大。一般接地网的覆盖面积较大，埋深也较深，若采用开挖的方式对引下线进行检测，工程量大。②影响范围广。若对发电厂或变电站接地网以开挖的方式进行检测，由于工期较长，将导致发电厂或变电站停运，会产生大范围的影响。③检测结果不准确。接地网的开挖式检测中，很多情况下采用的是通过肉眼观察接地网引下线是否发生腐蚀或断裂现象的方式进行检测，这样的检测方式对于接地网引下线中因质量问题而产生的内部空洞或者内部腐蚀产生的缺陷现象无法做出有效的判定。因此，需要发展不需要挖掘的方便且经济的检测方法,以便在发生接地故障(例如接地引下线腐蚀和断裂)之前对接地电极进行早期诊断。

随着技术的发展，今年来出现了冲击式弹性波诊断方法，如何设计出一个精确可控、性能可靠的振源是弹性波诊断技术的关键。工程上常用锤子或炸药等激振装置冲击产生弹性波。这种方式产生的能量不易控制，在对接地网引下线的缺陷进行定量分析时会产生一定的困难。而且炸药受法律管控，且若炸药当量控制不佳时，极易对被检测件设备造成损害。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种超磁致伸缩振源，通过使用超磁致伸缩材料，通过向激励线圈发射阶跃激励信号，触发超磁致伸缩材料棒激振，从而产生振动。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种超磁致伸缩振源，其关键技术在于：包括激励线圈，该激励线圈内沿轴向设置有磁致伸缩材料棒，该磁致伸缩材料棒的伸缩端方向上设置有弹性振动输出件，所述磁致伸缩材料棒远离伸缩端的一端设置有限位端盖，当所述磁致伸缩材料棒在所述激励线圈作用下沿伸缩端方向产生形变时，所述弹性振动输出件的检测端沿其形变方向运动。

通过上述设计，磁致伸缩材料为核心，利用磁致伸缩效应进行激振的精确振源。当磁致伸缩材料棒受到激振伸缩时，由于磁致伸缩材料棒一端被限位端盖限位，则其伸缩端会发生一定的位移，并且作用于弹性振动输出件，弹性振动输出件的检测端随着磁致伸缩材料棒的伸缩方向一起振动，从而形成振动源。该形成的振动源撞击目标体，从而产生振动信号的振源。为了避免振动波信号与缺陷反射信号相互叠加干扰对引下线的缺陷诊断，磁致伸缩振源可以利用瞬变电磁发射机发射电流波形的上升沿进行单次触发的方式。

再进一步的技术方案，所述磁致伸缩材料棒远离伸缩端的一端设置有预应力作用机构，该预应力作用机构的作用力作用在所述磁致伸缩材料棒上，且作用方向沿所述磁致伸缩材料棒伸缩端的伸缩方向。

当磁致伸缩材料不受预应力作用时，材料中磁畴磁化强度方向随机分布。当磁致伸缩材料受到轴向预压应力作用时，材料中的磁畴统一朝作用力方向的径向偏转。此时，在预压应力方向上，磁致伸缩材料会缩短。因此，在相同的激励磁场下，预压应力的作用下的磁致伸缩材料将得到更大的饱和磁致伸缩位移，从而使磁致伸缩振源产生更好的激振效果，这便是在磁致伸缩振源中引入预压应力设计的一个主要原因。

再进一步的技术方案，所述预应力作用机构包括固定在所述限位端盖上的平头螺钉，该平头螺钉的平头端抵接在所述第二偏置磁铁上。

采用上述方案，通过旋转平头螺钉，通过改变螺纹的深度来改变预应力的大小，从而结合不同尺寸的振动源采用不同作用力的预应力作用于磁致伸缩材料棒。

再进一步的技术方案，在所述磁致伸缩材料棒的伸缩端与所述弹性振动输出件之间设置有第一偏置磁铁；在所述磁致伸缩材料棒远离伸缩端的一端与所述限位端盖的覆盖面之间设置第二偏置磁铁。

设置第一偏置磁铁、第二偏置磁铁即为在振动源内引入偏置磁场。偏置磁场的作用是：当驱动信号采用周期信号时，施加偏置磁场可消除倍频效应的两倍)，实现磁致伸缩材料与驱动磁场的共振。同时，施加偏置磁场还有助于改变磁致伸缩材料棒内磁场的线性度。因此，偏执磁场的设计对于磁致伸缩振源至关重要。偏置磁场一般可采用永磁铁磁场、电磁铁磁场以及磁筒磁场。

再进一步的技术方案，超磁致伸缩振源还包括振源筒，该振源筒的振动输出端经振动端盖密封，所述弹性振动输出件的检测端穿出所述振动端盖；所述振源筒远离振动输出端的一端经所述限位端盖密封。所述振源筒、振动端盖、限位端盖均采用铁硅合金材料。

磁致伸缩振源由偏置磁铁提供偏置磁场，线圈提供驱动磁场，但是在磁致伸缩振源中并未能形成一个闭合磁路，会有较大的漏磁。采用上述方案，振源筒、振动端盖、限位端盖三部分形成导磁路。并且三者均采用铁硅合金材料，其具有良好的磁性能，磁导率高、矫顽力小，铁心损耗小。

再进一步的技术方案，所述振源筒、振动端盖、限位端盖的厚度一致。

再进一步的技术方案，所述振源筒、振动端盖、限位端盖的厚度为5mm。

再进一步的技术方案为：在所述振源筒的内壁上凸出有一圈限位固定台阶，该限位固定台阶包括线圈安装面、包围面、弹性振动限位面；所述限位固定台阶包括线圈安装面侧设置有所述激励线圈；该限位固定台阶的包围面包围形成的空间内设置有所述第一偏置磁铁；所述弹性振动输出件包括凸台，该凸台阶梯面与所述限位固定台阶弹性振动限位面相抵接；所述凸台底部沿轴向连接有弹簧，该弹簧另一端抵接在所述振动端盖上；所述弹簧内设置有一根伸缩杆，该伸缩杆的固定端和所述凸台底部固定连接，所述伸缩杆远离固定端的一端作为所述弹性振动输出件的检测端，并穿过所述振动端盖。

采用上述方案，激励线圈被固定在限位端盖和限位固定台阶之间，当打开限位端盖，激励线圈自由取出。第一偏置磁铁抵接在磁致伸缩材料棒的伸缩端，弹性振动输出件和第一偏置磁铁抵接，使磁致伸缩材料棒、第一偏置磁铁和弹性振动输出件设置在同一线上，并且当磁致伸缩材料棒发生伸缩时，带弹性振动输出件来回伸缩，并且弹性振动输出件的检测端不断振动。弹性振动输出件包括凸台和连接在凸台底部的伸缩杆，其中凸台的阶梯面与限位固定台阶的弹性振动限位面抵接，当磁致伸缩材料棒收缩时，可以控制检测端回收距离长度。并且通过在伸缩杆外穿设弹簧，一端固定在凸台底部，一端悬空设置，当凸台顶端受到磁致伸缩材料棒的伸长作用时，弹簧移动直至抵接在振动端盖上，并且继续作用，使弹簧挤压后，伸缩杆穿过振动端盖，从振动端盖伸出。磁致伸缩材料棒收缩时，伸缩杆随之收缩。

再进一步的技术方案，在所述振动端盖的检测面侧还平行活动连接有一块固定板，所述振动端盖与所述固定板之间的活动间隙用于固定被检测件，所述弹性振动输出件的检测端在所述被检测件上振动。

采用上述方案，所述振动端盖与所述固定板之间的活动间隙用于固定被检测件，并且可以根据被检测件的尺寸自适应调整，其中伸缩杆从振动端盖伸入至活动间隙内，用于在被检测件上产生振动，实现对被检测件进行检测。

再进一步的技术方案，所述第一偏置磁铁、第二偏置磁铁采用钕铁硼永磁铁。

再进一步的技术方案，所述磁致伸缩材料棒采用铁镓合金材料。

铁镓合金材料独一无二地兼具了机械性能和磁致伸缩特性，填补了传统铁镍磁致伸缩材料与铽镝铁材料之间的空白。传统铁镍磁致伸缩材料磁致伸缩系数低，输出振动信号弱。铽镝铁材料虽磁致伸缩系数高，但材料脆性大，工作时易碎裂。目前设计的铁镓合金磁致伸缩振源已参与实验两年有余，其内部铁镓合金材料棒依旧十分完好。

本发明的有益效果：采用磁致伸缩材料棒、偏置磁场、导磁路、预应力加载装置进行了设计，研制出了一款超磁致伸缩振源。

使用超磁致伸缩材料可以使振源的能量转换效率大幅提高，铁镓合金材料的机械性能更优，抗拉强度是铽镝铁材料的14倍，在设计磁致伸缩振源时应采用机械性能更佳的铁镓合金材料。铽镝铁材料除机械性能外其他参数均优于铁镓合金材料，在设计高频传感器时可采用铽镝铁材料。

施加偏置磁场可消除倍频效应，使磁致伸缩振源在扫频工作状态下实现振源与驱动磁场的共振。偏置磁场可以极大的提高超磁致伸缩材料棒内磁场分布均匀性，使振源输出性能更优。

导磁路的增加可以减小漏磁与损耗。

铁镓磁致伸缩材料的磁致伸缩性能随预压应力的增加而增加。

附图说明

图1是本发明超磁致伸缩振源的整体示意图；

图2是本发明超磁致伸缩振源的截面图；

图3是本发明超磁致伸缩振源的俯视图；

图4是磁致伸缩应力大小tm与磁感应强度b的关系示意图；

图5是预应力-饱和磁致伸缩系数关系曲线图；

图6是初始磁化曲线图；

图7是偏置磁铁对磁致伸缩棒内磁场的改善效果图；

图8是fe83ga17磁致伸缩材料棒内的磁通密度与导磁路厚度d1的关系示意图；

图9是加装导磁路与未加装导磁路的磁致伸缩振源中fe83ga17磁致伸缩材料棒内磁通密度的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

结合图1-3可以看出，一种超磁致伸缩振源，包括激励线圈5，该激励线圈5内沿轴向设置有磁致伸缩材料棒6，该磁致伸缩材料棒6的伸缩端方向上设置有弹性振动输出件14，所述磁致伸缩材料棒6远离伸缩端的一端设置有限位端盖3，当所述磁致伸缩材料棒6在所述激励线圈5作用下沿伸缩端方向产生形变时，所述弹性振动输出件14的检测端沿其形变方向运动。

在本实施例中，所述磁致伸缩材料棒6采用铁镓合金材料。所述磁致伸缩材料棒6采用fe83ga17合金。

其中，磁致伸缩数学模型为：可以使用磁化的非线性方程计算出沿着任何方向的磁致伸缩分量，磁化的非线性方程如下所示：

沿着方向i的磁致伸缩伸长量λi取决于磁致伸缩常数λs和磁化方向余弦值αi。磁化方向余弦值αi是沿着磁化方向的磁化强度mi和材料的饱和磁化强度ms之比。

将式3.3带入式3.2可得

在上式中的-1/3项表示在没有任何外磁场或预应力的情况下，材料中的磁矩是随机的。在设计中，会给磁致伸缩材料施加足够的预应力，所以在磁化过程开始时，所有的磁矩都会垂直于磁化方向，因此在给磁致伸缩材料施加足够预应力的情况下可以忽略-1/3项，于是可以得到在实际建模中使用的磁化方程：

由此可以看出，沿着某一方向的磁致伸缩伸长量取决于磁致伸缩常数λs与沿着该方向的磁化强度mi。

对于磁滞现象，可采用吉尔斯-阿瑟顿模型进行描述:

mrev＝c(man-mirr)(3.8)

mi＝mirr+mrev(3.9)

上述方程组中man为无磁滞化强度，ms为磁致伸缩材料棒的饱和磁化强度，he为有效磁场强度，a为磁致伸缩材料棒无磁滞磁化强度形状系数，mirr为不可逆磁化强度，σ为施加于磁致伸缩材料棒上的轴向应力，e为磁致伸缩材料杨氏模量，ξ为磁致伸缩材料单位体积能量耦合系数，mrev为可逆磁化强度，c为可逆系数，计算中一般可视为常数，h0为初始磁场强度。

对于磁化强度mi与应力σ之间的关系，采用磁机械耦合模型来进行描述

对于磁化强度mi与磁场强度h之间的关系，可采用微分磁化率进行描述

上式中，当磁场强度增加时δ＝+1，当磁场强度减少时δ＝-1。

倍频效应

倍频效应是指磁致伸缩棒振动的频率是其磁场交变磁场的两倍，因此称之为倍频效应。在磁致伸缩材料中，其形变均有一个重要特性，即磁致伸缩材料的磁致伸缩系数λ近似正比于磁感应强度b的二次方：

上式中，k(b)表示比例函数，是关于磁感应强度b的函数。

磁致伸缩材料会由于磁致伸缩材料内部产生的磁致伸缩应力tm而发生形变，由hooke定律可得：

式中e为磁致伸缩材料的杨氏模量，可得

tm＝e×k(b)×b²＝f(b)×b²(3.15)

上式中f(b)为比例函数，磁致伸缩应力的大小与磁感应强度b呈二次函数关系详见图4。

假设驱动磁场为一个随着时间而周期变化的磁场：

b＝bmsin(ωt)(3.16)

将3.16式带入3.15式可得：

上式中可将f(b)×bm2项视为常数k’，可得：

由此可见，磁致伸缩棒中由驱动磁场而产生的磁致伸缩应力中存在两个部分，一是恒定应力部分，二是交变应力部分，且交变应力的频率为驱动磁场频率的两倍，因此称之为倍频效应。

在本实施例中，结合图2可以看出，所述磁致伸缩材料棒6远离伸缩端的一端设置有预应力作用机构1，该预应力作用机构1的作用力作用在所述磁致伸缩材料棒6上，且作用方向沿所述磁致伸缩材料棒6伸缩端的伸缩方向。

在本实施例中，所述预应力作用机构1包括固定在所述限位端盖上的平头螺钉，该平头螺钉的平头端抵接在所述第二偏置磁铁11上。

由图5可见，在激励磁场的作用下，施加预压应力后的磁致伸缩材料棒伸长量λx等于预压应力产生的磁致伸缩材料棒缩短量λk与不施加预压应力时的磁致伸缩材料棒伸长量λ之和。如λx＝λ+λk。表1为铁镓合金材料预应力与磁致伸缩系数的关系，根据表1可以拟合出预应力-饱和磁致伸缩系数关系曲线，详见图5。

表1铁镓合金材料预应力与磁致伸缩系数的关系表

随着施加的预应力从0mpa提升到21mpa时，饱和磁致伸缩量系数不断增加，从240ppm提升到了300ppm，磁致伸缩性能提升幅度达到了25％，同时饱和磁致伸缩系数的增加速度也不断上升，由最初的10ppm/7mpa增加到了30ppm/7mpa，增长幅度达到了300％。但在预应力达到了28mpa后，饱和磁致伸缩系数随着预应力不断增大，但其增加速度却严重下降，预应力从28mpa提升到42mpa时，饱和磁致伸缩系数仅从315ppm增长到了320ppm，增长幅度仅为1.5％。铁镓合金虽然具有较高的抗拉强度，但其抗压强度却较低，为100mpa，疲劳强度仅为75mpa，因此在对fe83ga17磁致伸缩振源进行预应力设计时，需要考虑单位预应力所带来的效用。为了避免施加的预应力过大，从而致使磁致伸缩振源寿命降低。因此，必须避免预应力在铁镓合金疲劳强度的范围附近。考虑到预应力达到了28mpa后，提升预应力所带来的效用增加不明显，但致使磁致伸缩材料损坏的风险逐渐增大，最终决定采用28mpa的预应力作为fe83ga17磁致伸缩振源的预应力。该预应力通过磁致伸缩振源端盖顶部的m5螺丝提供。

在本实施例中，经计算，该m5螺丝在采用28mpa的预应力时受力为549.8n，采用3.6级的m5螺丝提供预应力即可。

在本实施例中，结合图2还可以看出，在所述磁致伸缩材料棒6的伸缩端与所述弹性振动输出件14之间设置有第一偏置磁铁13；在所述磁致伸缩材料棒6远离伸缩端的一端与所述限位端盖3的覆盖面之间设置第二偏置磁铁11。

当磁场强度h由0逐渐变大时，磁感应强度b也将随之增大，其初始磁化曲线见图6。从坐标原点到a点，刚开始磁化时，由于外磁场较弱，磁感应强度增加较慢。从a点到b点，随着外磁场的加强，fe83ga17合金内部大量磁畴开始转向，趋于外磁场方向，此时磁感应强度增加的最快。从b点到c点，由于fe83ga17合金内部大部分磁畴已转向，可转向的磁畴越来越少，因此磁感应强度增加的速度变慢，直至c点达到饱和。从c点到d点，饱和后的fe83ga17合金磁化曲线则与非铁磁材料的初始磁化曲线相平行，磁感应强度随磁场强度增加而增加的非常缓慢。结合偏置磁场消除倍频效应的原理，磁致伸缩振源的偏置磁场强度应设置在hx处为最佳，该点的位置应位于ha至hc之间，应满足：

此时，fe83ga17合金磁致伸缩材料棒的磁致伸缩量△l部分由驱动磁场产生δlx，部分由偏置磁场产生δlp。

采用两块市场常见规格φ14*10mm的的钕铁硼永磁铁用comsol软件在不同偏置磁铁规格下进行仿真。得到如表2所示的不同偏置磁铁规格下fe83ga17棒内的磁场数据。

表2不同偏置磁铁规格下fe83ga17棒内的磁场

在表2中，在使用n48规格剩余磁通密度1.4t的钕铁硼永磁铁作为偏置磁铁时，fe83ga17磁致伸缩材料棒内的磁通密度均匀性最佳，磁通密度均匀系数可达到92.70％，是无偏置磁铁的磁致伸缩材料棒的磁通密度均匀系数的13.90倍。此时，bmax为1.165t，是无偏置磁铁的磁致伸缩材料棒的最大磁通密度0.6t的1.94倍。所以，在使用n48规格的钕铁硼偏置磁铁时磁致伸缩棒内磁通密度分布均匀性最佳，磁致伸缩材料棒内各部分输出最一致，输出效果最佳。偏置磁铁对磁致伸缩棒内磁场的改善效果如图7所示。

在本实施例中，在设计fe83ga17磁致伸缩振源时，偏置磁场最终采用了两块n48规格圆柱形钕铁硼永磁铁。

结合图2还可以看出，还包括振源筒4，该振源筒4的振动输出端经振动端盖8密封，所述弹性振动输出件14的检测端穿出所述振动端盖8；所述振源筒4远离振动输出端的一端经所述限位端盖3密封。

在本实施例中，限位端盖3采用螺钉与振源筒4相固定密封，所述振源筒4与振动端盖8通过螺钉固定连接。

在本实施例中，所述振源筒4、振动端盖8、限位端盖3均采用铁硅合金材料。铁硅合金又称为“电工钢”，其具有良好的磁性能，磁导率高、矫顽力小，铁心损耗小。对于导磁路的设计，最主要的部分是对导磁路的厚度进行设计。利用comsol软件对导磁路建立模型，振源筒4、振动端盖8、限位端盖3采用同样的厚度，对导磁路的厚度d1进行参数化扫描，得到fe83ga17磁致伸缩材料棒内的磁通密度与导磁路厚度d1的关系，结合图8，随着导磁路厚度的增加，fe83ga17磁致伸缩材料棒内磁通密度均匀系数β逐渐减小，棒内磁通密度均匀度越差。磁通密度均匀系数与导磁路的厚度d1的关系如表3所示。

表3磁通密度均匀系数β与导磁路的厚度d1的关系表

从表中可以得出：磁通密度均匀系数β随导磁路厚度的增加而下降，但磁通密度均匀系数β的下降速度逐渐减缓，尤其是在导磁路的厚度d1达到5mm后，此时磁通密度均匀系数β的下降速度非常缓慢。但随着导磁路厚度的增加，磁致伸缩材料棒内的磁通密度也会随着导磁路厚度的增加而增大。在采用厚度为1mm的导磁桶方案时，磁通密度的均匀系数最佳，磁通密度均匀系数β为89.35％，但此时磁致伸缩棒中最大磁通密度未达到饱和值。在导磁桶厚度为5mm时，磁致伸缩棒中最大磁通密度已达到饱和值，此时磁致伸缩棒中磁通密度均系数β虽较1mm的导磁桶方案下降了2.86％，但磁致伸缩棒内最大磁通密度却上升了近5.07％。继续加大导磁路厚度，磁致伸缩棒中磁通密度上升很少，所带来的效用不大。因此，对于导磁路的设计，本实施例中，最终采用了厚度为5mm的导磁桶方案

加装导磁路的磁致伸缩振源中，fe83ga17磁致伸缩材料棒内磁通密度均匀度极佳，并且磁致伸缩棒内磁通密度达到了饱和磁通密度，较不加装导磁回路的设计方案中磁致伸缩棒内磁通密度增加了37％。加装导磁路与未加装导磁路的磁致伸缩振源中fe83ga17磁致伸缩材料棒内磁通密度对比如图9所示。从图中可以看出，导磁路降低了漏磁，对磁致伸缩棒内磁通密度有很大影响.

结合图1-3还可以看出，在所述振源筒4的内壁上凸出有一圈限位固定台阶18，该限位固定台阶18包括线圈安装面、包围面、弹性振动限位面；所述限位固定台阶18包括线圈安装面侧设置有所述激励线圈5；该限位固定台阶18的包围面包围形成的空间内设置有所述第一偏置磁铁13；所述弹性振动输出件14包括凸台，该凸台阶梯面与所述限位固定台阶18弹性振动限位面相抵接；所述凸台底部沿轴向连接有弹簧，该弹簧另一端抵接在所述振动端盖8上；所述弹簧内设置有一根伸缩杆，该伸缩杆的固定端和所述凸台底部固定连接，所述伸缩杆远离固定端的一端作为所述弹性振动输出件14的检测端，并穿过所述振动端盖8。

结合图2可以看出，在所述振动端盖8的检测面侧还平行活动连接有一块固定板10，所述振动端盖8与所述固定板10之间的活动间隙用于固定被检测件9，所述弹性振动输出件14的检测端在所述被检测件9上振动。在本实施例中，振动端盖8与所述固定板10之间通过螺栓螺母连接固定并设置活动空间的距离。

结合图3还可以看出，在限位端盖3上还开有穿线孔17，用于穿线将激励线圈与瞬变电磁发射机相连接，瞬变电磁发射机发射阶跃激励信号，利用阶跃信号的上升沿触发超磁致伸缩振源激振。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。