阅读说明：本技术 一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝及其制备方法 (Magnetostrictive waveguide wire capable of improving energy conversion efficiency and preparation method thereof ) 是由 田中山 杨昌群 牛道东 李育特 王现中 郑文轩 唐志峰 陈会明 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝及其制备方法。本发明中磁致伸缩波导丝包括波导丝和磁致伸缩粉末涂层；磁致伸缩粉末涂层为在波导丝的表面均匀喷涂一层磁致伸缩粉末后形成。其制备方法如下：首先使用丙酮溶液清洗波导丝,将波导丝进行预热,遮挡波导丝的盲区段后,将磁致伸缩粉末均匀喷涂在波导丝的表面后使得在波导丝表面形成磁致伸缩粉末涂层；取下遮挡物,对波导丝进行校直处理后,最终制备获得磁致伸缩波导丝。本发明的磁致伸缩波导丝使高频脉冲电流所产生的周向磁场主要集中于涂层内部,提高了同一激励条件下所激发扭转波的强度,使该扭转波传播至拾波线圈时可输出信噪比更高的感应波形,从而降低了信号处理的难度。(The invention discloses a magnetostrictive waveguide wire capable of improving energy conversion efficiency and a preparation method thereof. The magnetostrictive waveguide wire comprises a waveguide wire and a magnetostrictive powder coating; the magnetostrictive powder coating is formed by uniformly spraying a layer of magnetostrictive powder on the surface of the waveguide wire. The preparation method comprises the following steps: firstly, cleaning a waveguide wire by using an acetone solution, preheating the waveguide wire, and after a blind zone section of the waveguide wire is shielded, uniformly spraying magnetostrictive powder on the surface of the waveguide wire to form a magnetostrictive powder coating on the surface of the waveguide wire; and taking down the shielding object, and straightening the waveguide wire to finally prepare the magnetostrictive waveguide wire. The magnetostrictive wave guide wire of the invention ensures that the circumferential magnetic field generated by high-frequency pulse current is mainly concentrated in the coating, improves the strength of the excited torsional wave under the same excitation condition, and ensures that the induced waveform with higher signal-to-noise ratio can be output when the torsional wave is transmitted to the pick-up coil, thereby reducing the difficulty of signal processing.)

一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及了磁致伸缩位移传感器领域的一种磁致伸缩波导丝，尤其涉及一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝及其制备方法。

背景技术

磁致伸缩位移传感器是一种测量物体绝对位移的装置，因其精度高、寿命长、无需定期标定等优势，在石油、化工、水利等需要位移监测的工程领域得到广泛应用。

作为磁致伸缩位移传感器的核心部件之一，波导丝是脉冲电流和导波的共同传输载体，其性能的优劣将直接影响传感器的性能表现。波导丝通常由磁致伸缩材料经冷拉后形成，直径一般在0.5～1.0mm范围内，材料要求具备良好的机械性能以便于加工和抗震，较大的饱和磁致伸缩系数以产生显著的魏德曼效应，较高的机电耦合系数以减少涡流和磁滞损失，较好的热稳定性以减小温度对扭转波波速的影响。

磁致伸缩材料大致可分为金属磁致伸缩材料、铁氧体磁致伸缩材料和稀土超磁致伸缩材料。金属磁致伸缩材料的机械性能和热稳定性较好，便于加工出波导丝所需的丝材，但其饱和磁致伸缩系数和电声转换效率较低，目前常制成中短量程磁致伸缩位移传感器中所需的波导丝。稀土超磁致伸缩材料具有很大的饱和磁致伸缩系数和较高的机电耦合效率，但这类材料本身的脆性较大，难以加工出波导丝所需的丝材，而且由于磁致伸缩位移传感器往往需要工作在存在震动的工业现场，机械性能较差的波导丝将直接降低传感器整体的可靠性。

目前，磁致伸缩位移传感器中所使用波导丝的材料主要为金属磁致伸缩材料，如Fe-Ni、Fe-Ga等，可以在中短量程范围内满足测量的要求。但由于金属磁致伸缩材料本身的属性，在大量程应用场合中面临材料的磁致伸缩系数和机械性能之间的取舍问题，扭转波在波导丝中长距离传播后衰减较大，导致拾波线圈在检测导波时对应的输出信号微弱，信噪比下降明显，从而增大了信号处理的难度并限制了传感器有效量程的进一步提升。

传统大量程磁致伸缩位移传感器所采用的波导丝为满足加工成型的要求，通常选用机械性能较好的磁致伸缩材料，而材料所对应的饱和磁致伸缩系数较小，在相同磁场强度下波导丝的应变量较小。由于激励产生的扭转波在传播过程中受内摩擦、不均匀反射等因素影响而不断衰减，导致传播路径较长时拾波线圈所接收到的导波信号较为微弱，不利于后续信号的分析处理。

发明内容

为了克服目前在大量程磁致伸缩位移传感器中使用单一波导丝材料导致回波信号微弱的问题，本发明提供了一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝及其制备方法。本发明在相同激励条件下可以保证波导丝在保持芯部良好机械性能的同时提高扭转波激发时的换能效率，使拾波线圈通过维拉里效应获得信噪比更高的感应波形。

一、一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝

所述磁致伸缩波导丝包括无涂层波导丝和磁致伸缩粉末涂层；所述磁致伸缩粉末涂层为在无涂层波导丝的表面均匀喷涂一层磁致伸缩粉末后形成。

所述磁致伸缩粉末的颗粒直径为30～40um。

所述磁致伸缩粉末的饱和磁致伸缩系数至少大于200ppm。

所述磁致伸缩粉末的声阻抗与无涂层波导丝的声阻抗相同。

所述磁致伸缩粉末涂层的厚度为磁致伸缩波导丝中的脉冲电流的激励频率所对应趋肤深度的3～5倍。

二、一种可提高换能效率的磁致伸缩波导丝的制备方法

方法包括以下步骤：

首先使用丙酮溶液清洗无涂层波导丝，接着将无涂层波导丝预热到50～200℃，然后用遮挡物遮挡无涂层波导丝两端的盲区段后，用氧气燃料喷涂设备将磁致伸缩粉末均匀喷涂在无涂层波导丝的有效行程段的表面后使得在无涂层波导丝表面形成磁致伸缩粉末涂层；

接着，取下遮挡物，对喷涂有磁致伸缩粉末涂层的无涂层波导丝进行校直处理后，最终制备获得所述磁致伸缩波导丝。

本发明的有益效果在于：

本发明使用饱和磁致伸缩系数较大的粉末均匀喷涂在波导丝表面后形成磁致伸缩粉末涂层，使高频脉冲电流所产生的周向磁场主要集中于涂层内部，提高了同一激励条件下所激发扭转波的强度，使该扭转波传播至拾波线圈时可输出信噪比更高的感应波形，从而降低了信号处理的难度。

本发明的制备方法采用冷喷涂工艺，可以使常规波导丝表面均匀附着一层磁致伸缩粉末，通过该方法可以加工出芯部强度和塑性较好且表面具有较高磁致伸缩系数的波导丝。

附图说明

图1为本发明经过喷涂处理的波导丝长度示意图；

图2为本发明经过喷涂处理的波导丝A-A横截面示意图；

图3为采用本发明中波导丝的磁致伸缩位移传感器的结构示意图；

图4的(a)为未经喷涂处理前拾波线圈所接收的扭转波信号波形，图4的(b)为经过喷涂处理后拾波线圈所接收的扭转波信号波形；

图中，1-拾波线圈，2-活动磁环，3-无涂层波导丝，4-磁致伸缩带材，5-信号处理单元，6-阻尼元件，7-磁致伸缩粉末涂层，8-磁致伸缩波导丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的磁致伸缩波导丝8包括无涂层波导丝3和磁致伸缩粉末涂层7；磁致伸缩粉末涂层7为在强度和塑性较好的无涂层波导丝3的表面均匀喷涂一层磁致伸缩粉末后形成。

磁致伸缩粉末的颗粒直径为30～40um。

磁致伸缩粉末的饱和磁致伸缩系数至少大于200ppm。

磁致伸缩粉末的声阻抗与无涂层波导丝3的声阻抗相同。

磁致伸缩粉末涂层7的厚度为磁致伸缩波导丝中的脉冲电流的激励频率所对应趋肤深度的3～5倍。

磁致伸缩波导丝的制备方法包括以下步骤：

首先使用丙酮溶液清洗待处理的无涂层波导丝3，接着将无涂层波导丝3预热到50～200℃，然后用遮挡物遮挡无涂层波导丝3两端的盲区段后，用高压高速的氧气燃料喷涂设备将颗粒状的磁致伸缩粉末均匀喷涂在无涂层波导丝3的有效行程段的表面后使得在无涂层波导丝3表面形成磁致伸缩粉末涂层7；无涂层波导丝3分为两端的盲区段和中部的有效行程段。

接着，取下遮挡物，对喷涂有磁致伸缩粉末涂层7的无涂层波导丝3进行校直处理后，最终制备获得磁致伸缩波导丝8。

以下结合本发明的内容提供一个实施例。

无涂层波导丝3采用Fe-Ni合金，直径为1mm。喷涂所用磁致伸缩粉末为Fe-Ga合金粉末，磁致伸缩粉末的直径为30～40um，磁致伸缩粉末涂层7的厚度约为200um。

如图3所示，将磁致伸缩波导丝8安装到磁致伸缩位移传感器中，磁致伸缩位移传感器主要由拾波线圈1、活动磁环2、磁致伸缩波导丝8、磁致伸缩带材4、信号处理单元5和阻尼元件6组成；

磁致伸缩波导丝8两端分别套装有阻尼元件6，磁致伸缩带材4通过焊接工艺固定于磁致伸缩波导丝8表面，活动磁环2穿过磁致伸缩波导丝8，活动磁环2沿着磁致伸缩波导丝8在磁致伸缩波导丝8的有效行程段移动；磁致伸缩带材4的中部固定套装有拾波线圈1，信号处理单元5与拾波线圈1电连接。

本发明的工作原理如下：

活动磁环将磁致伸缩波导丝8磁化后在磁致伸缩波导丝8内部形成静态轴向磁场。当向波导丝通入频率较高的脉冲电流时，由于趋肤效应的作用，由此产生的瞬时周向磁场主要集中于磁致伸缩系数较大的粉末涂层中，遇到轴向磁场后通过魏德曼效应激励出扭转波并以一定速度向两端传播。当该导波信号传播至拾波线圈时，通过维拉里效应在拾波线圈中产生相应的电压信号。本发明采用饱和磁致伸缩系数较大的粉末喷涂于波导丝表面，使波导丝在保持芯部良好的机械性能的同时增大了由磁致伸缩引起的应变，从而有效提高了所激发导波的能量转换效率。

如图4的(a)和图4的(b)所示，活动磁环位于同一位置且保持相同激励条件，拾波线圈在波导丝未经喷涂时接收到的扭转波信号幅值约为1.4V，而在有涂层的条件下信号幅值约为3.2V。以上结果表明，波导丝经过粉末喷涂处理后可以使拾波线圈在扭转波到达时获得信噪比更高的感应波形，便于后续处理与分析。