美國西南研究院:研製出新一代磁致伸縮傳感器!

2020-12-08 百家號

導讀

近日，美國西南研究院研發出具有專利權的、更加強大的新一代磁致伸縮傳感器。它能經受住極端的溫度，自動調整頻率，包含了更加強大的磁體，可以更精準地檢測石油、天然氣和化學工業的金屬與非金屬結構，例如管道、存儲罐、錨杆中的潛在問題。

背景

今年春天，筆者為大家介紹過用超聲波結構缺陷的方法。這種方法利用材料及其缺陷的聲學性能差異，通過超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化，來檢驗材料內部缺陷。

下圖中：工地上，技術員正用超聲波相控陣設備，測試管道焊接點的缺損。該檢測裝置由帶有磁輪的框架組成，通過彈簧讓探頭與管道發生接觸。潮溼的區域是超聲波耦合劑，它讓聲波可以穿透管道牆。

（圖片來源：維基百科）

同時，筆者還介紹了一種克服了目前超聲波設備缺點的創新設備，它能應用於並非完全平坦表面的物體。該設備就是美國加州大學聖地牙哥分校開發的一種柔性貼片。它可以使得在各種異形結構（例如發動機零件、渦輪機、反應器彎管和鐵軌）中，進行超聲波成像變得更容易。這種超聲波貼片是一種便捷的多功能工具，可用於檢查機器部件和建築構件的深層缺陷和損壞。

（圖片來源：加州大學聖地牙哥分校）

柔性超聲波換能器陣列設計原理圖

（圖片來源：參考資料【2】）

創新

今天，筆者要再為大家介紹一項用於檢測結構缺陷的新技術，這一次並不是基於超聲波。

近日，美國西南研究院（SwRI）研發出具有專利權的、更加強大的新一代磁致伸縮傳感器。它可以經受住極端的溫度，自動調整頻率，而且包含了更加強大的磁體。這種小巧的磁致伸縮換能器（MsT），能更精準地檢測石油、天然氣和化學工業的金屬與非金屬結構，例如管道、存儲罐、錨杆中的潛在問題。

（圖片來源：SwRI）

技術

這種環形、硬殼的 MsT 傳感器夾在管道和其他結構的周圍，工作範圍是從半英寸到70英寸的圓周。它能檢測材料缺陷、腐蝕以及有產生裂縫與洩漏風險的區域。在僅為1.1英寸的寬度上，MsT 採用了較少的剪切波耦合劑（一種幫助能量傳輸的膠），並且幹耦合（意味著沒有使用耦合劑）時所需的夾緊力較少。

（圖片來源：SwRI）

MsT 傳感器能永久地安裝在結構上，提供持續監測。一個由電池供電的集線器，採集並無線傳輸來自傳感器的數據，且一次可連接多個傳感器。這個集線器可以通過編程自動改變傳感器的頻率，來滿足工業安全標準，即採用至少兩個頻率測試一種結構。

高溫加速了金屬結構中的腐蝕。為此，MsT 設計得可承受住500攝氏度的高溫。它可以安裝在極熱的結構上來檢測缺陷，也可以接受住顯著低於冰點的低溫。

此外，該傳感器可以分段地掃描一個結構，提供更徹底全面的檢查。通過輕輕地撥動內置按鈕，MsT 更輕易地完成從橫嚮導波轉化為縱嚮導波的耗時任務，縱波更適合埋設的管道，而橫波更適合檢測充滿液體的結構。

價值

SwRI 主管工程師、傳感器改進計劃的領導者 Sergey Vinogradov 博士表示：「MsT 系統提供了更高水平的信號強度。這項用戶友好的技術更精準地定位結構問題。這是一種非常可靠、尖端、持久的傳感器，你幾乎能在任何地方安裝它，從海底到空地。」

他還表示：「MsT 小巧且易於安裝，也更加便捷。通過這種經過改善的傳感器，操作員無需改變硬體去改變頻率。而且這個功能是自動的，從而可以減少人工操作的失誤。當每天需要將傳感器安裝在多個、難以安裝的地點時，這個功能顯得特別有用。」

關鍵字

磁、傳感器、結構檢測

參考資料

【1】https://www.swri.org/press-release/swri-magnetostrictive-transducer-nondestructive-evaluation-nde

【2】Hongjie Hu, Xuan Zhu, Chonghe Wang, Lin Zhang, Xiaoshi Li, Seunghyun Lee, Zhenlong Huang, Ruimin Chen, Zeyu Chen, Chunfeng Wang, Yue Gu, Yimu Chen, Yusheng Lei, Tianjiao Zhang, NamHeon Kim, Yuxuan Guo, Yue Teng, Wenbo Zhou, Yang Li, Akihiro Nomoto, Simone Sternini, Qifa Zhou, Matt Pharr, Francesco Lanza di Scalea, Sheng Xu. Stretchable ultrasonic transducer arrays for three-dimensional imaging on complex surfaces. Science Advances, 2018; DOI: 10.1126/sciadv.aar3979

相關焦點

  • 磁致伸縮位移傳感器工作原理及應用
    ，今天小編將介紹另一款傳感器—磁致伸縮位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器憑藉著高精度、高可靠性和穩定性廣泛應用於各個領域，它的工作原理是什麼，它又有著怎樣的特點呢？磁致伸縮位移傳感器定義磁致伸縮位移（液位）傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的；該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應用於成千上萬的實際案例中
  • 磁致伸縮位移傳感器原理
    在鐵磁質中磁化方向的改變會導致介質晶格間距的變化，因而使得鐵磁質的長度和體積發生變化，即：磁致伸縮現象，也稱為威德曼效應，其逆效應為維拉裡效應。
  • 磁致伸縮位移傳感器名詞解釋
    OFweek電子工程網 磁致伸縮位移傳感器（Magnetostrictive Position Sensor），是基於鐵磁性材料磁致伸縮效應而開發的一種具有特殊優點的位移檢測裝置，具有高可靠性、高解析度、非接觸測量、耐油抗汙等特殊優點，能在惡劣的工業環境下，對各種運動部件的位移（位置）、速度進行連續、精確、實時的檢測
  • 知識||磁致伸縮的簡單介紹
    WXH-2Q01磁致伸縮液位計磁致伸縮液位計的傳感器工作時，傳感器的電路部分將在波導絲上激勵出脈衝電流，該電流沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產生脈衝電流磁場。在磁致伸縮液位計的傳感器測杆外配有一浮子，此浮子可以沿測杆隨液位的變化而上下移動。在浮子內部有一組永久磁環。當脈衝電流磁場與浮子產生的磁環磁場相遇時，浮子周圍的磁場發生改變從而使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置產生一個扭轉波脈衝，這個脈衝以固定的速度沿波導絲傳回並由檢出機構檢出。通過測量脈衝電流與扭轉波的時間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置。
  • 交叉線圈式磁致伸縮導波傳感器結構參數優化
    作者：徐江，李勇，劉志偉摘要：為了使交叉線圈式磁致伸縮扭轉導波傳感器中高飽和磁致伸縮帶的振動通過耦合劑和環形線圈傳遞到待測構件，優化其結構參數以提高傳感器的耦合效率，基於交叉線圈式磁致伸縮扭轉導波傳感器的傳感原理，針對環形線圈線徑和覆蓋率這兩個結構參數，從振動耦合機制出發分析了環形線圈結構參數對能量耦合的影響，提出了一種用於環形線圈結構參數設計的優化方法，最後通過實驗驗證了該優化方法的可行性．將通過該方法優化後的最佳線圈線徑和最佳覆蓋率運用到傳感器中，傳感器換能效率提高了28%．
  • 新會磁致伸縮線性位移傳感器領域專家李海全獲評全國勞動模範
    今年，江門共有4人光榮入選，其中，來自新會的磁致伸縮線性位移傳感器領域專家李海全獲評全國勞動模範。面對沉甸甸的榮譽，勞模們滿懷信心地表示，將以收穫榮譽為新的起點，以習近平新時代中國特色社會主義思想為指引，在繼續做好本職工作的同時，發揮好模範帶頭作用，身體力行向全社會傳播勞動精神和勞動觀念，講好勞模故事，踐行勞模精神，鼓勵和帶動更多的勞動者為江門經濟高質量發展建功立業。
  • 可攜式明渠流量計比對裝置為什麼採用磁致伸縮傳感器?
    同時要求可攜式明渠流量計採用磁致伸縮傳感器加標註流量計算公式的方法進行比對。其中液位比對中要求，比對裝置的液位精度≤1mm，每2min讀取一次數據，連續讀取6次，安裝公式完成比對誤差計算。目前採取磁致伸縮傳感器能有效避免這些困擾。測試時，電路單元產生電流脈衝，該脈衝沿著磁致伸縮線向下傳輸，並產生一個環形的磁場。在探測杆外配有浮子，浮子沿探測杆隨著液位的變化從上而下移動。由於浮子內裝有一組永磁鐵，所以浮子同時產生一個磁場。
  • 聲學所成功研製新型聲表面波電流傳感器
    經過近三年的科研攻關，中國科學院聲學研究所超聲技術中心王文課題組將快速響應的聲表面波技術與高磁敏磁致伸縮薄膜技術相結合，成功研製出高靈敏、快速響應和低遲滯誤差的新型電流傳感器。　　王文課題組通過建立聲表面波磁致伸縮效應的電流感知理論，實現了對沉積圖形化磁致伸縮薄膜的新型聲表面波電流傳感器的物理結構優化，提取了獲得高磁敏、快速響應與低磁滯的拓撲結構參數；給出了傳感器微納製作工藝方法，研製出了原型器件，測試結果很好地驗證了分析理論，其靈敏度達到了22kHz/A，解析度可達0.1mA以下，並體現出良好的線性度。
  • 我問風扇磁致伸縮導波檢測技術你懂麼?它搖了一整夜頭!
    管道中磁致伸縮導波的激發基於正磁致伸縮效應，即鐵磁性材料在外加磁場的作用下，材料表面產生彈性形變，在介質中以導波的形式傳播。相應的，磁致伸縮導波的接收基於逆磁致伸縮效應，質點的振動導致鐵磁性材料產生彈性形變，進而導致其內部磁場發生變化。根據材料的形變方式，管道中的導波分為彎曲模態、扭轉模態和縱向模態。
  • 技術論文｜自帶偏置磁路的磁致伸縮合金/ 石英諧振器複合諧振式磁傳感器
    >作者：彭偉民,卞雷祥,黃子軍等 (南京理工大學 機械工程學院) 摘 要:將磁致伸縮材料與石英音叉諧振器複合設計了一種超低功諧振式針對所用 FeGa 合金磁致伸縮效應 的非線性特性,採用永磁體設計了一種緊湊結構的小體積偏置磁路,為其提供了合適偏置磁場。 通過集總參數方法對偏置磁路進行了建模,並使用有限元軟體對沿鐵鎵合金長度方向的磁感應強度分布進行了仿真。 為了減小參數誤差對預測的影響,對 FeGa 處於均勻的磁場中和處於偏置磁路中的2種不同情況,進行了仿真和對比分析。
  • 西南交大胥永剛團隊在高阻尼Fe-Cr-Mo合金研究取得進展
    以往的研究發現，磁致伸縮係數越高，阻尼性能也越大。正磁致伸縮行為是Fe-Cr-Mo合金固有行為，這也使Fe-Cr-Mo合金的應用局限在拉應變性質的振動環境。，西南交通大學胥永剛教授課題組在高阻尼Fe-Cr-Mo合金的合金化領域取得了新的進展，相關研究成果對新型減振器件的研製具有重要意義，有利於拓展Fe-Cr-Mo合金的商業應用。
  • 磁致伸縮界面計導波雷達物位計射頻導納物位變送器
    磁致伸縮界面計導波雷達物位計射頻導納物位變送器（通常在面朝右有條件的情況下，採用等電位位移到發射器的防靜電網片，是一種優秀的防靜電場效應的產物，此方法已獲得市場多年。與物聯網的裝備相比，移動通信時代無需來回複合，速度快，能體現新一代電子技術。
  • 超聲波傳感器工作原理及主要性能指標
    磁致伸縮式超聲波傳感器鐵磁材料在交變的磁場中沿著磁場方向產生伸縮的現象，稱為磁致伸縮效應。磁致伸縮效應的強弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應最大，如果先加一定的直流磁場，再通以交變電流時，它可以工作在特性最好的區域。磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鑽釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率範圍較窄，僅在幾萬赫茲以內，但功率可達十萬瓦，聲強可達幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。
  • 康奈爾大學用可伸縮分布式光纖傳感器研製低成本觸覺手套
    來源：映維網 作者 廣州客康奈爾大學的研究人員日前發明了一種結合低成本發光二極體和染料的光纖傳感器，並帶來成一種可以檢測壓力、彎曲和應變等變形的可伸縮「皮膚」。這種傳感器可以用於機器人系統和XR等領域，並為其提供人類在自然界生存所依賴的豐富觸覺感受。
  • 位移傳感器工作原理及應用
    磁致伸縮位移傳感器屬於位移傳感器的一種，今天小編就繼續為大家帶來位移傳感器的相關知識。什麼是位移傳感器位移傳感器又稱為線性傳感器，把位移轉換為電量的傳感器。如果這種位移傳感器在伺服系統中用作位移反饋元件，則過大的階躍電壓會引起系統振蕩。因此在電位器的製作中應儘量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損。它的優點是：結構簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。2、磁致伸縮位移傳感器原理它主要是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈衝信號來準確地測量位置的。
  • GMM和SAW諧振器複合磁傳感器設計與分析
    隨著材料技術的發展，磁致伸縮材料被用作磁場測量的敏感材料，成為磁傳感領域的重要研究內容。B.Frank等人通過在光纖上蒸發一層磁致伸縮材料，由磁致伸縮引起光纖內光傳播的光程發生變化，可以得到較高的磁場測量精度，但該結構極大地破壞了光纖幹涉臂內光場偏振態的穩定性，從而使整個光纖弱磁場傳感器的穩定性變差。
  • 常見的位移傳感器種類
    7、磁致伸縮式位移傳感器磁致伸縮位移（液位）傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的；該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應用於成千上萬的實際案例中。由於作為確定位置的活動磁環和敏感元件並無直接接觸，因此傳感器可應用在極惡劣的工業環境中，不易受油漬、溶液、塵埃或其它汙染的影響。此外，傳感器採用了高科技材料和先進的電子處理技術，因而它能應用在高溫、高壓和高振蕩的環境中。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。
  • 周界安防傳感器詳解 讓你的監控更科學
    那麼如果一旦發生小偷翻牆的行為，是不是也意味著誰家又要遭殃了，為了讓小區周邊更安全，筆者在這做個知識普及，看看周界安防傳感器有哪些。 　　周界安防傳感器主要分為兩種：幹涉型和非幹涉型;大多數傳感器以非幹涉型為主，光纖傳感器成為未來的主流產品，下面根據不同傳感器工作原理進行細緻分析。
  • 全面解析位移傳感器的分類及原理
    磁致伸縮位移傳感器 磁致伸縮位移傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的 是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈衝信號來準確地測量位置的。測量元件是一根波導管，波導管內的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料製成的。