应用物理  >> Vol. 9 No. 3 (March 2019)

对称激变磁场相互作用及其特性研究
Interaction of the Symmetric Excitation Magnetic and Its Character Research

DOI: 10.12677/APP.2019.93015, PDF, HTML, XML, 下载: 453  浏览: 1,442  国家自然科学基金支持

作者: 刘美全*, 郎 宾, 黄天辰*:陆军工程大学石家庄校区,河北 石家庄

关键词: 电磁波波速磁脉冲 Electromagnetic Wave Wave Velocity Magnetic Impulse

摘要: 在漏磁检测磁化实验中发现同向强磁场相互作用会产生一种新的物理现象——激磁脉冲波现象。激磁脉冲波是一种同极性磁场相互作用,在相互作用过程中,极大的磁场梯度使磁场能向磁场梯度小的区域移动传播而形成的磁性脉冲波。本文深入研究了激磁脉冲波现象的物理本质,并将其描述为两个同极性磁场的撞击过程。在此基础上,设计了有效的激发和接收装置,并对激磁脉冲波的波速、介质中的传播特性和感生电磁波的特性进行了实验研究。结果表明激磁脉冲波非常适宜应用于信息通讯和目标探测,因此,进一步研究激磁脉冲波具有非常重要的意义。
Abstract: The phenomenon of Excitation Magnetic Impulse Wave (EMIW) is a new physical phenomenon discovered in the procedure of the magnetization of the Magnetic Flux leakage Test. In this paper a pilot study is carried out to explore the physical essence of the phenomenon, which can be described as the impact of two homopolar magnetic fields. Moreover, effective excitation and receiving device are successfully designed in experiments, and we realize the primary analyses and study on its velocity, the characteristic of the induced electromagnetic and propagation characteristic in medium. The results show that EMIW is extremely suitable to apply to the fields of information communication and object detection, so it is most essential to spend more time on the EMIW research.

文章引用: 刘美全, 郎宾, 黄天辰. 对称激变磁场相互作用及其特性研究[J]. 应用物理, 2019, 9(3): 127-132. https://doi.org/10.12677/APP.2019.93015

1. 引言

在国家自然科学基金资助项目《大型复杂设备金属基复合材料结构缺陷检测与诊断原理研究》(编号50475053)研究中,对检测工件进行对称磁化时,磁传感器除了检测到缺陷信号外,还从被测件感受到一个极强的信号。这个信号有时不明原因出现,也有时不明原因消失,因此当作干扰来处理。在离磁化现场20 m处采用JLY-1B智能微磁裂纹检测仪进行检测也接收到强烈的异常信号,检测信号如图1所示。

Figure 1. Waveform of signals in impulse magnetization experiment

图1. 脉冲磁化实验中的信号波形

根据电磁理论,在屏蔽室内磁化脉冲电流产生的电磁信号不可能穿透屏蔽铜网传输这样远的距离。经分析认为,这种信号有可能是磁化时,各向磁化场的某一分量方向相向,当脉冲电流的前沿极陡时,且磁场建立同步,相向分量产生的磁斥力使磁通高度压缩。当电流到达峰值时,在相向磁场分量间的极小空间内,磁通密度极大,极大的磁场梯度使磁能向梯度小的区域激射,磁场的急剧变化引起磁场能的移动传播,形成一种磁性脉冲波,我们称之为激磁脉冲波 [1] [2] 。本文就这种信号的主要特点进行了实验研究。

2. 激磁脉冲波产生与接收实验

为加强同极性磁场撞击强度,采用如图2(a)所示的对称线圈施加强电流脉冲激励来实现,其中y方向为激磁脉冲传播方向。在此基础上做成如图2(b)所示的专门激发装置(专利号:200510134811.1)。线圈为单匝铜材线圈,内径10 mm,外径35 mm,高25 mm,两线圈中心在Z轴上,平均间距4 mm,激励电流脉冲幅值I1 = I2 = 100 kA~300 kA,上升沿时间t = 3.2 − 0.2 μS,电流峰值同步时间小于20 nS。当I1 = I2 = 300 kA时,线圈表面产生的磁感应强度为20 T,此装置激发出的信号比前述信号强得多。经过多次反复进行激发实验,发现脉冲电流前沿宽度越小,同步时间越短,激发的磁脉冲能量越强。同极性磁场撞击所激发的信号采用磁传感器可接收到,因此是磁性波。这种激磁脉冲波持续时间极短,要求传感器的时间响应小于5 ns。经过实验比较,采用AAH002-02巨磁阻传感器较好。但这种传感器只能检测小于6高斯的磁场。为此采用磁衰减检测方法 [3] ,扩展到4000高斯。

(a) (b)

Figure 2. Symmetrical load coil

图2. 对称负载线圈

为了分析激磁脉冲波的空间分布特性,将16个巨磁阻传感器分布在1000 mm × 1000 mm的板上构成阵列接收检测装置,如图3所示。

Figure 3. Received array for excitation magnetic impulse wave

图3. 激磁脉冲接收阵列

将16路检测信号分别接入PCI8008同步采集卡的16路模拟输入信号端AI0-AI15。其中一路信号经过放大、滤波处理后的波形如图4(a)所示。由图可见,检测激磁脉冲信号幅值大于16 V,相当于磁感应强度大于3000高斯。对图4(a)信号进行频谱分析,可得其频谱图,如图4(b)所示。在100 kHz以内的谱峰11.58,在1 MHz处谱峰3.259,在60 MHz处谱峰4.87,在其它更高频率点上仍然存在谱峰。通过比对16路信号对应频谱下的幅值,可描绘出激磁脉冲波的空间分布。

(a)(b)

Figure 4. Signals and spectrum of excitation magnetic impulse wave

图4. 激磁脉冲信号及其频谱

3. 激磁脉冲波穿透介质实验

由于目前所发现的材料的绝大多数都是导磁的,因此都可传导磁性波 [4] ,同时激磁脉冲大部分能量集中在低频区,因此穿透力强。在离激发装置距离L处安装检测车,车前设置厚度为D的介质,在激磁脉冲波穿过介质前后设置检测传感装置,分别测得介质前后的激磁脉冲信号,将其进行比较,强度衰减率为η。对复合材料板、钢板、钢箱、钢筋混凝土墙几种实验材料进行穿透实验,实验情况如表1所示。在实验中,非导磁金属材料穿透实验结果与复合材料情况相同。几种材料实验结果比较,铁磁材料的衰减较大。由实验可见,激磁脉冲波有极强的穿透介质能力。

Table 1. Penetrating medium experiment

表1. 激磁脉冲穿透介质实验

4. 激磁脉冲波波速

通常所谓波速测量,就是计算波在指定介质中穿过一定距离所需时间。在距激发装置1 m (参考通道信号)和10 m处(移动通道信号)各设置相同的检测传感装置,采用两通道存储示波器(TDS 3052B)在同一脉冲触发控制检测采样,由于信号是由多频信号构成,而各个频率的信号相位不同,且速度有差异。为此,对信号进行分解,提取单频信号,分析其波速。图5是从1 m和10 m处检测到信号中提取的5 MHz~6 MHz信号。在激磁波波速测量中,分别采用互相关时延估计、相位谱时延估计和基于高阶谱时延估计的方法对其波速进行测量 [5] [6] [7] ,测得激磁脉冲波的波速为6 × 106 m/s,这比普通电磁波波速低得多,因此激磁脉冲波不同于电磁波 [8] [9] 。为进一步测量激磁脉冲波波速,在湖上4 Km范围内开展波速测量实验,测得的结果与实验室测量结果在数量级上基本一致。

Figure 5. Signals of wave velocity measurement

图5. 激磁脉冲波速测量信号

5. 激磁脉冲波感生波检测

对激磁脉冲波是磁性波,变化的磁场会感生电磁波,应用ZN30505E对数周期天线在离激发装置13 m处可检测到这种电磁信号。图6所示为检测到的磁脉冲感生电磁波,最大幅度大于120 V。由检测发现,在激磁脉冲波传播方向,激磁脉冲波不能到达的地方,不存在感生电磁波;在与激磁脉冲波传播垂直方向,即使激磁脉冲波不能到达,依然存在感生电磁波。

Figure 6. Signals by ZN30505E log-periodic antenna

图6. ZN30505E对数周期天线接收到的激磁脉冲波信号

6. 结论

由上述实验研究可见,激磁脉冲波是同极性磁场撞击时激发的一种新的高能磁性波,它可在各种介质中传播,且衰减小,传输距离远,因此可用于目标探测、通信等方面。但激磁脉冲波是一个全新的概念,对其本质的研究和认识,需要逐步深入。目前我们正在研制一种磁化电流脉冲上升前沿为纳秒级的高功率的磁脉冲激发装置,以便深入研究激磁脉冲波的激发机理、波形结构、频谱成分、在介质中的传输规律等问题,特别是激磁脉冲爆发时的连锁反应机理和外部激发条件,感生电磁波频谱变化规律、旋转特性、信息调制与解调的研究,对磁脉冲的实际应用具有重要价值。因此深入研究磁脉冲这种物理现象,具有重要的理论意义和实际意义。

基金项目

本项目得到国家自然科学基金资助项目(50475053)、国防973项目(615613)的资助。

参考文献

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