Μέτρηση κατανεμημένων τάσεων σε χάλυβες με την χρήση των μαγνητοσυστολικών γραμμών καθυστέρησης (MDL)

Abstract

This work focuses on the study of magnetostrictive delay lines (MDLs) and their engineering applications. Initially, the generation, propagation, and detection of an elastic pulse in MDL arrangements are examined. This study enabled a deep understanding of the mechanisms and parameters affecting the generation and detection of the elastic pulse, such as the excitation and biasing fields, as well as the mechanical impact on the delay line. Understanding these parameters led to the development of various MDL configurations used as sensors. The fundamental properties of MDLs, including sensitivity, linearity, and hysteresis, were determined in detail, along with methods for tailoring these properties to meet the requirements of different applications. Additionally, the dependence of these properties on various factors such as field, frequency, stress, temperature, and time was analyzed. The work also introduces magnetoelastic uniformity, sound velocity, and MDL resolution—three properties that define the performance of these systems. Various magnetoelastic materials were investigated, concluding that amorphous ribbons and wires are particularly suitable for sensing applications, without excluding thin films. The properties of these materials can serve as a database for engineering applications, particularly in sensor development. The work focuses on presenting the main MDL sensors. For clarity, these sensors are categorized into three main types: position sensors, stress sensors, and field sensors. Several position sensors based on amplitude or time delay modulation were developed, capable of measuring either static or dynamic displacement. Various stress sensors, such as tensile stress sensors, pressure sensors, and force digitizers, were also developed, offering significant advantages over existing technologies. Additionally, MDL-based field sensors were presented, which offer distribution measurement capabilities with acceptable measurement uncertainty. Manufacturing technologies that allow for low-cost production with acceptable accuracy were also developed. In addition to technological applications, the work explores critical MDL applications in fields such as non-destructive testing, blood coagulation studies, and chemical composite materials, as well as in structural and mining engineering. As an additional application of the MDL technique, a method for measuring M(H) and λ(H) curves was presented, which allows for the determination of the magnetization and magnetostriction uniformity along the length of a magnetostrictive material. Finally, the thesis examines the challenges arising from the application of these techniques in real-world conditions, such as environmental effects and the need for high sensitivity and accuracy. The potential for improving measurement performance through further development of materials and data analysis methods is also discussed, thus enabling the broader application of MDLs in more demanding industrial uses.

Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη των μαγνητοσυσταλτικών γραμμών καθυστέρησης (MDL) και των μηχανικών τους εφαρμογών. Αρχικά, εξετάζεται η δημιουργία, η διάδοση και η ανίχνευση ενός ελαστικού παλμού σε διατάξεις MDL. Αυτή η μελέτη κατέστησε δυνατή την κατανόηση των μηχανισμών και των παραμέτρων που επηρεάζουν τη δημιουργία και ανίχνευση του ελαστικού παλμού, όπως είναι τα πεδία διέγερσης και λήψης, καθώς και η μηχανική επίδραση στη γραμμή καθυστέρησης. Η κατανόηση αυτών των παραμέτρων οδήγησε στην ανάπτυξη διαφόρων διατάξεων MDL ως αισθητήρες. Οι βασικές ιδιότητες των MDL, όπως η ευαισθησία, η γραμμικότητα και η υστέρηση, προσδιορίστηκαν λεπτομερώς, όπως και οι μέθοδοι προσαρμογής τους στις απαιτήσεις διαφορετικών εφαρμογών. Επιπλέον, αναλύθηκε η εξάρτηση των ιδιοτήτων αυτών από διάφορους παράγοντες, όπως το πεδίο, η συχνότητα, η τάση, η θερμοκρασία και ο χρόνος. Η εργασία εισάγει επίσης τη μαγνητοελαστική ομοιομορφία, την ταχύτητα του ήχου και την ανάλυση των MDL, τρεις ιδιότητες που καθορίζουν την απόδοση των συστημάτων αυτών. Διερευνήθηκαν διάφορα μαγνητοελαστικά υλικά, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι οι άμορφες ταινίες και τα σύρματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για αισθητήρες, χωρίς να αποκλείονται τα λεπτά φιλμ. Οι ιδιότητες αυτών των υλικών μπορούν να χρησιμεύσουν ως βάση δεδομένων για μηχανικές εφαρμογές, ιδιαίτερα στην ανάπτυξη αισθητήρων. Η εργασία εστιάζει στην παρουσίαση των κυριότερων αισθητήρων MDL. Για λόγους κατανόησης, οι αισθητήρες αυτοί κατηγοριοποιήθηκαν σε τρεις βασικές κατηγορίες: αισθητήρες θέσης, αισθητήρες τάσης και αισθητήρες πεδίου. Αναπτύχθηκαν διάφοροι αισθητήρες θέσης βασισμένοι σε τροποποίηση πλάτους ή χρόνου καθυστέρησης, οι οποίοι είναι ικανοί να μετρήσουν είτε στατική είτε δυναμική μετατόπιση. Αναπτύχθηκαν επίσης διάφοροι αισθητήρες τάσης, όπως αισθητήρες τάσης εφελκυσμού, αισθητήρες πίεσης και αισθητήρες δύναμης, οι οποίοι προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες. Επιπλέον, παρουσιάστηκαν αισθητήρες πεδίου βασισμένοι στην τεχνική MDL, οι οποίοι προσφέρουν δυνατότητα μέτρησης κατανομής με ακρίβεια. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν τεχνολογίες κατασκευής που επιτρέπουν τη χαμηλού κόστους και με αποδεκτή ακρίβεια παραγωγή αισθητήρων. Εκτός από τις τεχνολογικές εφαρμογές, η εργασία εξετάζει κρίσιμες εφαρμογές των MDL σε τομείς όπως οι μη καταστροφικές δοκιμές, οι μελέτες πήξης αίματος και χημικών σύνθετων υλικών καθώς και στις εφαρμογές στη δομική και μεταλλευτική μηχανική. Ως μια επιπλέον εφαρμογή της τεχνικής MDL, παρουσιάστηκε μια μέθοδος για τη μέτρηση των καμπυλών M(H) και λ(H), η οποία επιτρέπει τον προσδιορισμό του βρόχου και της ομοιομορφίας του μαγνητισμού και της μαγνητοσυστολής κατά μήκος ενός μαγνητοσυσταλτικού υλικού. Τέλος, η διατριβή εξετάζει τις προκλήσεις που προκύπτουν από την εφαρμογή αυτών των τεχνικών σε πραγματικές συνθήκες, όπως οι περιβαλλοντικές επιδράσεις και η ανάγκη για υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια. Επίσης, αναλύεται η δυνατότητα βελτίωσης της απόδοσης των μετρήσεων μέσω της περαιτέρω εξέλιξης των υλικών και των μεθόδων ανάλυσης δεδομένων, επιτρέποντας έτσι την ευρύτερη εφαρμογή των MDL σε πιο απαιτητικές βιομηχανικές χρήσεις.