A Large Lift-off Laser-Electromagnetic Ultrasonic Resonance Method with Magnetic Flux Concentration

في العالم الصناعي، يمثل الحفاظ على سلامة الهياكل المعدنية معركة مستمرة ضد الوقت والحرارة والاهتزاز. فمن محركات الطائرات إلى أنابيب مصافي النفط، تتعرض المكونات المعدنية لضغط مستمر، مما يؤدي غالباً إلى ترقق الجدران أو ظهور شقوق خفية ناتجة عن التآكل. ولرصد هذه المشكلات قبل أن تسبب فشلاً، يحتاج المهندسون إلى قياس سمك المعدن دون لمسه، خاصة عندما يكون ذلك المعدن ساخناً جداً بحيث لا يمكن التعامل معه يدوياً أو يهتز بقوة تمنع المستشعر القياسي من البقاء في مكانه. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على تقنية تسمى المحول الكهرومغناطيسي الصوتي (EMAT)، والتي تستخدم المغناطيس والكهرباء لتوليد موجات صوتية داخل المعدن. وبخلاف المستشعرات التقليدية التي تتطلب لصقها أو ضغطها مقابل السطح، يمكن لمستشعرات EMAT العمل من مسافة قصيرة. ومع ذلك، كانت هذه المسافة دائماً عائقاً رئيسياً؛ فإذا كان المستشعر بعيداً جداً عن المعدن، تصبح الإشارة ضعيفة جداً بحيث يصعب قراءتها، وتفشل الطريقة. وهذا يترك فجوة خطيرة في قدرتنا على فحص الآلات الحساسة في أكثر البيئات قسوة.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة نانتشانغ هانغكونغ وجامعة سنترال ساوث طريقة جديدة لسد هذه الفجوة. فقد ابتكروا نسخة مطورة من مستشعر EMAT يمكنها "الرؤية" عبر مسافات أكبر بكين مما سبق، مما يسمح لها بالكشف عن ترقق المعدن حتى عندما يتم إمساك المستشعر على بعد عدة سنتيمترات. ويكمن جوهر ابتكارهم في إضافة بسيطة ولكنها ذكية: مُركِّز مغناطيسي. تخيل المجال المغناطيسي الذي يستخدمه المستشعر كشعاع من الضوء؛ في الإعداد القياسي، يتشتت هذا الشعاع ويخبو بسرعة كلما ابتعد عن المعدن. وضع الباحثون قطعة من مادة مغناطيسية ذات شكل خاص بين المستشعر والمعدن لتعمل مثل العدسة، حيث تقوم بجمع القوة المغناطيسية المتشتتة وتركيزها بدقة على السطح. هذا التركيز للطاقة يجعل الموجات الصوتية المتولدة داخل المعدن أقوى بكثير ويسمح للمستشعر بالتقاط الأصداء العائدة من مسافة أبعد بكثير.

ولإيجاد الشكل المثالي للعدسة المغناطيسية، لم يعتمد الباحثون على التخمين، بل قاموا ببناء تصميمين متميزين للمُركِّز: أحدهما على شكل حلقة والآخر على شكل درج. ثم أجروا مئات عمليات المحاكاة الحاسوبية، حيث غيروا بشكل منهجي العرض والارتفاع وموقع كل جزء من هذه التصاميم لمعرفة أي مجموعة ستنتج أقوى مجال مغناطيسي. وكشفت عمليات المحاكاة أن حجم وشكل المكونات المغناطيسية كان لهما أهمية قصوى. فبالنسبة للتصميم الذي على شكل حلقة، كان ارتفاع الجزء المركزي هو العامل الأكثر حرجاً، بينما بالنسبة لتصميم الدرج، كانت المسافة بين المُركِّز وسطح المعدن هي المتغير الأكثر أهمية. ومن خلال اختبار هذه المتغيرات بطريقة محددة ومنظمة، حددوا الأبعاد الدقيقة التي من شأنها تعظيم القوة المغناطيسية الواصلة إلى المعدن.

بمجرد تحديد أفضل التصاميم على الحاسوب، قام الفريق ببناء نماذج أولية مادية لإثبات نجاح المفهوم في العالم الحقيقي. استخدموا ليزراً قوياً لتوليد الموجات الصوتية الأولية في سبيكة ألومنيوم، محاكيين بذلك عملية التوليد غير التلامسي المستخدم في عمليات الفحص عند درجات الحرارة العالية. قامت نبضة الليزر بتسخين نقطة صغيرة على المعدن بسرعة كبيرة لدرجة أنها تمددت وأحدثت اهتزازاً، مما أرسل موجة صوتية عبر المادة. ووضع المستشعر الجديد، المزود بالمُركِّز المغناطيسي الأمثل، فوق المعدن لالتقاط صدى تلك الموجة. وكانت النتائج مذهلة؛ حيث استطاعت النسخة الأفضل من المستشعر ذي الشكل الحلقي اكتشاف المعدن من مسافة 26 ملم، بينما استطاع أفضل مستشعر ذي شكل الدرج الوصول إلى مسافة 30 ملم. ولوضع ذلك في السياق، فإن المستشعرات القياسية من هذا النوع عادة ما تجد صعوبة في العمل عند مسافة تتجاوز بضعة مليمترات فقط.

اختبر الباحثون أيضاً مدى كفاءة أداء هذه المستشعرات الجديدة مقارنة بالنسخ القديمة التي لا تحتوي على المُركِّز المغناطيسي، وكان التحسن دراماتيكياً. فقد أنتجت المستشعرات المحسنة إشارات أقوى بمئات المرات وأكثر وضوحاً من النسخ غير المحسنة. وفي أحد الاختبارات، أنتج تصميم الدرج إشارة أقوى بنحو عشر مرات من أسوأ تكويناته أداءً. والأهم من ذلك، حافظت المستشعرات على إشارة واضحة حتى عند هذه المسافات الكبيرة، وهو أمر بالغ الأهمية للكشف عن العيوب الصغيرة مثل التآكل الناتج عن الترقق. وقد تحقق الفريق من قدرتهم على قياس سمك عينات المعدن بدقة، بما في ذلك أنواع مختلفة من الفولاذ وسبائك النيكل، بهامش خطأ صغير جداً. ووجدوا أن الطريقة تعمل بشكل موثوق حتى عندما تتغير المسافة بين المستشعر والمعدن، مما يثبت أن المُركِّز المغناطيسي نجح في تثبيت الإشارة.

يشير هذا العمل إلى أن قيود الفحص غير التلامسي في البيئات القاسية ليست ثابتة كما كان يُعتقد سابقاً. فمن خلال تركيز الطاقة المغناطيسية بشكل أكثر فعالية، أظهر الباحثون أنه من الممكن فحص المكونات المعدنية من مسافة آمنة، حتى عندما تكون تلك المكونات مهتزة أو ساخنة جداً بحيث لا يمكن لمسها. وتؤكد الدراسة أن هندسة المُركِّز المغناطيسي هي المفتاح لفتح هذه القدرة، حيث يوفر تصميم الدرج أقصى مدى للوصة. وبينما يركز البحث حالياً على الألومنيوم وبعض سبائك الفولاذ، فإن المبادئ الموضحة هنا يمكن تطبيقها في النهاية على نطاق واسع من عمليات الفحص الصناعي. إن القدرة على قياس سمك المعدن من مسافة 30 ملم دون تلامس تفتح الباب لمراقبة البنية التحتية الحيوية في الوقت الفعلي، مما قد يمنع وقوع حوادث في قطاعي الطيران والطاقة حيث تعتبر السلامة أمراً بالغ الأهمية. ويتضمن المسار المستقبلي تحسين هذه النماذج بشكل أكبر واستكشاف كيف يمكن للتعلم الآلي أن يساعد في ضبط المستشعرات تلقائياً لمختلف المواد ودرجات الحرارة، لكن الأساس قد وُضع بقوة.