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一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法技术方案

技术编号:18891982 阅读:19 留言:0更新日期:2018-09-08 09:49
一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法,属于超声检测技术领域。所述磁致伸缩传感器包括线圈阵列和永磁铁阵列。线圈阵列由多个跑道型线圈并联而成,固定在管道的外表面一周,且沿管道周向均匀分布;永磁铁阵列由极性交错排列的永磁铁和磁铁底座构成,安装在线圈阵列的外侧,轴向相邻的永磁铁间距等于所激发扭转模态导波的半波长;基于磁致伸缩机制,在永磁铁阵列提供的轴向静态偏置磁场和线圈阵列提供的周向动态磁场的共同作用下,从而激励出扭转模态的管道超声导波。本发明专利技术可有效的在钢管中激励和接收扭转模态的超声导波,激励模态单一,信噪比高,便于实现对管道的全面检测。

A torsional mode magnetostrictive sensor and pipeline detection system and method

The utility model relates to a torsional mode magnetostrictive sensor, a pipeline detection system and a method, belonging to the technical field of ultrasonic detection. The magnetostrictive sensor includes a coil array and a permanent magnet array. The coil array is composed of several runway coils in parallel, which are fixed on the outer surface of the pipeline and distribute uniformly along the circumference of the pipeline. The permanent magnet array is composed of a polar staggered permanent magnet and a magnet base, which is mounted on the outer side of the coil array. Based on the magnetostrictive mechanism, under the combined action of the axial static bias magnetic field provided by the permanent magnet array and the circumferential dynamic magnetic field provided by the coil array, the torsional mode guided waves in the pipeline are excited. The invention can effectively excite and receive ultrasonic guided waves of torsional modes in steel pipes, has single excitation modes, high signal-to-noise ratio, and is convenient for realizing comprehensive detection of pipelines.

【技术实现步骤摘要】
一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法
本专利技术属于超声无损检测
,特别涉及一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法。
技术介绍
超声导波检测技术具有超声波传播距离远、声波衰减率低、在短时间内能够覆盖大部分的检测范围等优点,近年来被广泛应用于管道无损检测领域。其中,轴对称的扭转模态是管道超声导波中较为常用的检测模态,其优势在于:该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响,即具有良好的非频散特性;质点的振动方向与导波的传播方向相垂直,对管道的轴向缺陷较为敏感;只有周向的振动位移,没有径向的位移,在导波传播过程中能量泄露较少,故对管道长距离检测具有一定的优势。管道超声导波检测技术主要使用压电超声传感器和电磁超声传感器(electromagneticacoustictransducer,EMAT)激励和接收扭转模态的超声导波信号。然而,压电超声传感器存在一定的不足,主要体现在:通过耦合剂与被测试件接触,往往需要对试件的表面进行打磨、清洗等预处理工作,且安装较为复杂,检测效率较低,不利于现场的快速检测。而电磁超声传感器可直接在导体或铁磁性材料中激励超声导波信号,具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适用于高温环境、可实现快速检测等优点。电磁超声传感器的工作原理主要有两种:洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机制的传感器可应用于所有导体材料的管道检测中,但其换能效率较低,激励的导波信号幅值和信噪比较低;而磁致伸缩机制的传感器只能用于铁磁性材料的管道检测中,但其换能效率较高,可以产生高幅值和高信噪比的导波信号,传播距离更远,检测范围更广。因此在钢管检测中,常使用磁致伸缩传感器作为检测探头。电磁超声传感器主要由提供静态偏置磁场的磁铁和提供动态交变磁场的线圈组成,通过改变磁铁和线圈的结构形状,可设计出不同类型的超声传感器。现阶段,国内外在扭转模态磁致伸缩传感器的研究上取得了一定的进展,激励机制的研究已经较为成熟。但在工程应用中仍然存在传感器安装、拆卸不便,激励信号不理想,检测效率较低等问题,因此,优化设计已有的磁致伸缩传感器或研制新型的磁致伸缩传感器依旧是该领域研究的热点和难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法。,该磁致伸缩传感器结构简单,安装便利,通过磁致伸缩机制,在永磁铁提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的周向动态交变磁场的共同作用下,有效的激励出高信噪比的扭转模态导波信号,实现对管道的全面检测。本专利技术的技术方案如下:一种扭转模态磁致伸缩传感器,包括:线圈阵列(1),包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道(3)的外圆周面上的线圈;永磁铁阵列(2),包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列(1)的径向外侧的永磁铁(21),其中,每一永磁铁都沿管道(3)径向极化,且沿轴向和周向极性交错排列,并且,永磁铁(21)在周向的列数是线圈个数的两倍,且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。优选地,每一线圈的形状为跑道形。优选地,永磁铁阵列(2)还包括与管道(3)同轴布置的磁铁底座(22),所述的磁铁底座(22)内壁为与管道(3)的外径尺寸相配合的内圆,外壁是一个与管道(3)同轴的棱柱体,棱柱体的每个侧面沿轴向设置有多个与永磁铁尺寸匹配的磁铁插槽(221)。优选地,所述永磁铁阵列(2)中轴向相邻的永磁铁(21)间距等于所激发扭转模态导波的半波长。优选地,线圈阵列采用铜制导线缠绕而成。优选地,线圈阵列采用柔性电路板印制而成。优选地,所述磁铁底座为多节可拆卸式的柔性体。一种管道检测系统,包含发射探头和接收探头,其中,发射探头和接收探头都包含以上所述的磁致伸缩传感器,并且,发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接,接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。一种利用扭转模态超声导波检测管道的方法,应用以上所述的管道检测系统进行如下步骤:将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上,信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上,激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播,当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波,被接收探头检测到的反射回波经过前置放大器进行放大和经过滤波器进行滤波处理后,被示波器接收并显示出来。优选地,通过改变轴向相邻永磁铁的间距,激励出不同模态的扭转导波。本专利技术与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:1)永磁铁阵列中轴向相邻的永磁铁间距等于所激发扭转模态导波的半波长,通过改变相邻永磁铁的间距,可以激励出不同模态的扭转导波,如T(0,1)、T(0,2)、T(0,3)等模态;2)线圈阵列可以通过缠绕导线或打印柔性电路板的方式制作,制作方式简便,成本较低;3)磁铁底座可以根据管道尺寸自行设计,从而实现与管壁更好的贴合,保证了磁场的耦合效率;4)磁铁底座可以根据永磁铁的形状自行设计,永磁铁的形状不受约束,例如常用的方形永磁铁可以直接安装在磁铁底座的插槽中,便于安装和拆卸;5)线圈阵列和永磁铁阵列均沿管道周向均匀分布,可以激励出沿管道周向对称均匀的扭转模态导波;6)采用环形磁铁底座不需要清理管体表面,直接套设在管体上即可,且环形磁铁底座使得磁铁安装方便快捷,提高检测效率;7)采用环形磁铁底座只需要底座适应管道外径即可,不需要磁铁具有适于管道外壁的形状,而环形磁铁底座的加工工艺显然比磁铁的加工工艺更快;8)环形磁铁底座为多节式可拆卸的柔性体,根据管道直径调整环形磁铁底座的展开长度,使其适应不同的管道直径。附图说明图1是本专利技术的一种扭转模态磁致伸缩传感器的结构示意图;图2是本专利技术的线圈阵列的结构示意图;图3是本专利技术的永磁铁阵列的结构示意图;图4是本专利技术的磁铁底座的结构示意图;图5是φ42.7×3.5×2000(单位:mm)钢管扭转模态导波的频散曲线图;图6是磁致伸缩传感器检测管道缺陷的试验系统示意图;图7是磁致伸缩传感器接收到的T(0,1)模态导波的波形图。在图1至图7中:1-线圈阵列;11-线圈;2-永磁铁阵列;21-永磁铁;22-磁铁底座;221-磁铁插槽;3-管道;31-凹槽缺陷;41-直达波;42-缺陷反射回波;43-端面反射回波。具体实施方式下面参照附图对本专利技术作进一步详细描述,但本专利技术的扭转模态磁致伸缩传感器不局限于实施例。如图1所示,本专利技术所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器包括线圈阵列1和永磁铁阵列2。线圈阵列1包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道3的外圆周面上的线圈11。例如,如图2所示的线圈阵列1包括8个并联的线圈11,用以提供沿管道3周向的动态交变磁场。永磁铁阵列2包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列1的径向外侧的永磁铁21,其中,每一永磁铁21都沿管道径向极化,形成沿径向的N极和S极,且沿轴向和周向极性交错排列。具体说就是一个永磁铁沿径向上下分别为N、S极,则相邻的永磁铁沿径向上下分别为S、N极。并且,永磁铁21在周向的列数是线圈11个数的两倍,且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。在一个可选实施例中,如图2所示,每一线圈11是跑道型的。在一个可选实施例中,永磁铁阵列2还包括与管道3同轴布置的磁铁底座22,所述的磁铁底座22内壁为与本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种扭转模态磁致伸缩传感器,其特征在于:包括:线圈阵列(1),包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道(3)的外圆周面上的线圈;永磁铁阵列(2),包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列(1)的径向外侧的永磁铁(21),其中,每一永磁铁都沿管道(3)径向极化,且沿轴向和周向极性交错排列,并且,永磁铁(21)在周向的列数是线圈个数的两倍,且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。

【技术特征摘要】
1.一种扭转模态磁致伸缩传感器,其特征在于:包括:线圈阵列(1),包括多个以并联的方式沿周向均匀布置在管道(3)的外圆周面上的线圈;永磁铁阵列(2),包括多个沿周向均匀布置在线圈阵列(1)的径向外侧的永磁铁(21),其中,每一永磁铁都沿管道(3)径向极化,且沿轴向和周向极性交错排列,并且,永磁铁(21)在周向的列数是线圈个数的两倍,且任一线圈的中心与其在周向对应的两列永磁铁的中心在同一径向直线上。2.如权利要求1所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器,其特征在于:每一线圈的形状为跑道形。3.如权利要求1所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器,其特征在于:永磁铁阵列(2)还包括与管道(3)同轴布置的磁铁底座(22),所述的磁铁底座(22)内壁为与管道(3)的外径尺寸相配合的内圆,外壁是一个与管道(3)同轴的棱柱体,棱柱体的每个侧面沿轴向设置有多个与永磁铁尺寸匹配的磁铁插槽(221)。4.如权利要求1所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器,其特征在于:所述永磁铁阵列(2)中轴向相邻的永磁铁(21)间距等于所激发扭转模态导波的半波长。5.如权利要求1所述的一种扭转模态磁致伸缩传感器,...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙斐然孙振国陈强张文丁雨林
申请(专利权)人:清华大学浙江清华长三角研究院
类型:发明
国别省市:北京,11

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