一种弯曲模态导波传感器制造技术

本发明专利技术属于无损检测领域，并具体公开了一种弯曲模态导波传感器，其包括偶数个沿构件圆周方向布置的磁化模块及螺线管线圈，多个磁化模块连接成链状以提供空间上交替变化的静态偏置磁场，螺线管线圈作为激励线圈时在构件中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，永久磁铁下方沿构件径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用产生轴向交变洛伦兹力，相邻永久磁铁间沿构件圆周方向的静态偏置磁场与轴向交变磁场相互作用产生圆周方向交变磁致伸缩力，在轴向交变洛伦兹力与圆周方向交变磁致伸缩力的共同作用下构件中产生质点振动，以在构件中形成周向阶数为磁化模块数目一半的弯曲模态导波。本发明专利技术具有结构简单，易于制作，成本较低的优点。

A Bending Mode Guided Wave Sensor

The invention belongs to the field of non-destructive testing, and specifically discloses a bending mode guided wave sensor, which comprises even magnetization modules and solenoid coils arranged along the circumferential direction of the component, multiple magnetization modules connected in a chain to provide alternately changing static bias magnetic field in space, and solenoid coils as excitation coils form eddy currents along the circumferential direction and axial direction in the component. Alternating magnetic field, the interaction between the static bias magnetic field below the permanent magnet and the circumferential eddy current produces an axial alternating Lorentz force. The interaction between the static bias magnetic field along the circumferential direction of the component and the axial alternating magnetic field between the adjacent permanent magnets produces an alternating magnetostrictive force in the circumferential direction, and the interaction between the axial alternating Lorentz force and the circumferential alternating magnetostrictive force in the circumferential direction. Particle vibration is generated in the component to form a bending mode guided wave whose circumferential order is half of the number of magnetization modules. The invention has the advantages of simple structure, easy fabrication and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种弯曲模态导波传感器
本专利技术属于无损检测领域，更具体地，涉及一种弯曲模态导波传感器。
技术介绍
钢丝、管道等圆柱状结构在道路桥梁、游乐设施和流体物料运输等方面有着非常广泛的应用。然而，复杂工作环境的作用会导致构件在服役过程中出现结构损伤，因此需要对构件进行缺陷检测。在常见的无损检测技术中，导波检测技术具有单点激励即可实现长距离检测、不可达区域检测和检测效率高等优势。圆柱状构件中沿轴向传播的导波可分为扭转模态、纵向模态和弯曲模态。其中，扭转模态和纵向模态是轴对称模态，振动形式简单且传感器易于设计，已经被学者广泛研究并应用于构件缺陷检测；而弯曲模态振动形式较为复杂，难以设计合适的传感器结构激励出较为纯净的弯曲模态导波，因此对弯曲模态导波的研究和应用较少。构件缺陷一般为非轴对称结构，其反射回波为弯曲模态导波，并且目前的轴对称模态导波传感器在激励轴对称模态导波时不可避免的会同时激励出弯曲模态导波，因此对弯曲模态导波进行研究具有重要意义。本领域的相关技术人员已经对弯曲模态导波进行了研究，例如Shin等[Guidedwavesbyaxisymmetricandnon-axisymmetricsurfaceloadingonhollowcylinders.Ultrasonics,1999,37(5):355-363.]使用梳状传感器激励弯曲模态导波，通过改变梳状传感器的加载角度，改变传感器在构件中激励出的弯曲模态导波；陈乐等[周向局部加载型磁致伸缩传感器导波特性.海军工程大学学报,2016,28(5):86-90.]使用周向局部加载型磁致伸缩传感器在实验样管中激励出纵向模态和弯曲模态的组合模态，此类局部加载形式的弯曲模态导波传感器难以激励出较为纯净的单一弯曲模态导波；Zhang等[Excitationofdominantflexuralguidedwavesinelastichollowcylindersusingtimedelaycirculararraytransducers.WaveMotion,2016,62:41-54.]提出了一种周向阵列的多通道导波传感器，通过控制各个通道的激励延迟时间实现较为纯净的单一弯曲模态导波激励，并将周向阵列的多通道磁致伸缩式导波传感器应用于螺旋焊缝管的导波检测；Sun等[Flexuraltorsionalguidedwavemechanicsandfocusinginpipe.JournalofPressureVesselTechnology,2005,127(4):471-478.]使用周向阵列的压电探头，通过控制各个通道的激励延迟时间实现了与轴对称扭转模态同族的弯曲模态导波的聚焦，此类周向阵列形式的多通道弯曲模态导波传感器结构复杂，各个通道间的一致性差，难以控制，并且探头的成本较高，不利于现场应用；Cho等[Theoptimaldesignandexperimentalverificationofthebiasmagnetconfigurationofamagnetostrictivesensorforbendingwavemeasurement.Sensors&ActuatorsAPhysical,2003,107(3):225-232.]设计了一种磁致伸缩式弯曲模态导波传感器，通过拓扑算法对永久磁铁和磁轭进行优化，获得了较为纯净的弯曲模态导波，但传感器结构复杂，难以现场应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种弯曲模态导波传感器，其结合构件中弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的分布特征，通过设计合适的静态偏置磁场分布，控制构件中质点振动在圆周方向上的节点数，进而在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波，弥补了传统弯曲模态导波传感器的不足，为弯曲模态导波的进一步研究提供了支持。为实现上述目的，本专利技术提出了一种弯曲模态导波传感器，用于在构件中激励和/或接收特定周向阶数的弯曲模态导波，其包括偶数N个沿构件圆周方向均匀布置的磁化模块以及绕制在构件周向的螺线管线圈，其中：所述偶数个磁化模块连接成链状，用于在构件中提供空间上交替变化的静态偏置磁场，所述磁化模块包括永久磁铁、磁铁盒和支撑板，其中，所述磁铁盒固定在支撑板上，所述永久磁铁安装于磁铁盒内，该永久磁铁正下方区域的静态偏置磁场沿构件径向，相邻两个永久磁铁间区域的静态偏置磁场沿构件的圆周方向；所述螺线管线圈安装于磁化模块正下方，作为接收线圈和/或激励线圈，当螺线管线圈作为接收线圈时，其用于感应磁场变化将构件中的振动信号转换为电信号输出；当螺线管线圈作为激励线圈时，其用于在构件中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，所述永久磁铁正下方区域中沿构件径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用，在构件中产生空间上交替变化的轴向交变洛伦兹力，所述相邻两个永久磁铁间区域中沿构件圆周方向的静态偏置磁场与轴向的交变磁场相互作用，在构件中产生空间上交替变化的圆周方向交变磁致伸缩力；在所述轴向交变洛伦兹力与圆周方向交变磁致伸缩力的共同作用下，构件中产生空间上交替变化的质点振动，质点振动在构件圆周方向上的节点数和磁化模块的数目相同，并且与N2阶弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的节点数相同，进而在构件中形成周向阶数n为磁化模块数目一半的弯曲模态导波。作为进一步优选的，所述弯曲模态导波传感器用于弯曲模态导波激励传感器和/或弯曲模态导波接收传感器，弯曲模态导波激励传感器和弯曲模态导波接收传感器中的磁化模块数目相同。作为进一步优选的，一阶弯曲模态导波传感器由两个磁化模块和两个辅助支撑板构成封闭图形，二阶及以上弯曲模态导波传感器由周向阶数两倍的磁化模块构成封闭图形。作为进一步优选的，所述永久磁铁的极化方向沿构件径向，并且相邻磁化模块中永久磁铁的极化方向相反。作为进一步优选的，所述螺线管线圈由漆包线或扁平电缆沿构件周向绕制而成。作为进一步优选的，所述磁铁盒由环氧树脂或尼龙材料制作而成，避免对螺线管线圈造成损伤。作为进一步优选的，所述支撑板的材料为碳钢或工业纯铁时，构成闭合磁路，为铝合金或者环氧树脂时，构成开放磁路。作为进一步优选的，所述构件为铁磁构件或非铁磁构件，当为非铁磁构件时，构件表面用耦合剂粘贴磁致伸缩带，导波振动由磁致伸缩带通过耦合剂传递给构件，在构件中形成弯曲模态导波。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：本专利技术提供的弯曲模态导波传感器可以实现在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波，并且通过控制沿构件圆周方向均匀布置的磁化模块的数目控制弯曲模态导波的周向阶数，方法简单，易于控制，对弯曲模态导波的研究和应用具有重要意义；本专利技术提供的弯曲模态导波传感器主要由永久磁铁、磁铁盒、支撑板和螺线管线圈组成，传感器结构简单，易于制作，成本较低。附图说明图1为铁磁性构件上采用N个磁化模块的传感器结构示意图；图2为铁磁性构件上采用N个磁化模块的传感器结构剖视图；图3为磁化模块结构剖视图；图4为采用N个磁化模块的激励传感器和接收传感器安装示意图；图5为永久磁铁极化方向示意图；图6为1阶弯曲模态导波传感器结构示意图；图7为非铁磁性构件上采用N个磁化模块的传感器结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弯曲模态导波传感器，用于在构件(1)中激励和/或接收特定周向阶数的弯曲模态导波，其特征在于，包括偶数N个沿构件(1)圆周方向均匀布置的磁化模块以及绕制在构件(1)周向的螺线管线圈(2)，其中：所述偶数个磁化模块连接成链状，用于在构件(1)中提供空间上交替变化的静态偏置磁场，所述磁化模块包括永久磁铁(5)、磁铁盒(3)和支撑板(4)，其中，所述磁铁盒(3)固定在支撑板(4)上，所述永久磁铁(5)安装于磁铁盒(3)内，该永久磁铁(5)正下方区域的静态偏置磁场沿构件(1)径向，相邻两个永久磁铁(5)间区域的静态偏置磁场沿构件(1)的圆周方向；所述螺线管线圈(2)安装于磁化模块正下方，作为接收线圈和/或激励线圈，当螺线管线圈(2)作为接收线圈时，其用于感应磁场变化将构件(1)中的振动信号转换为电信号输出；当螺线管线圈(2)作为激励线圈时，其用于在构件(1)中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，所述永久磁铁(5)正下方区域中沿构件(1)径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用，在构件(1)中产生空间上交替变化的轴向交变洛伦兹力，所述相邻两个永久磁铁(5)间区域中沿构件(1)圆周方向的静态偏置磁场与轴向的交变磁场相互作用，在构件(1)中产生空间上交替变化的圆周方向交变磁致伸缩力；在所述轴向交变洛伦兹力与圆周方向交变磁致伸缩力的共同作用下，构件(1)中产生空间上交替变化的质点振动，质点振动在构件(1)圆周方向上的节点数和磁化模块的数目相同，并且与N/2阶弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的节点数相同，进而在构件(1)中形成周向阶数n为磁化模块数目一半的弯曲模态导波。...

【技术特征摘要】
1.一种弯曲模态导波传感器，用于在构件(1)中激励和/或接收特定周向阶数的弯曲模态导波，其特征在于，包括偶数N个沿构件(1)圆周方向均匀布置的磁化模块以及绕制在构件(1)周向的螺线管线圈(2)，其中：所述偶数个磁化模块连接成链状，用于在构件(1)中提供空间上交替变化的静态偏置磁场，所述磁化模块包括永久磁铁(5)、磁铁盒(3)和支撑板(4)，其中，所述磁铁盒(3)固定在支撑板(4)上，所述永久磁铁(5)安装于磁铁盒(3)内，该永久磁铁(5)正下方区域的静态偏置磁场沿构件(1)径向，相邻两个永久磁铁(5)间区域的静态偏置磁场沿构件(1)的圆周方向；所述螺线管线圈(2)安装于磁化模块正下方，作为接收线圈和/或激励线圈，当螺线管线圈(2)作为接收线圈时，其用于感应磁场变化将构件(1)中的振动信号转换为电信号输出；当螺线管线圈(2)作为激励线圈时，其用于在构件(1)中形成沿圆周方向的涡流和轴向的交变磁场，所述永久磁铁(5)正下方区域中沿构件(1)径向的静态偏置磁场与圆周方向的涡流相互作用，在构件(1)中产生空间上交替变化的轴向交变洛伦兹力，所述相邻两个永久磁铁(5)间区域中沿构件(1)圆周方向的静态偏置磁场与轴向的交变磁场相互作用，在构件(1)中产生空间上交替变化的圆周方向交变磁致伸缩力；在所述轴向交变洛伦兹力与圆周方向交变磁致伸缩力的共同作用下，构件(1)中产生空间上交替变化的质点振动，质点振动在构件(1)圆周方向上的节点数和磁化模块的数目相同，并且与N/2阶弯曲模态导波的质点振动...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐江，陈广，刘志伟，李勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42