基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器制造技术

基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，包括铁钴合金条带，正交环绕在铁钴合金条带上的矩形线圈和圆形线圈、机械夹持装置。矩形线圈预先环绕在铁钴合金条带上，经环氧树脂粘接，与外侧的橡胶层固化形成半圆柱壳形状的检测单元。两个检测单元直接扣合或采用环氧树脂粘贴在圆管、圆杆等结构表面，经导电插销连接后形成通路。排线式圆形线圈环绕在检测单元外侧，穿过机械夹持装置，采用适配器连接形成通路；机械夹持装置可对圆形线圈及检测单元施加径向载荷。该发明专利技术可用于在圆管、圆杆结构中激励和接收扭转模态超声导波，具有更高的能量激发效率，并且结构简洁，实现扭转模态超声导波的多通道激励与接收，为管道检测的聚焦成像算法提供基础。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，包括铁钴合金条带，正交环绕在铁钴合金条带上的矩形线圈和圆形线圈、机械夹持装置。矩形线圈预先环绕在铁钴合金条带上，经环氧树脂粘接，与外侧的橡胶层固化形成半圆柱壳形状的检测单元。两个检测单元直接扣合或采用环氧树脂粘贴在圆管、圆杆等结构表面，经导电插销连接后形成通路。排线式圆形线圈环绕在检测单元外侧，穿过机械夹持装置，采用适配器连接形成通路；机械夹持装置可对圆形线圈及检测单元施加径向载荷。该专利技术可用于在圆管、圆杆结构中激励和接收扭转模态超声导波，具有更高的能量激发效率，并且结构简洁，实现扭转模态超声导波的多通道激励与接收，为管道检测的聚焦成像算法提供基础。【专利说明】基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器
: 基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，属于超声无损检测
，其作用是在圆管、圆杆等结构中激励和接收扭转模态超声导波。
技术介绍
: 超声导波技术在工程应用中显示出巨大的潜力，可实现对板、壳、管道、杆等结构的全面、快速扫查，大大提高检测效率。此外，导波检测所获取的缺陷信号辨识度高，结合信号分析方法，还可实现缺陷的高精度定位。随着具有高磁致伸缩系数的合金带材的使用，在管道等结构中激励产生扭转模态超声导波较为容易，常规的磁致伸缩传感器已被广泛研宄和应用于试验与工程测试，但主要用于缺陷的轴向定位。虚拟相控与时间反转聚焦算法可基于多通道检测信号，实现对管道全结构的扫描成像，以确定缺陷在管道的实际位置和大小。实现上述算法的重要前提是磁致伸缩传感器获取高质量的多通道的导波检测信号。这要求磁致伸缩传感器应具备沿圆周方向分布的多个阵元，且各阵元均可实现扭转模态的激励与接收，并具有较好的一致性。基于常规磁致伸缩传感器结构，现已有初步的阵列式传感器的研宄报道，但其结构复杂、阵元间的一致性较差。因此，新型阵列式磁致伸缩传感器成为该领域的研宄热点和难点之一。
技术实现思路
: 本专利技术的目的是为了研制一款适用于圆管、圆杆等结构的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，有效激励和接收扭转模态超声导波。铁钴合金条带作为传感元件，正交环绕于铁钴合金条带的两组线圈分别用于产生正交的静态偏置磁场和动态磁场。基于魏德曼效应，可在铁钴合金条带中产生剪切形变，并形成应力波。环氧树脂作为声阻抗匹配层，可提升铁钴合金条带与管道表面材料间应力波的传递效率；机械夹持装置可增强传感元件与管道表面材料的载荷，进一步提升应力波的传递效率。由此，本专利技术公布的具有新型结构的磁致伸缩传感器可实现扭转模态的高效率激励。 铁钴合金条带上的环绕式矩形线圈可通过串联方式，实现阵元数量的控制，从而形成一致性较好的圆周阵列式传感器。 基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器的工作原理如图1所示。圆形线圈I中通入直流信号，产生稳定的静态偏置磁场Bdc，其方向沿铁钴合金条带2的宽度方向。环绕式矩形线圈3绕制在铁钴合金条带2上，并在其中通入交流信号，产生交变的动态磁场Bac，其方向沿铁钴合金条带2的圆周方向。磁场Bac与Bdc方向正交，由魏德曼效应可知，铁钴合金条带2中将产生剪切形变，并形成应力波。 同理，图2中当环绕式矩形线圈3中通入直流信号，圆形线圈I中通入交流信号时，由魏德曼效应可知，铁钴合金条带2中同样将产生剪切形变，并形成应力波。 为实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案: 所述的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于，传感器包括两个半圆柱壳形状的检测单元8、排线式圆形线圈14和机械夹持装置，其中检测单元如图3所示，由铁钴合金条带2、环绕式矩形线圈3、橡胶层5组成；环绕式矩形线圈3预先绕制在铁钴合金条带2上，并经环氧树脂4粘接，与外侧的橡胶层5固化形成半圆柱壳形状的检测单元8。其中橡胶层5的作用是在机械加压耦合时作为缓冲层，避免因压力过大导致环绕式矩形线圈3损坏。 如图4所示环绕式矩形线圈3可沿检测单元环向等分成N(1 < N < 8)组矩形线圈6，当环绕式矩形线圈3作为直流励磁线圈时，两个检测单元中共2N组矩形线圈6串联连接，用于提供静态磁场对铁钴合金条带2进行磁化；当环绕式矩形线圈3作为交流传感线圈时，两个检测单元8中共2N组矩形线圈6各自独立，形成圆周阵列式结构，均可在被测结构中激励与接收扭转模态超声导波。 所述的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于，排线式圆形线圈14缠绕方向与环绕式矩形线圈3方向保持正交。 两个检测单元8可对接扣合在圆管、圆杆等结构表面，以机械耦合方式进行工作，此时传感器可实现现场拆装；或采用环氧树脂粘贴在圆管、圆杆等结构表面，用于管道的长期监测。采用导电插销7可实现两个检测单元8中矩形线圈6的连接，如图5所示。 所述的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于，机械夹持装置如图4所示，包括工字轴9、连接螺栓12、夹板11及钢带13，两个工字轴9平行放置，两端由连接螺栓12进行连接，间距可通过连接螺栓12进行调整；机械夹持装置可对排线式圆形线圈14及检测单元8施加径向载荷。安装于管道15的机械夹持装置如图6所示，钢带13缠绕包覆在排线式圆形线圈14及检测单元8上，钢带13两端头穿过两个工字轴9的间隙，经夹板11和紧固螺钉10与工字轴9固定，钢带13端头与夹板11的距离可调整。 所述的基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于，排线式圆形线圈14环绕在检测单元8外侧，穿过机械夹持装置，如图7、图8所示。采用图9所示的连线方式，排线式圆形线圈14经适配器16连接后形成通路。 本专利技术可以获得如下有益效果: 1、采用环绕线圈中通入直流的方式进行励磁，可使铁钴合金条带中的静磁场分布均匀，保持恒定且可调整，将确保铁钴合金条带具有较高的磁致伸缩系数，以增大其换能效率，提高传感器激励扭转模态超声导波的能量。 2、采用基于正交环绕线圈的结构，易于实现圆周阵列式传感器与单通道传感器间的相互转换，且传感器结构简洁。相互转换时，无需重新设计传感器结构，仅需改变检测单元中矩形线圈的连接方式。 3、相比传统磁致伸缩传感器，两组正交的环绕式线圈可功能互换，均可作为直流励磁线圈与交流传感线圈。 4、采用新型机械夹持装置，便于传感器的快速安装与拆卸，且可以使传感器与圆管、圆杆等结构形成良好的机械耦合，提高超声导波的传递效率。 【专利附图】【附图说明】 : 图1圆形线圈做励磁线圈时传感器的工作原理示意图； 图2环绕式矩形线圈做励磁线圈时传感器的工作原理示意图； 图3检测单元单通道截面示意图； 图4检测单元多阵元截面示意图； 图5检测单元整体示意图； 图6机械夹持装置示意图； 图7传感器安装俯视图； 图8传感器安装侧视图； 图9适配器示意图； 图10缺陷检测试验装置示意图； 图11典型的缺陷检测回波信号。 图中:1_圆形线圈2-铁钴合金条带3-环绕式矩形线圈4-环氧树脂5-橡胶层 6-矩形线圈7-导电插销8-检测单元9-工字轴10-紧固螺钉11_夹板 12-连接螺栓13-钢带14-排线式圆形线圈15-管道16-适配器 【具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于正交环绕线圈的圆周阵列式磁致伸缩传感器，其特征在于：其包括两个半圆柱壳形状的检测单元(8)、排线式圆形线圈(14)和机械夹持装置，其中检测单元包括铁钴合金条带(2)、环绕式矩形线圈(3)、橡胶层(5)；排线式圆形线圈(14)环绕在检测单元(8)外侧，穿过机械夹持装置，采用适配器连接形成通路；机械夹持装置对排线式圆形线圈(14)及检测单元(8)施加径向载荷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚裕，王磊，刘秀成，吴斌，何存富，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11