基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器及方法，该传感器包括：导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈、瓦片形永磁体、以及用于固定所述瓦片形永磁体和排线并克服永磁体之间的斥力的外壳，所述外壳包括可拆卸连接的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体内分别安装所述导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈以及两片瓦片形永磁体。相对于现有技术，本发明专利技术实现了在不借助磁致伸缩片的情况下实现管道周向励磁，在非接触的情况下实现扭转波检测管道缺陷，增强缺陷检测效果。增强缺陷检测效果。增强缺陷检测效果。

【技术实现步骤摘要】
基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器及方法


[0001]本专利技术涉及管道检测
，特别涉及一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器及方法。

技术介绍

[0002]由于扭转波频散少，管道内外介质对其衰减小，使得其在导波检测中得到广泛关注。为了在管道中产生扭转波，需要提供周向的静态励磁和轴向的动态励磁，但是管道周向上为封闭式结构，因此，难以在周向上实现均匀一致的励磁状态。目前关于扭转波多聚焦于带磁致伸缩片传感器的研究。通过在管道表面使用高磁致伸缩系数的材料能够增加磁致伸缩激励效率，但是失去了磁致伸缩导波传感器非接触的特性。磁致伸缩片需要通过耦合剂黏贴在管道表面，因此需要在检测前移除管道的包覆层，防腐漆等材料，还需要对管道表面进行打磨处理，以重复使用传感器，每次传感器黏贴状态难以保持一致，因此增加了传感器成本，使得检测信号复杂化。对于非接触式扭转模态导波传感器的研究主要集中在使用周期性排布的磁极(Periodicpermanent Magnet，PPM)的扭转波传感器。当管道直径或是表面积较小时，就会限制永磁体的摆放数量。
[0003]最早是Kwun利用预先磁化的磁致伸缩片来提供周向静态磁场，然后利用螺线管线圈提供轴向动态磁场，以此来产生扭转波进行管道检测。Kim及其团队在磁致伸缩扭转波检测中做了大量的研究工作。采用一系列倾斜45
°
的磁致伸缩片和螺线管线圈来产生扭转波。为了进一步提高扭转波激励效率，采用了V型和Z型磁致伸缩片，这两种磁致伸缩片仅中间45
°
倾斜的部分黏贴在管道上，其余部分仅做导磁作用。通过比对Kim和Kwun团队设计的扭转波实验装置，利用磁带作为磁致伸缩材料黏贴在管道上实现磁致伸缩扭转波检测，使得扭转波状态监测装置更便携，有利于实现长期结构健康监测。当采用折线形导线和磁致伸缩片进行激励时，控制导线之间的间距实现导波模态控制，结合兆赫兹的扭转波提高缺陷检测的分辨率，通过该传感器还能实现周向缺陷的检测。为了提高管道检测缺陷能力，利用周期性排布的磁极Periodicpermanent Magnet，PPM和跑道型线圈作为检测管道的T波阵列，通过优化磁极个数、间距以及排布方式来提高的缺陷导波幅值，增强导波检测管道周向缺陷位置的能力。
[0004]缺陷检测是为能够对试件状态进行判断，预估剩余寿命，因此对缺陷的定位及定量化分析，决定检测性能的好坏。导波检测缺陷多采用反射波幅值映射缺陷大小，通过研究管道缺陷参数对导波反射系数的关系，以判断试件的状态，还可以通过导波幅值和频散曲线的变化判断试件的状态。通过对缺陷形状、深度、宽度与扭转波幅值的关系进行了深入研究，以便于对缺陷进行分类与识别。由于轴向缺陷的截面损失较小，因此采用传统的轴向和周向导波难以实现轴向缺陷检测，因此采用平面式八字形线圈传感器在管道中产生螺旋传播的扭转波，通过分析接收的导波信号与无缺陷导波信号的差别能够判别出管道中是否存在轴向缺陷。由于轴向缺陷所占截面比率较小，使得其检测较为困难。通过研究发现，当轴向缺陷深度超过管厚度的70％时，在扭转波检测下能够有较好的回波信号，但检测信号包
含尾随信号，利用尾随信号的特点能区分腐蚀和周向缺陷。通过压缩感知方法能够减小导波的采样率和数据量，实现长时间监测管道缺陷，还能够减小导波中的噪声信号。采用Gabor小波对导波信号进行分析和信息提取，能够发现裂纹反射信号幅值与裂纹深度成正比。
[0005]当被测导磁材料被施加静态磁场时，磁致伸缩应变ε与磁场强度H间的关系如附图1所示，由附图1可知，当不施加静态磁场或者静态磁场过小时，磁致伸缩应变ε频率为动态磁场频率的二倍，其强度与动态H成正比，正弦波形有一定的畸变。当静态磁场处于中等强度时，ε频率与动态H频率一致，同时ε大小与H成正比，并根据附图1中对应曲线的斜率进行放大，且ε为标准的正弦波形。当静态磁场处于饱和时，H的频率与ε的频率相等，但是相位反相，正弦波形有一定的畸变。综上可知，在利用磁致伸缩导波进行检测时，其静态磁场应处于中等强度，使得动态磁场能够产生较大的磁致伸缩应变ε，增强导波激励效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提出一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器及方法，旨在实现在非接触的情况下实现扭转波检测管道缺陷，利用不同的传感器组合实现扭转波检测，提高扭转波的适用范围，增强缺陷检测效果。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，包括：导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈、瓦片形永磁体、以及用于固定所述瓦片形永磁体和排线并克服永磁体之间的斥力的外壳，所述外壳包括可拆卸连接的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体内分别安装所述导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈以及两片瓦片形永磁体。当被测管道可安装全封闭式传感器时，将上壳体和下壳体连接，通过四片永磁体增强管道中的静态磁场强度来增强导波幅值；当被测管道中不适合安装全封闭式传感器时，则在上壳体或下壳体内放置两片永磁体，利用该传感器同样能实现扭转波的激励和检测。
[0008]本专利技术进一步地技术方案是，所述上壳体和下壳体的内壁设置有垫片。
[0009]本专利技术进一步地技术方案是，所述上壳体与所述下壳体之间通过合页可拆卸连接。
[0010]本专利技术进一步地技术方案是，所述上壳体和下壳体上设置有挡板。
[0011]本专利技术进一步地技术方案是，当被测管道中可安装全封闭式传感器时，将所述上壳体和所述下壳体连接，通过四片瓦片形永磁体增强管道中的静态磁场强度以增强导波幅值；当被测管道中不适合安装封闭式传感器时，则通过在所述上壳体或下壳体内安装两片瓦片形永磁体，实现扭转波的激励和检测。
[0012]为实现上述目的，本专利技术还提出一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测方法，所述方法包括以下步骤：
[0013]S10，根据被测管道情况安装对应的磁致伸缩扭转波传感器，记录激励传感器的位置L1和检测传感器的位置L2；
[0014]S20，利用信号发生器产生脉冲正弦信号后，通过功率放大加载到扭转波激励传感器上，通过磁致伸缩效应及洛伦磁力效应，激励传感器将电信号转化为机械信号的导波，使得导波在被测管道中传播；
[0015]S30，在检测传感器获得导波信号时，根据导波波速和导波飞行时间计算得到导波
传播距离，再通过检测传感器的位置，获得管道缺陷的位置信息；
[0016]S40，利用缺陷导波信号幅值大小获得缺陷的大小信息。
[0017]本专利技术进一步地技术方案是，所述根据导波波速和导波飞行时间计算得到导波传播距离，再通过检测传感器的位置，获得管道缺陷的位置信息的步骤包括：
[0018]根据激励传感器和检测传感器之间的距离，计算得到导波波速v1：
[0019][0020]式中，L1为激励传感器位置，L2为检测传感器位置，T0为导波激发时间，T1为导波从激励传感器到检测传感器的时间；
[0021]因此，缺陷检测的位置为：
[0022][0023]式中，L...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征在于，包括：导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈、瓦片形永磁体、以及用于固定所述瓦片形永磁体和排线并克服永磁体之间的斥力的外壳，所述外壳包括可拆卸连接的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体内分别安装所述导磁结构、螺旋管线圈或放置式线圈以及两片瓦片形永磁体。2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征在于，所述上壳体和下壳体的内壁设置有垫片。3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征在于，所述上壳体与所述下壳体之间通过合页可拆卸连接。4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征在于，所述上壳体和下壳体上设置有挡板。5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于磁致伸缩扭转波的管道检测传感器，其特征在于，当被测管道中可安装全封闭式传感器时，将所述上壳体和所述下壳体连接，通过四片瓦片形永磁体增强管道中的静态磁场强度以增强导波幅值；当被测管道中不适合安装封闭式传感器时，则通过在所述上壳体或下壳体内安装两片瓦片形永磁体，实现扭转波的激励和检测。6.一种基于磁致伸缩扭转波的管道检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S10，根据被测管道情况安装对应的磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东来，高伟，张恩超，晏小兰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：