一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器制造技术

本发明专利技术属于无损检测技术领域，公开了一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，包括以预定的螺旋夹角呈螺线状缠绕呈筒形的高磁致伸缩性条体；线圈套装在高磁致伸缩性条体上；多个永磁铁呈螺线状布置在线圈的外侧，将高磁致伸缩性条体缠绕在待测的管道上，给线圈中通交流电流时，线圈在管道的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁在高磁致伸缩性条体上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体的螺旋线方向，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁，在管道中激发出扭转

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器


[0001]本专利技术涉及无损检测
，特别涉及一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器。

技术介绍

[0002]伴随着经济发展和社会现代化建设，管道在工业生产和日常生活中发挥着越来越重要的作用，因此，保证工业管道、城市管网等管路的安全可靠显得尤为必要。然而，由于管道多工作于地下、水中等条件中，受压力、防腐层损坏等因素影响，在时间累积下，管道会逐渐形成腐蚀与疲劳裂纹，最终导致管道开裂泄漏，引起财产损失、环境破坏、人员伤亡等重大问题，因此，需要定期对管道进行健康状态监测。
[0003]目前，对管道进行健康状态监测主要采用无损检测，无损检测时主要使用轴对称模态导波进行，轴对称模态导波主要包括纵向模态L(0,1)，L(0,2)和扭转模态T(0,1)。但是由于传统轴对称模态导波无法对缺陷进行周向定位和对裂纹方向进行识别，因此弯曲模态导波作为轴对称模态导波的有益补充，出现在超声导波无损检测技术的应用上。
[0004]现有的弯曲模态导波激发装置，设置了周向排列的多个压电探头，通过控制各个压电探头的激励时间延迟，实现了扭转
‑
弯曲模态导波的聚焦，但这种阵列式换能器时间控制的准确度较低，很难激发出纯净的弯曲模态，且结构复杂，不易制作，安装过程繁琐，由于探头昂贵使得整体的经济成本较高，不能满足实际工程应用的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，以克服上述现有技术中存在的问题。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，包括：
[0008]高磁致伸缩性条体，以预定的螺旋夹角
ɑ
呈螺线状缠绕呈筒形；
[0009]线圈，套装在所述高磁致伸缩性条体上；
[0010]多个永磁铁，呈螺线状布置在所述线圈的外侧；
[0011]将高磁致伸缩性条体缠绕在待测的管道上，给线圈中通以交流电流时，线圈在管道的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁在高磁致伸缩性条体上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁，从而在管道中激发出扭转
‑
弯曲模态导波。
[0012]优选的，所述高磁致伸缩性条体是铁钴镍条带。
[0013]优选的，所述螺旋夹角
ɑ
按下式计算：
[0014][0015]式中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，c
p
是待测管道目标模态的相速度，f是激发频率，R是管道的外径，
ɑ
是螺旋夹角。
[0016]优选的，多个永磁铁的磁极方向一致。
[0017]优选的，线圈的宽度大于高磁致伸缩性条体的整体宽度。
[0018]优选的，多个永磁铁等间隔布置。
[0019]与现有技术相比，本专利技术提供的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其有益效果是：
[0020]1、本专利技术适用于各种尺寸各种材质管道，可满足各种实际工程应用的需求；
[0021]2、本专利技术可激发出纯净的弯曲模态，且结构简单，易于制作，经济成本较低，安装方便，操作容易，实用性强，值得推广使用。
附图说明
[0022]图1是本专利技术的扭转
‑
弯曲模态导波换能器全视图；
[0023]图2是本专利技术的扭转
‑
弯曲模态导波换能器正视图；
[0024]图3是本专利技术的扭转
‑
弯曲模态导波换能器侧视图；
[0025]图4是本专利技术的扭转
‑
弯曲模态导波换能器永磁体排列图；
[0026]图5是本专利技术的实施例管道群速度频散曲线图；
[0027]图6是本专利技术的实施例目标弯曲模态T(1,1)Polar图；
[0028]图7是本专利技术的实施例管道螺旋夹角频散曲线图；
[0029]图8是本专利技术的实施例实验设置图；
[0030]图9是本专利技术的实施例频率f＝50kHz周向位移时域图；
[0031]图10是本专利技术的实施例目标模态纯净度结果图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图的图1到图10，对本专利技术的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0033]实施例1
[0034]如图1、图2、图3和图4所示，本专利技术提供的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，通过螺旋激励方式，在管道1中可激发单一纯净的扭转
‑
弯曲模态。
[0035]其中，换能器的具体结构包括高磁致伸缩性条体2，高磁致伸缩性条体2以预定的螺旋夹角
ɑ
呈螺线状缠绕呈筒形，套装在管道1外壁上，螺旋夹角
ɑ
是指的是高磁致伸缩性条体2缠绕时与管道横截面所成的一定的夹角，高磁致伸缩性条体2与管道1的外壁之间用环氧树脂胶水进行粘接固定。在管道1上还套装有线圈3，线圈3位于高磁致伸缩性条体2外围，线圈3的宽度略大于高磁致伸缩性条体2的整体宽度，以便在高磁致伸缩性条体2上产生均匀的轴向交变磁场。线圈3的外围等间隔布置了多个永磁铁4，多个永磁铁4呈螺线状布置在高磁致伸缩性条体2的外侧，每两个永磁铁4之间相差的角度相等，以便在高磁致伸缩性条体2上产生沿螺旋方向的静磁场，永磁体4的排列图如图4所示。需要注意的是永磁体的NS极的方向，设置时要保证多个永磁铁4的磁极方向一致。
[0036]当线圈3中通以交流电流时，线圈3在管道1的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁
4在高磁致伸缩性条体2上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体2的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体2在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道1外壁，从而在管道1中激发出扭转
‑
弯曲模态导波。
[0037]进一步具体的，高磁致伸缩性条体2优选为铁钴镍条带。
[0038]进一步的，螺旋夹角
ɑ
按下式(1)计算：
[0039][0040]式中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，c
p
是待测管道1的目标模态的相速度，f是激发频率，R是管道1的外径，
ɑ
是螺旋夹角。
[0041]具体的，设计制作某一管道的单一纯净扭转
‑
弯曲导波换能器的方法包括以下步骤：
[0042]首先利用半解析有限元法计算得到该管道在不同频率下的各种模态的波结构和波数等参数，选取周向位移目标模态扭转
‑
弯曲模态T(N,m)，其对应的螺旋夹角
ɑ
为：
[0043][0044]计算得到不同频率下各个弯曲模态所对应的螺旋夹角
ɑ
，绘制得到螺旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，其特征在于，包括：高磁致伸缩性条体(2)，以预定的螺旋夹角
ɑ
呈螺线状缠绕呈筒形；线圈(3)，套装在所述高磁致伸缩性条体(2)上；多个永磁铁(4)，呈螺线状布置在所述线圈(3)的外侧；将高磁致伸缩性条体(2)缠绕在待测的管道(1)上，给线圈(3)中通以交流电流时，线圈(3)在管道(1)的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁(4)在高磁致伸缩性条体(2)上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性条体(2)的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性条体(2)在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道(1)外壁，从而在管道(1)中激发出扭转
‑
弯曲模态导波。2.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍文君，董浩，周宗和，吕松泽，谢海燕，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：