一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，涉及管道超声导波无损技术领域，包括两组磁致伸缩贴片的导波换能器阵列，每组导波换能器阵列的多个换能器之间成环状阵列且均匀排布，两组导波换能器阵列交叉排布，通过时延激发偏转角度相反的导波波束，在管道中激发出纯净的单一扭转

【技术实现步骤摘要】
一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器


[0001]本专利技术涉及管道超声导波无损检测
，尤其涉及一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器。

技术介绍

[0002]管道在石油、天然气的长距离运输，化工、水利工程和农业灌溉等领域应用广泛。随着近年来我国经济的快速发展，管道在各个行业中的使用量也日益增长，这就给管道的使用和维修提出了更为严格的要求。管道本身可能存在一定的缺陷，而且多数的管道在工作中往往受到高压、高温、冲击和恶劣环境的影响，导致管路腐蚀和损伤，由此产生泄漏事故比例较高。因此研究管道缺陷检测，对管道腐蚀和损伤预测以及防范重大恶性事故具有重要意义。
[0003]超声导波检测技术由于其传播距离远，衰减小，可以检测管道的整个截面信息等特点，在管道缺陷检测中具有巨大的优势，被广泛运用于管道缺陷检测。
[0004]针对管道的超声导波无损检测，目前主要使用的是轴对称模态导波，包括纵向模态L(0,1)，L(0,2)和扭转模态T(0,1)等。由于纯净的弯曲模态较难激发，工程上使用弯曲模态进行检测的还很少，但弯曲模态导波有将能量主要集中在管道周向的特定角度的特点，使用不同周向聚焦角度的导波进行检测，根据不同回波信号的差别，可以更准确地查找焊缝处缺陷的位置；另外，在管道腐蚀导致的管道壁厚减薄也有着应用潜力，所以，亟需设计制作一种简单易操作的装置来实现激发单一纯净弯曲模态导波目的。
[0005]本领域的研究人员已经对管道中得到弯曲模态进行了一定的研究。L.Jian等在《Angular
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profile tuning of guided waves in hollow cylinders using acircumf erential phased array》、《Excitation and propagation of non
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axisymmetricguide d waves in a hollow cylinder》、《Natural beam focusing of non
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axisymmetric guided waves in large
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diameter pipes》等文章中分别采用波束聚焦和梳状传感器的方式激发管道中的弯曲模态导波，但并非激发纯净单一模态导波；X.Zhan g等在《Excitation of dominant flexural guided waves in elastic hollow cylinde rsusing time delay circular array transducers》中采用时间延迟相位控制的方法成功激发出了较为纯净的扭转弯曲模态T(N,1)，但其激发出的导波为在管道轴向有一定相位差的两个弯曲模态耦合的导波，不能够充分体现并利用弯曲模态导波周向能量聚焦的特点，限制了其应用场景范围；Sun等在《Flexural Torsio nal Guided Wave Mechanics and Focusing in Pipe》中设置了周向排列的压电探头，通过控制各个探头的激励时间延迟，实现了扭转
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弯曲模态导波的聚焦，但其激发的弯曲导波包含多个模态，加大了后期回波信号提取和分析的难度；浙江大学的张小伟等在技术专利《一种阵列式磁致伸缩超声导波换能器》针对大管径螺旋焊缝管道提出一种螺旋阵列式的磁致伸缩换能器，通过调整每个换能组件角度来适应不同螺旋焊管的螺旋角；北京工业大学的何存富等在专利技术专利《一种弯曲模态磁致伸缩传感器》以微细铁磁性圆管作为适用对象，使用柔性印刷线圈激发和接收弯曲模态超声导波，并
且可以通过调整永磁磁路中永磁体数量与安装方式实现一阶弯曲模态与二阶弯曲模态的激励；华中科技大学的徐江等在专利技术专利《一种弯曲模态导波传感器》中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，使用偶数个磁化模块和螺线管线圈在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波。上述各类换能器或是安装拆卸繁琐，或是激发出的弯曲模态不够纯净，不单一，不能够将弯曲模态导波能量聚焦的特性充分利用，限制了弯曲导波的工程应用，且结构复杂，不易制作，且成本较高。

技术实现思路

[0006]为了实现上述目的，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。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，包括：
[0009]两组导波换能器阵列，均包括多个换能器；两组所述导波换能器阵列的多个换能器呈环状交叉排布，每个所述换能器均包括：
[0010]金属贴片，沿管道周向且以预定的间隔角度设置在管道外壁上；
[0011]两块永磁铁，布置在所述金属贴片的两侧，用于在所述金属贴片上产生静磁场；
[0012]柔性印刷电路板贴片，覆盖在所述金属贴片上，所述柔性印刷电路板贴片上印刷有跑道型线圈，所述跑道型线圈用于在管道的轴向方向产生交变磁场；
[0013]通过控制每个换能器的时延分别激发偏转角度相反的导波波束，用于在管道中激发出纯净的单一扭转
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弯曲模态导波，所述静磁场与交变磁场通过联合作用促使金属贴片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。
[0014]优选的，两块所述永磁铁为极性相同永磁铁。
[0015]优选的，所述金属贴片为铁钴合金或者镍片。
[0016]优选的，所述金属贴片与管道通过环氧树脂胶水固定。
[0017]优选的，每一组所述导波换能器阵列中第ξ个换能器的时延时间Td按下式计算：
[0018][0019]其中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，Δt是每组阵列中相邻换能器的间隔时间，f是激发频率，ξ是换能器的序数，η是换能器的总个数。
[0020]优选的，多个所述永磁铁的磁极方向均一致。
[0021]优选的，两组所述导波换能器阵列的编号分别为A1,A2,A3,A4...An；B1,B2,B3,B4......Bn，其排列顺序为A1,B1,A2,Bn,A3,Bn
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1,A4......An
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1B3,An,B2。
[0022]优选的，两组所述导波换能器阵列中编号相同的换能器时间间隔相同，且通入方向相反的交流电，得到两组所述导波换能器阵列中两个编号相同的换能器的剪切力是相反的。
[0023]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0024]1、本专利技术通过交叉排布的换能器阵列中永磁铁产生的静磁场与跑道型线圈上产生的交变磁场联合作用下产生剪切形变，使得每组换能器具有不同方向的切向力，并通过
控制每组换能器的时延分别激发偏转角度恰好相反的导波波束，在管道中激发出纯净单一的弯曲模态导波。
[0025]2、本专利技术在安装完成后，通过改变交叉延本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，包括：两组导波换能器阵列，均包括多个换能器；两组所述导波换能器阵列的多个换能器呈环状交叉排布，每个所述换能器均包括：金属贴片(2)，沿管道(1)周向且以预定的间隔角度设置在管道外壁上；两块永磁铁(3)，布置在所述金属贴片(2)的两侧，用于在所述金属贴片(2)上产生静磁场；柔性印刷电路板贴片(4)，覆盖在所述金属贴片(2)上，所述柔性印刷电路板贴片(4)上印刷有跑道型线圈，所述跑道型线圈用于在管道的轴向方向产生交变磁场；通过控制每个换能器的时延分别激发偏转角度相反的导波波束，用于在管道(1)中激发出纯净的单一扭转
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弯曲模态导波，所述静磁场与交变磁场通过联合作用促使金属贴片(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外壁。2.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，两块所述永磁铁(3)为极性相同永磁铁。3.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，所述金属贴片(2)为铁钴合金或者镍片。4.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：董浩，伍文君，吕松泽，周宗和，谢海燕，
申请(专利权)人：南通和禾声学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：