CN101551254B - 一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器，属于声学传感器技术领域。本发明使用永磁铁在传感器附近产生偏置磁场，当漆包线两端加上交变电压时，会在钢绞线上产生交变磁场，由于铁磁材料存在磁致伸缩效应，在钢绞线中会产生局部的机械振动，这种振动会从激励源向两个方向同时传播，根据磁致伸缩逆效应而被接收传感器捕获到。螺线管上环绕有多层漆包线，层与层之间用黑色胶带相隔，每两个台阶之间部分的各层漆包线的环绕方向均相同，各层环绕的漆包线之间采用并联或串联的方式进行连接，同时用于激励和接收信号。本发明解决磁致伸缩传感器在钢绞线中接收信号幅值低、信噪比差的现状，使检测范围和检测精度得到了有效的提升。

Description

一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器
技术领域
本发明涉及一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器，属于声学传感器技术领域，其作用是把传感器产生的电磁能通过钢绞线转换成机械能(声能)，并通过对机械能(声能)的分析来对钢绞线的预应力大小、缺陷有无等进行检测。该传感器不仅可以用于钢绞线的长距离检测，也可用于管道流体流量的无损在役测量。
背景技术
现今，对于钢绞线的预应力大小、缺陷有无等进行检测的传感器多为压电传感器，但此种传感器安装复杂，重复性较差，因此给实际检测带来了很多不便。北京工业大学申请的公开号为CN101126623的发明专利提出了一种用于钢绞线超声导波检测的磁致伸缩传感器，安装简便且信号重复性好，但能量转换效率低，接收信号幅值低、信噪比差，限制了其检测范围和检测精度。
发明内容
本发明的目的在于解决了预应力钢绞线中施加的预应力.大小无法快速、准确、在役测量的缺陷，以及管道流体流量的无损在役测量，提出了一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器。本发明中的传感器提高了检测信号的幅度及信噪比，进而增加了检测范围，提高了检测精度。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括激励端传感器和接收端传感器，激励端传感器包括鞍片3、永磁铁4、轭铁5、以及套在钢绞线1外表面的夹片2和螺线管6，螺线管6外表上的两端及中间部分均设置有台阶，每两个台阶之间的部分都环绕有漆包线7，每经过一个台阶漆包线7便改变一次环绕方向；螺线管6的两端均设置有夹片2，夹片2内表面形状与钢绞线外表面形状相适应并与钢绞线紧密接触。在夹片2的外表面套有鞍片3(当进行管道检测时可直接将鞍片3套在管道外表面，无需夹片2)，鞍片3的外表面沿圆周方向均匀固定有三片永磁铁4，轭铁5与位于螺线管6两端的、在钢绞线1同一轴线方向上的两块永磁铁4的外端面相连接；接收端传感器的结构与激励端传感器的上述结构相同，并与激励端传感器沿钢绞线的轴向并列布置。所述的激励端传感器和接收端传感器的螺线管6上所环绕的漆包线7为N层，N为大于等于2小于等于6的整数，层与层之间设置有绝缘层，每两个台阶之间部分的各层漆包线的环绕方向相同，各层环绕的漆包线之间采用并联或串联的方式进行连接，漆包线7的两端与功率放大器相连。
本发明采用了以上的技术方案，使得传感器所接收到的检测信号的幅度有较大的提高，信号的信噪比得到比较明显的改善，进而增加了磁致伸缩传感器的有效检测范围并提高了检测精度。
附图说明
图1本发明整体安装示意图；
图2螺线管6上三层线圈缠绕的示意图；
图3不同层数线圈串并联激励时的接收信号对比，(a)单层线圈激励，(b)双层线圈并联激励，(c)三层线圈并联激励，(d)双层线圈串联激励，(e)三层线圈串联激励，(f)幅度比；
图4不同层数线圈串并联接收时的信号对比，(a)单层线圈接收，(b)双层线圈并联接收，(c)三层线圈并联接收，(d)双层线圈串联接收，(e)三层线圈串联接收，(f)幅度比；
图5激励接收传感器优化前后的接收信号对比，(a)单层线圈激励接收，(b)优化后激励接收。
图中，1、钢绞线或管道，2、夹片，3、鞍片，4、永磁体，5、轭铁，6、螺线管，7、漆包线。
具体实施方式
结合本发明方法的内容提供一下实施例：
本实施例的结构如图1所示，主要包括激励端传感器和接收端传感器，传感器主要包括有鞍片3、永磁铁4、轭铁5、以及套在钢绞线1外表面的夹片2和螺线管6，螺线管6外表上的两端及中间部分均设置有台阶，每两个台阶之间的部分都环绕有漆包线7，每经过一个台阶漆包线7便改变一次环绕方向，漆包线7的两端与信号发生器相连。螺线管6的两端均设置有夹片2，在夹片2的外表面套有鞍片3，鞍片3的外表面沿圆周方向均匀固定有三片永磁铁4，轭铁5与位于螺线管6两端的、在钢绞线1同一轴线方向上的两块永磁铁4的外端面相连接。螺线管6上所环绕的漆包线7共有三层，内层线圈的两端为711和712，中层线圈的两端为721和722，外层线圈的两端为731和732，层与层之间用黑色胶带相隔，每两个台阶之间部分的各层漆包线的环绕方向均相同，若将线圈端头712和721相连接，端头722和731相连接，再将激励电压加载在线圈端头711和732，即可实现三层线圈的串联连接。若将线圈端头711、721和731相连接，端头712、722和732相连接，再将激励电压加载在线圈端头711和712，即可实现三层线圈的并联连接，如图2所示。
本实施例中钢绞线为7芯，公称直径18.30mm，中心钢丝直径为6.30mm，外围钢丝直径为6.00mm。钢绞线的密度为7843kg/m3，其纵波波速5990m/s，横波波速3233m/s。将激励传感器和接收传感器安装在一根钢绞线中，两者相距L＝500mm。由函数发生器产生峰峰值为200mV的经汉宁窗调制的10个震荡周期的单音频信号，选择的频率为160kHz。激励信号经功率放大器进行功率放大，激励的导波信号在激励传感器和接收传感器的不同线圈组合形式下的钢绞线中传播，经传播距离L后，接收传感器接收信号，在数字示波器显示，并通过端口存储到计算机中。
首先，接收用磁致伸缩型传感器使用单层线圈，激励传感器分别采用单层线圈、双层线圈并联、三层线圈并联、双层线圈串联、三层线圈串联五种方式进行激励，实验结果如图3(a)-(e)所示，图3(f)给出了各种条件下接收到的第一个波包的峰峰值与单层线圈激励条件下接收波包峰峰值的比值。其次，激励用磁致伸缩型传感器使用单层线圈，接收传感器分别采用单层线圈、双层线圈并联、三层线圈并联、双层线圈串联、三层线圈串联五种方式进行接收，实验结果如图4(a)-(e)所示。图4(f)给出了各种条件下接收到的第一个波包的峰峰值与单层线圈接收条件下接收波包峰峰值的比值。通过分析图3和图4信号可以看出，随着线圈层数的增加，接收信号的幅度越来越大，但增加的幅度有所减少，对于激励传感器，采用线圈并联的方式比串联的方式增加的幅度更大，对于接收传感器，采用线圈串联的方式比并联的方式增加的幅度更大。
通过上述分析可知，三层线圈并联用于激励传感器，三层线圈串联用于接收传感器可使接收信号的效果达到最佳。图5为采用单层线圈用于激励接收传感器和采用三层线圈并联用于激励接收传感器，三层线圈串联用于接收传感器时的接收信号对比，从图5中可以明显看出，通过采用三层线圈并联用于激励传感器，三层线圈串联用于接收传感器的组合方式后，接收信号的幅值增加了57％，有效地提高了磁致伸缩型传感器的检测性能。

Claims (2)

1.一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器，包括激励端传感器和接收端传感器，激励端传感器包括鞍片(3)、永磁铁(4)、轭铁(5)、以及套在钢管外表面的螺线管(6)，螺线管(6)外表上的两端及中间部分均设置有台阶，每两个台阶之间的部分都环绕有漆包线(7)，每经过一个台阶漆包线(7)便改变一次环绕方向；鞍片(3)套在钢管外表面并与螺线管(6)的两端紧密接触，在鞍片(3)的外表面沿圆周方向均匀固定有三片永磁铁(4)，轭铁(5)与位于螺线管(6)两端的、在钢管同一轴线方向上的两块永磁铁(4)的外端面相连接；接收端传感器的结构与激励端传感器的上述结构相同，并与激励端传感器沿钢管的轴向并列布置；其特征在于：所述的激励端传感器和接收端传感器的螺线管(6)上所环绕的漆包线(7)为N层，N为大于等于2小于等于6的整数，各层漆包线中间设置有绝缘层，每两个台阶之间部分的各层漆包线的环绕方向相同，各层环绕的漆包线之间采用并联或串联的方式进行连接，漆包线(7)的两端与功率放大器相连。
2.根据权利要求1所述的一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器，其特征在于：当激励端传感器和接收端传感器安装在钢绞线上时，在螺线管(6)两端的钢绞线上还设置有夹片(2)，夹片(2)内表面形状与钢绞线外表面形状相适应并与钢绞线紧密接触，鞍片(3)套在夹片(2)的外表面。
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