CN103424472B - 一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置，包括：信号发生器、连接该信号发生器的功率放大器、连接该功率放大器的激励传感器、检测传感器、连接该检测传感器的信号调理器、连接该信号调理器的信号采集存储器、连接该信号采集存储器的PC机以及给上述装置供电的电源；其中，所述信号发生器还连接所述信号采集存储器；所述激励传感器包括永磁体和沿周向绕在检测对象上的激励线圈，所述检测传感器包括永磁体和沿周向绕在检测对象上的检测线圈。多层激励线圈嵌套，激励出能量更强的导波，扩大了导波的有效检测距离。多层检测线圈逐层串联，提高了导波回波信号幅值，获得了较高检测信噪比，增加了检测灵敏度。

Description

一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置及检测方法。

背景技术

磁致伸缩导波是一种依据于磁致伸缩效应在管道横截面上、钢丝绳中产生弹性波，并沿管道、斜拉索长度方向传播，当遇到由于缺陷导致横截面积发生变化或机械阻抗发生变化的位置即发生机械波反射，从而传播回检测传感器位置处，并依据逆磁致伸缩效应检测出回波信号的无损检测方法，其具有可单点激励、单点检测，无需移动传感器，并可一次实现地上单一架空管道、斜拉索等构件近百米范围的缺陷检测等优点。

无损检测应用中，当应用检测对象为工业管道时，管道运行过程中载有气体、液体等流体载荷，而纵波会在从管道壁中耦合到液体、气体等介质中传播，并发生波模态转换，导致导波的能量损失，从而减少检测距离，并由此造成缺陷回波信号幅值下降，即缺陷检测灵敏度及回波信号信噪比下降，使信号与噪声难以区分。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置及检测方法，激励出能量更强的导波，扩大导波有效检测距离，提高导波回波信号幅值，获得较高检测信噪比，增加检测灵敏度。

本发明的技术方案是一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置，包括：信号发生器、连接该信号发生器的功率放大器、连接该功率放大器的激励传感器、检测传感器、连接该检测传感器的信号调理器、连接该信号调理器的信号采集存储器、连接该信号采集存储器的PC机以及给上述装置供电的电源；其中，所述信号发生器还连接所述信号采集存储器；所述激励传感器包括永磁体和沿周向绕在检测对象上的激励线圈，该激励线圈至少2层嵌套，每一层激励线圈的轴向长度相同，且每一层激励线圈单独连接一个功率放大器，所述永磁体沿检测对象的周向设置在所述激励线圈表面；所述检测传感器包括永磁体和沿周向绕在检测对象上的检测线圈，所述检测线圈连接所述信号调理器，所述检测线圈至少2层嵌套，每一层检测线圈的轴向长度相同，且所有检测线圈逐层串联，所述永磁体沿检测对象的周向设置在所述激励线圈表面。

信号发生器产生一个幅度调制脉冲信号，同时发出一个触发脉冲到信号采集存储器。脉冲信号经由功率放大器实现电压放大、电流放大输出，从而在激励传感器的检测对象横截面上产生一个交变的电磁场，激励线圈提供的交变磁场与永磁体提供的直流磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着管道长度方向传播。在距离激励传感器0.7m处，布置检测传感器，当弹性波遇到缺陷或损伤后，则返回一个机械回波，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器检测到回波信号，并经信号调理后，被信号采集并存储，最后将数据上传到PC机中，经由后续信号处理，获得回波中的损伤或缺陷信息。横波避免了导波的能量的快速减少，激励线圈至少2层嵌套，激励出能量更强的导波，扩大了导波有效检测距离，多层线圈逐层串联，并在同一处叠加，提高了回波信号幅值，获得较高检测信噪比，增加了检测灵敏度。

进一步地，所述功率放大器包括电压放大器和电流放大器，电压放大器连接所述信号发生器，电流放大器连接所述激励传感器；所述信号采集存储器包括信号采集卡和数据存储器，该信号采集卡连接信号调理器，该数据存储器连接所述PC机。信号发生器产生的脉冲信号进入电压放大器进行电压放大，脉冲信号再从电压放大器进入电流放大器，进行电流放大，最后进入激励传感器中。信号采集卡采集经过信号调理后的回波，并将采集到的回波发送到数据存储器中，所述数据存储器将回波的数据发送到PC机，进行后续处理。

进一步地，激励线圈有3层，每层激励线圈的匝数相同，合成更强的电磁场，因磁致伸缩效应，激励了出的导波能量同样线性增加，从而增大的导波传播距离。与每一层激励线圈分别连接的3个功率放大器产生的功率相同。3个功率相同的功率放大器分别连接3层激励线圈，保证每个激励线圈得到足够的激励电流。

进一步地，与每一层激励线圈分别连接的3个功率放大器输出电流波形及起始时刻相同，从而使得合成磁场的大小与线圈层数成正比，激励出的有效导波能量增加。

进一步地，设置在激励线圈表面的永磁体有4个，沿激励线圈表面均匀分布，相邻永磁体上相邻磁极的极性相反。4个永磁体产生直流磁场，与线圈提供的交变磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着管道长度方向传播，该机械弹性波为横波。

进一步地，激励线圈产生电磁场，该电磁场的计算公式为：

$H=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i$

该公式中，i表示第i层激励线圈,为1～10内的整数；n表示激励线圈的层数；H_i表示第i层激励线圈激励出的交变磁场强度的安匝数，H即为多层激励线圈的合成磁场强度的安匝数。

进一步地，检测线圈共有3层，每一层检测线圈匝数相同且同向缠绕；设置在检测线圈表面的永磁体有4个，沿检测线圈表面均匀分布，相邻永磁体上相邻磁极的极性相反。3层线圈逐层串联，并在同一处叠加，由于逆磁致伸缩效应，检测到的导波回波电压信号幅值增加，增强对微弱信号的检测能力，提高检测灵敏度。

进一步地，检测传感器检测到电压信号的计算公式为：

U＝-(S₁+S₂+...+S_i+...+S_n)NdB/dt

该公式中，表示每一层的检测线圈匝数，一般取2～100间的整数；表示单位时间内检测线圈截面上磁感应强度的变化率；表示第i层检测线圈的截面积；U表示检测线圈检测到总电压值。

本发明的另一个技术方案为一种基于磁致伸缩导波的横波检测方法，包括如下步骤：

S1、电源开始供电，所述信号发生器产生一个幅度调制脉冲信号，同时发出一个触发脉冲到信号采集卡；

S2、所述脉冲信号进入功率放大器中的电压放大器，实现电压放大，再进入功率放大器中的电流放大器，实现电流放大，然后进入激励传感器；

S3、在激励传感器的检测对象横截面上产生一个交变的电磁场；激励线圈提供的交变电磁场与激励传感器中的永磁体提供的直流磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着检测对象的长度方向传播，所述机械弹性波为横波；

S4、当所述机械弹性波遇到缺陷或损伤后，返回一个机械回波，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器检测到回波信号；

S5、信号调理器对回波信号进行调理，然后，将回波信号发送到信号采集卡；

S6、信号采集卡采集调理后的回波信号，然后存储在信号采集存储器中的数据存储器中；

S7、所述数据存储器将数据上传到PC机中，PC机通过系统计算，产生时间与回波幅值关系的信号图，在该信号图中，显示了检测对象上有缺陷或损伤的位置对应的时间点，通过计算，得出有缺陷或损伤的位置与检测传感器的距离，得出缺陷或损伤的位置。

进一步地，步骤S3中的信号调理包括三个步骤：

S31、对回波信号进行阻抗匹配；

S32、对回波信号滤波；以及

S33、对回波信号进行电压放大。

进一步地，步骤S1中，所述信号采集卡接收到触发脉冲后，检测传感器开始检测回波信号，该回波信号为电压信号。

进一步地，在信号图中，因磁致伸缩效应激励出的横波到达检测侧线圈时，检测出的电压信号为直达波；导波到达钢管端部后，由于端部为100%的截面积损失，则导波发生全反射，并传播到达检测传感器处，此时，由检测线圈检测出的回波电压信号为首次端部回波；对直达波与首次端部回波之间的信号进行分析，根据波幅及相位相对于幅度调制脉冲信号的变化，找出有缺陷或损伤处的回波，并确定接收该回波的时间点。

有益效果：第一，激励传感器中永磁体沿周向分布，并周向直流磁化，而线圈沿被检测对象外表面周向缠绕，从而确保磁致伸缩效应激励出横波弹性波，并据逆磁致伸缩效应检测出横波回波；第二，使用3个功放对激励传感器的3层激励线圈同时激励，从而使激励出导波能量增加，确保导波检测距离增大；第3，使用3层检测线圈逐层串联，并在同一处叠加，从而确保检测到的导波回波电压信号幅值增加，增强对微弱信号的检测能力，提高检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构框图；

图2是本发明另一种实施例的立体图；

图3是本发明另一种实施例的纵向截面图；

图4是本发明另一种实施例中激励传感器的结构示意图；

图5是本发明另一种实施例中检测传感器的结构示意图；

图6是本发明另一种实施例的回波信号图；

图7是本发明另一种实施例的工作流程图。

图中标记：1-信号发生器；2-电压放大器；3-电流放大器；4-激励传感器；5-检测传感器；6-信号调理器；7-信号采集卡；8-数据存储器；9-PC机；10-电源；11-功率放大器；12-信号采集存储器；13-检测对象；14-永磁体；15-直达波；16-首次端部回波。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

参见图1至图5，一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置，包括：信号发生器1、连接该信号发生器1的功率放大器11、连接该功率放大器11的激励传感器4、检测传感器5、连接该检测传感器5的信号调理器6、连接该信号调理器6的信号采集存储器12、连接该信号采集存储器12的PC机9以及给上述装置供电的电源10；其中，所述信号发生器1还连接所述信号采集存储器12；所述激励传感器4包括永磁体14和沿周向绕在检测对象13上的激励线圈，该激励线圈2层嵌套，每一层激励线圈的轴向长度相同，且每一层激励线圈单独连接一个功率放大器11，所述永磁体14沿检测对象13的周向设置在所述激励线圈表面；所述检测传感器5包括永磁体14和沿周向绕在检测对象13上的检测线圈，所述检测线圈连接所述信号调理器6，所述检测线圈2层嵌套，每一层检测线圈的轴向长度相同，且所有检测线圈逐层串联，所述永磁体14沿检测对象13的周向设置在所述激励线圈表面。

信号发生器1产生一个幅度调制脉冲信号，同时发出一个触发脉冲到信号采集存储器12。脉冲信号经由功率放大器11实现电压放大，然后进行电流放大，然后输出，从而在激励传感器4的检测对象13横截面上产生一个交变的电磁场，激励线圈提供的交变磁场与永磁体14提供的直流磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着管道长度方向传播。在与激励传感器4相距0.7m处，布置检测传感器5，当弹性波遇到缺陷或损伤后，则返回一个机械回波，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器5检测到回波信号，并经信号调理后，被信号采集并存储，最后将数据上传到PC机9中，经由后续信号处理，获得回波中的损伤缺陷信息。横波避免了导波的能量的快速减少，激励线圈2层嵌套，激励出能量更强的导波，扩大了导波有效检测距离，多层激励线圈逐层串联，并在同一处叠加，提高了回波信号幅值，获得较高检测信噪比，增加了检测灵敏度。

优选地，激励线圈4层嵌套，检测线圈4层嵌套。

参见图1，所述功率放大器11包括电压放大器2和电流放大器3，电压放大器2连接所述信号发生器1，电流放大器3连接所述激励传感器4；所述信号采集存储器12包括信号采集卡7和数据存储器8，该信号采集卡7连接信号调理器6，该数据存储器8连接所述PC机9。信号发生器1产生的脉冲信号进入电压放大器2进行电压放大，脉冲信号再从电压放大器2进入电流放大器3，进行电流放大，最后进入激励传感器4中。信号采集卡7采集经过信号调理后的回波，并将采集到的回波发送到数据存储器8中，所述数据存储器8将回波的数据发送到PC机9，进行后续处理。

参见图4，激励线圈有3层，每层激励线圈的匝数相同，合成更强的电磁场，因磁致伸缩效应，激励出来的导波能量同样线性增加，从而增大的导波传播距离。与每一层激励线圈分别连接的3个功率放大器11产生的功率相同。3个功率相同的功率放大器11分别连接3层激励线圈，保证每个激励线圈得到足够的激励电流。

优选地，与每一层激励线圈分别连接的3个功率放大器11输出电流波形及起始时刻相同，从而使得合成磁场的大小与线圈层数成正比，激励出的有效导波能量增加。

参见图3，设置在激励线圈表面的永磁体14有4个，沿激励线圈表面均匀分布，相邻永磁体14上相邻磁极的极性相反。4个永磁体14产生直流磁场，与线圈提供的交变磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着管道长度方向传播，该机械弹性波为横波。

优选地，激励线圈产生电磁场，该电磁场的计算公式为：

$H=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i$

该公式中，i表示第i层激励线圈,为1～10内的整数；n表示激励线圈的层数；H_i表示第i层激励线圈激励出的交变磁场强度的安匝数，H即为多层激励线圈的合成磁场强度的安匝数。

通过一组数据对上述公式进行补充，说明电磁场强度与线圈层数的关系。

参见图2和图3，检测线圈共有3层，每一层检测线圈匝数相同且同向缠绕；设置在检测线圈表面的永磁体14有4个，沿检测线圈表面均匀分布，相邻永磁体14上相邻磁极的极性相反。3层线圈逐层串联，并在同一处叠加，由于逆磁致伸缩效应，检测到的导波回波电压信号幅值增加，增强对微弱信号的检测能力，提高检测灵敏度。

优选地，检测传感器5检测到电压信号的计算公式为：

U＝-(S₁+S₂+...+S_i+...+S_n)NdB/dt

该公式中，表示每一层的检测线圈匝数，一般取2～100间的整数；表示单位时间内检测线圈截面上磁感应强度的变化率；表示第i层检测线圈的截面积；U表示检测线圈检测到总电压值。

通过一组数据对上述公式进行补充，说明检测线圈合成电压与检测线圈层数的关系。

参见图1、图6和图7，一种基于磁致伸缩导波的横波检测方法，包括如下步骤：

S1、电源10开始供电，所述信号发生器1产生一个幅度调制脉冲信号，峰峰值为4V，同时发出一个触发脉冲到信号采集卡7；

S2、所述脉冲信号进入功率放大器11中的电压放大器2，实现电压放大，放大后的电压的峰峰值达到48V，再进入功率放大器11中的电流放大器3，实现电流放大，放大后的电流峰峰值为34A，然后进入激励传感器4；

S3、在激励传感器4的检测对象13横截面上产生一个交变的电磁场；激励线圈提供的交变电磁场与激励传感器4中的永磁体14提供的直流磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着检测对象13的长度方向传播，所述机械弹性波为横波；

S4、当所述机械弹性波遇到缺陷或损伤后，返回一个机械回波，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器5检测到回波信号，电压值为0.7V；

S5、信号调理器6对回波信号进行调理，然后，将回波信号发送到信号采集卡7；

S6、信号采集卡7采集调理后的回波信号，然后存储在信号采集存储器12中的数据存储器8中；

S7、所述数据存储器8将数据上传到PC机9中，PC机9通过系统计算，产生时间与回波幅值关系的信号图，在该信号图中，显示了检测对象13上有缺陷或损伤的位置对应的时间点，通过计算，得出有缺陷或损伤的位置与检测传感器5的距离，得出缺陷或损伤的位置。

优选地，步骤S3中的信号调理包括三个步骤：

S31、对回波信号进行阻抗匹配；

S32、对回波信号滤波；以及

S33、对回波信号进行电压放大。

优选地，步骤S1中，所述信号采集卡7接收到触发脉冲后，检测传感器5开始检测回波信号，该回波信号为电压信号。

参见图6，在信号图中，因磁致伸缩效应激励出的横波到达检测侧线圈时，检测出的电压信号为直达波15；导波到达钢管端部后，由于端部为100%的截面积损失，则导波发生全反射，并传播到达检测传感器5处，此时，由检测线圈检测出的回波电压信号为首次端部回波16；对直达波15与首次端部回波16之间的信号进行分析，根据波幅及相位相对于幅度调制脉冲的变化，找出有缺陷或损伤处的回波，并确定接收该回波的时间点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于，包括：信号发生器、连接该信号发生器的功率放大器、连接该功率放大器的激励传感器、检测传感器、连接该检测传感器的信号调理器、连接该信号调理器的信号采集存储器、连接该信号采集存储器的PC机以及给上述装置供电的电源；其中，所述信号发生器还连接所述信号采集存储器；所述激励传感器包括永磁体和沿周向绕在检测对象上的激励线圈，该激励线圈至少2层嵌套，每一层激励线圈的轴向长度相同，且每一层激励线圈单独连接一个功率放大器，所述永磁体沿检测对象的周向设置在所述激励线圈表面；所述检测传感器包括永磁体和沿周向绕在检测对象上的检测线圈，所述检测线圈连接所述信号调理器，所述检测线圈至少2层嵌套，每一层检测线圈的轴向长度相同，且所有检测线圈逐层串联，所述永磁体沿检测对象的周向设置在所述激励线圈表面。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于：所述功率放大器包括电压放大器和电流放大器，电压放大器连接所述信号发生器，电流放大器连接所述激励传感器；所述信号采集存储器包括信号采集卡和数据存储器，该信号采集卡连接信号调理器，该数据存储器连接所述PC机。

3.根据权利要求2所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于：激励线圈有3层，每层激励线圈的匝数相同，与每一层激励线圈分别连接的3个功率放大器产生的功率相同。

4.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于：与每一层激励线圈分别连接的3个功率放大器输出电流波形及起始时刻相同。

5.根据权利要求4所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于：设置在激励线圈表面的永磁体有4个，沿激励线圈表面均匀分布，相邻永磁体上相邻磁极的极性相反。

6.根据权利要求5所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于，激励线圈产生的磁场的计算公式为：

该公式中，i表示第i层激励线圈,为1～10内的整数；n表示激励线圈的层数；H_i表示第i层激励线圈激励出的交变磁场强度的安匝数，H即为多层激励线圈的合成磁场强度的安匝数。

7.根据权利要求5或6所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于：检测线圈共有3层，每一层检测线圈匝数相同且同向缠绕；设置在检测线圈表面的永磁体有4个，沿检测线圈表面均匀分布，相邻永磁体上相邻磁极的极性相反。

8.根据权利要求7所述的基于磁致伸缩导波的横波检测装置，其特征在于：检测传感器检测到电压信号的计算公式为：

U＝-(S₁+S₂+...+S_i+...+S_n)NdB/dt

该公式中，N表示每一层的检测线圈匝数，一般取2～100间的整数；dB/dt表示单位时间内检测线圈截面上磁感应强度的变化率；S_i表示第i层检测线圈的截面积；U表示检测线圈检测到总电压值。

9.一种基于磁致伸缩导波的横波检测方法，其特征在于,包括如下步骤：

S1、电源开始供电，信号发生器产生一个幅度调制脉冲信号，同时发出一个触发脉冲到信号采集卡；

S2、所述脉冲信号进入功率放大器中的电压放大器，实现电压放大，再进入功率放大器中的电流放大器，实现电流放大，然后进入激励传感器；

S3、在激励传感器的检测对象横截面上产生一个交变的电磁场；激励线圈提供的交变电磁场与激励传感器中的永磁体提供的直流磁场合成，由于磁致伸缩效应，从而在管壁截面上产生一个机械弹性波并沿着检测对象的长度方向传播，所述机械弹性波为横波；

S4、当所述机械弹性波遇到缺陷或损伤后，返回一个机械回波，由于逆磁致伸缩效应，检测传感器检测到回波信号；

S5、信号调理器对回波信号进行调理，然后，将回波信号发送到信号采集卡；

S6、信号采集卡采集调理后的回波信号，然后存储在信号采集存储器中的数据存储器中；

S7、所述数据存储器将数据上传到PC机中，PC机通过系统计算，产生时间与回波幅值关系的信号图，在该信号图中，显示了检测对象上有缺陷或损伤的位置对应的时间点，通过计算，得出有缺陷或损伤的位置与检测传感器的距离，得出缺陷或损伤的位置。

10.根据权利要求9所述的基于磁致伸缩导波的横波检测方法，其特征在于，步骤S3中的信号调理包括三个步骤：

S31、对回波信号进行阻抗匹配；

S32、对回波信号滤波；以及

S33、对回波信号进行电压放大。

11.根据权利要求9或10所述的一种基于磁致伸缩导波的横波检测方法，其特征在于：步骤S1中，所述信号采集卡接收到触发脉冲后，检测传感器开始检测回波信号。

12.根据权利要求11所述的基于磁致伸缩导波的横波检测方法，其特征在于：在信号图中，激励传感器发出的经过检测传感器的机械弹性波为直达波，从检测对象端部第一次返回到检测传感器的回波为首次端部回波；对直达波与首次端部回波之间的信号进行分析，根据波幅及相位相对于幅度调制脉冲信号的变化，找出有缺陷或损伤处的回波，并确定接收该回波的时间点。