CN104122327A - 基于磁致伸缩效应的导波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩效应的导波传感器，可用于对构件进行无损检测，包括外壳(6)，波导管(8)，永久磁铁(4)，永久磁铁同轴容置在所述外壳(6)内，且与中空筒状的波导管(8)一端同轴贴合，还包括内管(5)以及内管压块(3)，位于内管(5)和外壳(6)之间的波导管(8)上具有相隔距离的激励线圈和接收线圈，对激励线圈通入交流电后，激励线圈产生交变磁场，该交变磁场与永久磁铁形成的偏置磁场共同作用使波导管(8)激发出超声导波，将所述超声导波传入被检测构件(16)以对被检测构件进行无损检测。本发明中通过波导管产生的超声导波进行检测，既可用于铁磁性材料也可用于非铁磁材料的检测。

Description

基于磁致伸缩效应的导波传感器

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域，特别涉及一种基于磁致伸缩效应的导波传感器。

背景技术

相对于传统的超声波检测技术，超声导波具有传播距离远，检测速度快的特点，该技术在大型构件，如在役管道和复合材料的无损检测中应用广泛。基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术的检测原理为：铁磁性构件在外磁场中被磁化时，其外型尺寸会发生变化，即产生磁致伸缩应变，从而在构件内激发应力波，这种应力波实际上是结构导波，也是一种弹性波。反过来，当构件中存在缺陷时其声阻将发生变化，从而引起导波的反射、透射等，进而导致构件内磁感应强度发生变化，而变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化，通过测量电压信号即可检测出构件中是否存在腐蚀、裂纹等缺陷。

目前，在磁致伸缩导波检测中，为在被测构件中激励出导波，一方面采用适当的磁路设计，以在被测构件中形成静态的轴向偏置磁场，另一方面同时利用缠绕在构件上的线圈产生交变磁场，进而利用磁致伸缩效应在构件中激励出导波，如授权号为200710119319.6中国专利公开的一种钢绞线超声导波检测的磁致伸缩传感器，在与钢绞线轴向平行的方向上安装有永磁铁和缠绕在钢绞线上的线圈，分别用于形成偏置磁场和交变磁场，利用磁致伸缩效应激励出导波检测钢绞线中的缺陷。上述传感器存在结构复杂，体积庞大的缺点，同时由于多磁路结构，磁场的均匀性差，容易产生噪声，并且上述传感器仅能用于检测可被磁化的铁磁性构件。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的导波传感器，其目的在于利用磁致伸缩效应首先在波导管中产生超声导波，然后将其传入被测构件进行无损检测，由此弥补了传统磁致伸缩导波不能对非铁磁性构件检测的不足，同时解决了换热管等端部外露构件难检测的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的导波传感器，可用于对构件进行无损检测，包括

外壳，该外壳呈中空筒状；

波导管，该波导管呈中空筒状，其一端置于所述外壳的中空腔内并与所述外壳相固定，所述波导管另一端伸出所述外壳；

永久磁铁，其呈中空筒状，同轴容置在所述外壳内，且与中空筒状的波导管一端同轴贴合；

内管，其为中心具有通孔的管状，所述内管的一段穿过所述永久磁铁的中空腔部且端部伸出所述永久磁铁外，其另一段穿入所述波导管的中空腔部，其与所述永久磁铁的中空腔部的内壁相接触，以支撑所述永久磁铁，防止其沿垂直于自身中心轴线的方向移动；

内管压块，该内管压块为开有通孔的圆环状，其同轴套装在所述内管伸出永久磁铁外的端部上,且与所述永久磁铁的端面紧密贴合，并与所述外壳相固定，可防止所述永久磁铁沿轴向移动；

位于内管和外壳之间的波导管上绕有激励线圈和接收线圈，激励线圈包括内激励线圈和外激励线圈，接受线圈包括内接受线圈和外接受线圈，内激励线圈和内接收线圈的引线通过开设在所述内管壁上的壁孔进入所述内管中心通孔后引出，外激励线圈和外接收线圈的引线通过开设在外壳内壁上的走线槽引出，对激励线圈通入交流电后，所述激励线圈产生交变磁场，所述交变磁场与所述永久磁铁形成的偏置磁场共同作用使所述波导管产生磁致伸缩应变从而激发出超声导波，将其传入被检测构件以对被检测构件进行无损检测，带有构件信息的超声导波反射回来使所述波导管内磁感应强度变化，从而使所述波导管上的接收线圈内产生带有检测信息的电信号，根据所述电信号可获得无损检测结果。

进一步的，所述激励线圈包括缠绕在所述波导管外壁的外激励线圈和缠绕在所述内管外壁上的内激励线圈，所述内管外壁与所述波导管内壁之间相距仅能容置所述内激励线圈的距离，以使缠绕在所述内管外壁的内激励线圈贴合在所述波导管内壁。

进一步的，所述接收线圈包括缠绕在所述波导管外壁的外接收线圈和缠绕在所述内管外壁上的内接收线圈，所述内管外壁与所述波导管内壁之间相距仅能容置所述内接收线圈的距离，以使缠绕在所述内管外壁的内接收线圈贴合在所述波导管内壁。

进一步的，所述内激励线圈与外激励线圈相串联，所述内接收线圈和外接收线圈相串联。

进一步的，所述外壳远离波导管的端部固定有外端盖，所述外端盖上安装有激励线圈插座和接收线圈插座，分别与激励线圈和接收线圈相连，以分别给所述激励线圈通入交流电和将接收线圈上的带有检测信息的电信号引出。

进一步的，所述永久磁铁的极化方向与波导管轴线方向平行。

进一步的，所述波导管材料为纯铁或碳钢。

进一步的，所述外壳和内管材料均为塑料。

进一步的，所述外壳和内管材料均为尼龙或/和聚四氟乙烯。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

1.本发明利用永久磁铁的轴向磁场作为偏置磁场，波导管位于永久磁铁端部，由于永久磁铁的轴向磁场均匀且方向一致，因而导波管中产生的导波模态单一纯净。

2.本发明中波导管内外表面均布置有激励线圈，使波导管的趋肤层具有内外两层，其趋肤层厚度增大，在偏置磁场的作用下，产生超声波的能量也随之增大，使检测效率和精确度提高。

3.本发明中通过波导管产生的超声导波进行检测，由于超声导波是一种声波，该声波不仅可以在传统的铁磁性材料中传播还可以在非铁磁材料中传播，因此可以用于非铁磁性构件的检测。

4.当使用本发明中导波传感器检测铁磁性构件时，由于波导管处于偏置磁场内，具有磁性，可与铁磁性构件相互吸引，无须预紧力即可保证被检测构件与导波传感器紧密贴合，方便检测。

附图说明

图1为本发明实施例的基于磁致伸缩效应的导波传感器结构示意图；

图2为使用本发明实施例导波传感器检测被测构件的系统示意图；

图3为本发明实施例使用的低碳钢钢管的缺陷分布示意图；

图4为使用本发明实施例的导波传感器检测图3中钢管得到的信号波形图；

图5为使用本发明实施例的导波传感器检测无缺陷非铁磁性不锈钢钢管得到的信号波形图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激励线圈插座   2-外端盖       3-内管压块

4-永久磁铁       5-内管         6-外壳

7-端盖           8-波导管       9-内接收线圈

10-外接收线圈   11-内激励线圈  12-外激励线圈

13-接收线圈插座 14-导波传感器  15-耦合剂

16-被检测构件   17-计算机      18-信号发生器

19-A/D转换器     20-功率放大器     21-信号预处理器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的基于磁致伸缩效应的导波传感器结构示意图。如图1中所示，外壳6呈中空筒状，波导管8也呈中空筒状，波导管8一端置于外壳6的中空腔内，另一端伸出外壳6。永久磁铁4也呈中空筒状，同轴放置在外壳6内，且与中空筒状的波导管8一端同轴贴合，永久磁铁4的极化方向与波导管8轴线方向平行。波导管8材料为低碳钢，但本发明中对其材料不进行具体限定。内管5为中心具有通孔的管状结构，内管5的一段穿过永久磁铁4的中空腔部且端部伸出永久磁铁4外，另一段穿入所述波导管8的中空腔部，并与波导管8相固定。内管压块3为开有通孔的圆环状结构，其通过螺纹旋紧在内管5伸出永久磁铁4外的左边端部上并与永久磁铁4的端面紧密贴合，还通过螺钉与外壳6相固定，可防止永久磁铁4沿轴向方向移动。内管5右端与端盖7通过螺纹连接，并通过螺钉把外壳6、波导管8和端盖7连接起来。本实施例中外壳6和内管5材料均为尼龙，但本发明不对其材料进行具体限定。

位于内管5和外壳6之间的波导管8上绕有激励线圈和接收线圈，激励线圈包括缠绕在波导管8外壁的外激励线圈12和缠绕在内管5外壁上的内激励线圈11，接收线圈包括缠绕在波导管8外壁的外接收线圈10和缠绕在内管5外壁上的内接收线圈9。内激励线圈11与外激励线圈12相串联，内接收线圈9和外接收线圈10相串联。内管5外壁与所述波导管8内壁之间的间距略大于线圈厚度，使缠绕在内管外壁的内接收线圈9和内激励线圈11贴合在波导管内壁，接收线圈和激励线圈相隔一定距离，两者无重合。内激励线圈11和内接收线圈9的引线通过开设在内管5壁上的壁孔进入内管中心通孔后引出，外激励线圈12和外接收线圈10的引线通过开设在外壳6内壁上的走线槽引出。外壳6远离波导管的端部固定有外端盖2，外端盖2与外壳6通过螺钉固定起来。外端盖2上安装有激励线圈插座1和接收线圈插座13，分别与激励线圈和接收线圈相连。

通过激励线圈插座1对激励线圈通入交流电后，激励线圈产生交变磁场，该交变磁场与永久磁铁形成的偏置磁场共同作用使波导管8产生磁致伸缩应变从而激发出超声导波，将超声导波通过耦合剂15传入被检测构件16进行无损检测，带有构件信息的超声导波反射回来致使波导管内磁感应强度变化，从而使波导管上的接收线圈内产生带有检测信息的电信号，根据该电信号可获得无损检测结果。

图2为使用本发明实施例导波传感器检测被测构件的系统示意图，如图2所示，在对被检测构件16的检测过程中，磁致伸缩导波传感器14与被检测构件16通过耦合剂15连接在一起。计算机17控制信号发生器18产生脉冲信号，经功率放大器20放大后输给由外激励线圈12与内激励线圈11串联组成的激励线圈，利用磁致伸缩效应在波导管中产生纵向模态的导波。外接收线圈10与内接收线圈9串联组成的接收线圈实现导波信号的接收，该信号通过信号预处理器21放大和滤波后，经A/D转换器19转为数字信号送回计算机17进行显示、存储和后期处理。

图3为本发明实施例使用的低碳钢钢管的缺陷分布示意图，该钢管为一个外径25mm，内径20mm的铁磁性钢管，其缺陷分布如图3所示，管长为2.8m，在距离左端部1.4m的位置有一个横槽缺陷，距离左端部2m的位置有一个通孔缺陷。横槽长12.5mm，宽1mm，深0.5mm，等效截面积损失为3.7％。通孔直径为5mm，其等效截面积损失为7.5％。

图4为使用本发明的磁致伸缩导波传感器对图3的钢管进行无损检测得到的波形图。图5为使用本发明的磁致伸缩导波传感器对外径25mm，内径20mm，长2.8m的无缺陷非铁磁性不锈钢钢管进行长度检测得到的波形图。在上述附图中，M表示激励线圈和接收线圈直接耦合产生的电磁脉冲信号，S1表示横槽缺陷反射的第一个回波信号，S2表示通孔缺陷反射的第一个回波信号，D表示钢管端部反射的第一个回波信号。从图4中可以看出，本发明的磁致伸缩导波传感器可以检测出铁磁性钢管构件的横槽和通孔缺陷，从图5中可以看出，利用本发明的传感器，可以将磁致伸缩应用到非铁磁材料的无损检测中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于磁致伸缩效应的导波传感器，可用于对构件进行无损检测，其特征在于，包括

外壳(6)，该外壳呈中空筒状；

波导管(8)，该波导管呈中空筒状，其一端置于所述外壳(6)的中空腔内并与所述外壳相固定，所述波导管另一端伸出所述外壳；

永久磁铁(4)，其呈中空筒状，同轴容置在所述外壳(6)内，且与中空筒状的波导管(8)一端同轴贴合；

内管(5)，其为中心具有通孔的管状，所述内管的一段穿过所述永久磁铁(4)的中空腔部且端部伸出所述永久磁铁外，其另一段穿入所述波导管(8)的中空腔部，其与所述永久磁铁的中空腔部的内壁相接触，以支撑所述永久磁铁，防止其沿垂直于自身中心轴线的方向移动；

内管压块(3)，该内管压块为开有通孔的圆环状，其同轴套装在所述内管(5)伸出永久磁铁(4)外的端部上，且与所述永久磁铁的端面紧密贴合，并与所述外壳(6)相固定，可防止所述永久磁铁沿轴向移动；

位于内管(5)和外壳(6)之间的波导管上具有相隔距离的激励线圈和接收线圈，对激励线圈通入交流电后，所述激励线圈产生交变磁场，所述交变磁场与所述永久磁铁形成的偏置磁场共同作用使所述波导管(8)产生磁致伸缩应变从而激发出超声导波，将其传入被检测构件(16)以对被检测构件进行无损检测，带有构件信息的超声导波反射回来使所述波导管内磁感应强度变化，从而使所述波导管上的接收线圈内产生带有检测信息的电信号，根据所述电信号可获得无损检测结果。

2.如权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述激励线圈包括缠绕在所述波导管(8)外壁的外激励线圈(12)和缠绕在所述内管(5)外壁上的内激励线圈(11)，所述内管外壁与所述波导管内壁之间相距仅能容置所述内激励线圈(11)的距离，以使缠绕在所述内管外壁的内激励线圈贴合在所述波导管内壁。

3.如权利要求1或2所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述接收线圈包括缠绕在所述波导管(8)外壁的外接收线圈(10)和缠绕在所述内管(5)外壁上的内接收线圈(9)，所述内管外壁与所述波导管内壁之间相距仅能容置所述内接收线圈(9)的距离，以使缠绕在所述内管外壁的内接收线圈(9)贴合在所述波导管内壁。

4.如权利要求3所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述内激励线圈(11)与外激励线圈(12)相串联；所述内接收线圈(9)和外接收线圈(10)相串联。

5.如权利要求3或4所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述内激励线圈(11)和内接收线圈(9)的引线通过开设在所述内管(5)壁上的壁孔进入所述内管中心通孔后引出，所述外激励线圈(12)和外接收线圈(10)的引线通过开设在外壳(6)内壁上的走线槽引出。

6.如权利要求1-5之一所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述外壳(6)远离波导管(8)的端部固定有外端盖(2)，所述外端盖上安装有激励线圈插座(1)和接收线圈插座(13)，分别与激励线圈和接收线圈相连，以分别给所述激励线圈通入交流电和将接收线圈上的带有检测信息的电信号引出。

7.如根据权利要求1-6之一所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述永久磁铁(4)的极化方向与波导管(8)轴线方向平行。

8.如根据权利要求1-7之一所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述波导管(8)材料为纯铁或碳钢。

9.如根据权利要求1-8之一所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述外壳(6)和内管(5)材料均为塑料。

10.如根据权利要求1-9之一所述的基于磁致伸缩效应的导波传感器，其特征在于，所述外壳(6)和内管(5)材料均为尼龙或聚四氟乙烯。