CN104777231B - 一种磁致伸缩导波接收传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩导波接收传感器，包括偏置磁化器、外接收线圈、内接收线圈组件，其中，偏置磁化器用于贴附在管道的外壁；外接收线圈用于套接在管道的外侧；内接收线圈组件包括内接收线圈、线圈支撑杆及定位套筒，内接收线圈缠绕在线圈支撑杆上，定位套筒活动套接在线圈支撑杆上，内接收线圈用于伸入管道内感应空气中磁通量变化以实现导波接收，定位套筒用于套装在管道内壁上以与线圈支撑杆配合支撑内接收线圈。本发明的内接收线圈用于感应管内空气中磁通量变化实现导波接收，与外接收线圈一起配合能够消除管内空气中磁通量变化对管道壁中磁通量变化的抵消作用，因此能够增强信号强度，具有增强仪器检测缺陷能力的效果。

Description

一种磁致伸缩导波接收传感器及其应用

技术领域

本发明属于超声无损检测设备领域，更具体地，涉及一种磁致伸缩导波接收传感器及其应用。

背景技术

超声导波具有单点激励即可实现长距离检测的优点，因此被广泛应用管道的快速检测，特别是长输管线、城市天然气管道、石化管道的快速检测。电磁超声导波基于磁致伸缩效应或洛伦兹力实现导波激励和接收，其主要优点是可实现非接触检测、传感器安装简单等。申请号96193606.1公布了一种铁磁性圆柱壳结构的磁致伸缩导波外检测传感器。申请号201410350760.5公布了一种基于磁致伸缩导波的检测传感器、检测系统及应用，该专利公开了纵向模式的管道内检测导波传感器。申请号201410349737.4公开了一种基于磁致伸缩效应的导波传感器，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。

以前检测缺陷时，一般只是在管道的外部套置一外接收线圈，这样的缺点是由于管壁内磁通量变化与管内空气中磁通量变化相反，只用一个外接收线圈时管壁内以及管内空气中磁通量变化所引起的电信号会相互抵消，导致缺陷信号幅值减小。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁致伸缩导波接收方法及传感器，由于磁致伸缩导波检测信号强度和信噪比直接关系到缺陷检出的能力，如果能够进一步提高信号的强度将有力提高缺陷的检测能力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁致伸缩导波接收传感器，用于端部开放管道缺陷的检测，包括偏置磁化器、外接收线圈、内接收线圈组件，其中，

偏置磁化器，用于贴附在管道的外壁提供磁场；

外接收线圈，用于套接在管道的外侧接收模拟信号；

内接收线圈组件，用于伸入管道内接收模拟信号，其包括内接收线圈、线圈支撑杆及定位套筒，所述内接收线圈缠绕在线圈支撑杆上，所述定位套筒套接在线圈支撑杆上，所述内接收线圈的轴向长度与外接收线圈的轴向长度相等且绕向相同，所述内接收线圈用于伸入管道内感应空气中磁通量变化以实现导波接收，所述定位套筒用于套装在管道内壁上以与线圈支撑杆配合支撑内接收线圈。

优选地，所述外接收线圈上连接有第一接线端子。

优选地，所述内接收线圈上连接有第二接线端子。

优选地，所述线圈支撑杆包括线圈缠绕支架和固定连接在线圈缠绕支架上的导杆，所述线圈缠绕支架为纵截面呈工字形的回转体，所述内接收线圈缠绕在线圈缠绕支架上，所述定位套筒活动套接在导杆上以与线圈缠绕支架配合支撑内部支撑线圈。

优选地，所述导杆中空，所述线圈缠绕支架上设置有与导杆内腔相通的出线孔，所述内接收线圈的两端从出线孔和导杆的内部伸出导杆后连接有第二接线端子。

优选地，所述导杆上设置有刻度。

一种管道缺陷检测系统，包括磁致伸缩导波接收传感器，所述的磁致伸缩导波接收传感器上连接导波检测仪，所述导波检测仪上连接激励传感器，其中，

激励传感器，用于将导波检测仪发出的电信号实现导波激励；

磁致伸缩导波接收传感器，用于感应磁通量变化实现导波接收，并传入导波检测仪处理；

导波检测仪，用于发出激励信号给激励传感器，处理磁致伸缩导波接收传感器接收的模拟信号，将内接收线圈和外接收线圈接收的模拟信号转化为数字信号，再将两组数字信号进行相减，利用相减的信号实现管道缺陷的检测。

优选地，所述导波检测仪包括计算机、脉冲信号发射器、功率放大器、双通道信号预处理器和双通道A/D转换器，其中，

脉冲信号发射器，用于产生所需的电信号；

功率放大器，用于放大脉冲信号发射器发生的电信号，为激励传感器提供功率信号；

双通道信号预处理器，用于对内接收线圈以及外接收线圈得到的模拟信号进行放大滤波；

双通道A/D转换器，用于将经过预处理的内接收线圈以及外接收线圈的模拟信号转换成数字信号；

计算机，用于控制脉冲信号发射器和双通道A/D转换器、数据存储及结果显示。

一种利用管道缺陷检测系统进行管道检测的方法，包括以下步骤：

1)在管道上安装激励传感器、外接收线圈，然后沿外接收线圈的周向均匀安装多个偏置磁化器；

2)将内接收线圈推送至管道内，调整线圈支撑杆伸入管道的长度，使内接收线圈和外接收线圈的左右两端对齐；

3)将定位套筒放入管道内以支撑线圈支撑杆；

4)将激励传感器与导波检测仪的激励端子连接，外接收线圈、内接收线圈分别与导波检测仪的第一接收端子与第二接收端子连接；

5)导波检测仪接收外接收线圈与内接收线圈信号，进行处理后相减获得缺陷信号。

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)本发明的内接收线圈用于感应管内空气中磁通量变化实现导波接收，与外接收线圈一起配合能够消除管内空气中磁通量变化对管道壁中磁通量变化的抵消作用，因此能够增强信号强度，具有增强仪器检测缺陷能力的效果。

2)本发明的内接收线圈与外接收线圈的匝数与轴向宽度一致且绕向相同，保证内接收线圈和外接收线圈感应磁通量变化的特性相同；

3)本发明的导杆上设置有刻度，这样可以更好地调整内接收线圈的位置，使内接收线圈与外接收线圈的左右两端对齐；

4)本发明的管道缺陷检测系统包括激励传感器、接收传感器及导波检测仪，可以获得管内空气中磁通量变化信号，从而剔除管内空气中磁通量变化对检测信号的抵消作用增强信号强度；

5)本发明的管道检测的方法能够快速有效地检测出管道的缺陷，通过信号图识别缺陷的位置非常方便。

附图说明

图1为本发明中磁致伸缩导波接收传感器外接收线圈安装在管道上时的结构示意图；

图2为本发明中内接收线圈组件的主视图；

图3为本发明中内接收线圈组件的立体图；

图4为本发明中磁致伸缩导波接收传感器安装在管道上的示意图；

图5为本发明的管道缺陷检测系统检测管道缺陷时的结构示意图；

图6为使用管道缺陷检测系统在管道上检测缺陷时的示意图；

图7(a)为使用管道缺陷检测系统进行检测后外接收线圈获得的信号波形图；

图7(b)为使用管道缺陷检测系统进行检测后内接收线圈获得的信号波形图；

图7(c)为使用管道缺陷检测系统进行检测后外接收线圈感应信号减去内接收线圈感应信号的信号波形图。

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方式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。

一种磁致伸缩导波接收传感器，用于端部开放管道缺陷的检测，该磁致伸缩导波接收传感器包括偏置磁化器7、外接收线圈5、内接收线圈组件，其中，

偏置磁化器7，用于贴附在管道9的外壁提供磁场；

外接收线圈5，用于套接在管道9的外侧接收模拟信号；优选地，所述外接收线圈5上连接有第一接线端子6，用于连接外部设备。

内接收线圈组件，用于伸入管道9内接收模拟信号，其包括内接收线圈2、线圈支撑杆1及定位套筒8，所述内接收线圈2缠绕在线圈支撑杆1上，所述定位套筒8套接在线圈支撑杆1上，所述内接收线圈2的轴向长度与外接收线圈5的轴向长度相等且绕向相同,所述内接收线圈2用于伸入管道9内感应空气中磁通量变化以实现导波接收，所述定位套筒8用于套装在管道9内壁上以与线圈支撑杆1配合支撑内接收线圈2。优选地，所述内接收线圈2上连接有第二接线端子4，以连接外部设备；所述线圈支撑杆1包括线圈缠绕支架3和固定连接在线圈缠绕支架3上的导杆，所述线圈缠绕支架3为纵截面呈工字形的回转体，所述内接收线圈2缠绕在线圈缠绕支架3上，所述定位套筒8活动套接在导杆上以与线圈缠绕支架3配合支撑内部支撑线圈。所述导杆中空，所述线圈缠绕支架3上设置有与导杆内腔相通的出线孔，所述内接收线圈2的两端从出线孔和导杆的内部伸出导杆后连接有第二接线端子4。另外，所述导杆上还设置有刻度。

一种管道缺陷检测系统，包括磁致伸缩导波接收传感器10，所述的磁致伸缩导波接收传感器10上连接导波检测仪12，所述导波检测仪12上连接激励传感器11，其中，激励传感器11，用于将导波检测仪12发出的电信号实现导波激励；接收传感器，用于感应磁通量变化实现导波接收，并传入导波检测仪12处理；导波检测仪12，用于发出激励信号给激励传感器11，处理磁致伸缩导波接收传感器10接收的模拟信号，将内接收线圈2和外接收线圈5接收的模拟信号转化为数字信号，再将两组数字信号进行相减，利用相减的信号实现管道9缺陷的检测。

进一步，所述导波检测仪12包括计算机13、脉冲信号发射器14、功率放大器15、双通道信号预处理器16和双通道A/D转换器17，其中，脉冲信号发射器14，用于产生所需的电信号；功率放大器15，用于放大脉冲信号发射器14发生的电信号，为激励传感器11提供功率信号；双通道信号预处理器16，用于对内接收线圈2以及外接收线圈5得到的模拟信号进行放大滤波；双通道A/D转换器17，用于将经过预处理的内接收线圈2以及外接收线圈5的模拟信号转换成数字信号；计算机13，用于控制脉冲信号发射器14和双通道A/D转换器17、数据存储及结果显示。

一种利用管道缺陷检测系统进行管道9检测的方法，包括以下步骤：

1)在管道9上安装激励传感器、外接收线圈5，然后沿外接收线圈5的周向均匀安装多个偏置磁化器；

2)将内接收线圈2推送至管道9内，调整线圈支撑杆1伸入管道9的长度，使内接收线圈2和外接收线圈5的左右两端对齐；

3)将定位套筒8放入管道9内以支撑线圈支撑杆1；

4)将激励传感器与导波检测仪12的激励端子连接，外接收线圈5、内接收线圈2分别与导波检测仪12的第一接收端子与第二接收端子连接；

5)导波检测仪12接收外接收线圈5与内接收线圈2信号，进行处理后相减获得缺陷信号。

本发明提供一种磁致伸缩导波接收传感器10，在原来外接收线圈5的基础上增加一个与外接收线圈5轴向位置重合的内接收线圈2，利用管道9内的内接收线圈2和管道9外的外接收线圈5同时实现导波接收，然后在计算机13的软件中利用外接收线圈5的接收信号减去内接收线圈2的接收信号，由于二者的接收信号一个为正，一个为负，因此相减以后，可以达到信号增强的目的，使信号图上缺陷的位置更加明显，能有效提高缺陷检测能力。

参照图1～图4，导杆是表面刻有最小单位为1毫米刻度的内部有空腔的长杆，刻度能显示导杆伸入管道长度，以使内接收线圈2与外接收线圈5的左右两端对齐。导杆与线圈缠绕支架3通过粘胶剂粘接，线圈缠绕支架3柱面两端各有一个圆环柱体凸台，柱面中间部分作为内接收线圈2的支撑骨架，内接收线圈2沿着线圈缠绕支架3圆柱体外轮廓缠绕，内接收线圈2的外径应小于端部圆柱体凸台的外径，以起到使用中保护内接收线圈2的目的。支架定位套筒8嵌套在导杆上，当导杆伸入管道内固定在管道端部。内部接收端子4固定在导杆的端部。

图4示出了使用本发明实施例提供的上述磁致伸缩导波接收传感器用于导波检测时安装在管道上的示意图。安装磁致伸缩导波接收传感器需配合使用提供轴向磁场的偏置磁化器7，在管道9上先安装外接收线圈5，然后沿圆周均匀安装偏置磁化器7，再将安装好内接收线圈2的导杆推送至管道内部，通过导杆上的刻度调整导杆的深入长度保证内接收线圈2和外接收线圈5在轴向位置重合，最后将定位套筒8放入管道9端部来支撑导杆，保证导杆与管道9同轴。

图5示出了使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波检测系统的结构框图，整个系统包括磁致伸缩导波接收传感器10、激励传感器11和导波检测仪12。导波检测仪12包括计算机13、脉冲信号发射器14、功率放大器15、双通道信号预处理器16以及双通道A/D转换器17。

激励传感器11和磁致伸缩导波接收传感器10分别与导波检测仪12的激励端和接收端相连。导波检测仪12中，计算机13控制脉冲信号发射器14产生脉冲信号，经过功率放大器15放大，从激励端传输给激励传感器11；激励纵向模态时，激励传感器11利用磁致伸缩效应在管道9上激励纵向模态导波，内接收线圈2和外接收线圈5利用逆磁致伸缩效应将导波信号转换为电信号，传输至导波检测仪12的接收端；导波检测仪12中接收端获得两个线圈的接收信号，输入到双通道信号预处理器16，信号通过预处理后输入到双通道A/D转换器17，经转换后的数字信号输入到计算机13进行处理。将外接收线圈5获取的信号减去内接收线圈2获取的信号得到最终的检测信号。

图6示出了使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波接收传感器在管道上进行实验的示意图，被检管道9为一根长度4m、内径为32mm、外径为38mm的钢管，壁厚为3mm，钢管中缺陷18位于距左端部3m处，沿周向长为20mm、宽为2mm、深度为1mm，磁致伸缩激励传感器11为螺线管线圈，由1mm的漆包线制成，层数1层，匝数20匝，内径40mm，轴向长度为22mm，安装在左端部。磁致伸缩导波接收传感器10的导杆由聚四氟乙烯材料制成，外接收接收线圈5由1mm的漆包线制成，层数1层，匝数20匝，内径为40mm，轴向长度为22mm，外接收线圈5安装在距左端部2m处；内接收接收线圈2由1mm的漆包线制成，层数1层，匝数20匝，外径为29mm，轴向长度为22mm，内接收线圈2安装在距左端部2m处。首先根据图6的安装示意图将传感器和偏置磁化器安装在管道上，再按照图5的系统框图连线，通过已有的导波检测系统激励传感器在管道中激励导波，接收线圈利用逆磁致伸缩效应将管道中的导波信号转换为电信号，输入到信号预处理器，经预处理器后的电信号输入A/D转换器转换为数字信号，然后输入计算机进行处理。

内接收线圈2接收的检测信号通过处理得到的信号波形图(图7(a))，外接收线圈5接收的检测信号通过处理得到的信号波形图(图7(b))，将外接收线圈5的信号减去内接收线圈2的信号得到最终检测信号波形图(图7(c))。

从图7(c)的信号中可以看出通过信号、缺陷18的回波信号，端部的回波信号的幅值相对图7(a)和图7(b)获得较明显的增强。通过信号峰峰值由原来的图7(a)中7.422V，图7(b)中的4.326V，增加到图7(c)中的11.748V；缺陷信号峰峰值由原来的图7(a)中的0.5613V，图7(b)中的0.3052V，增加到图7(c)中的0.8665V；端部回波信号峰峰值由原来的图7(a)中的6.100V，图7(b)中的3.627V，增加到图7(c)中的9.727V。显然，通过增加内接收线圈2，使得信号得到增加，缺陷检测更加容易识别。

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 (9)

1.一种磁致伸缩导波接收传感器，用于端部开放管道缺陷的检测，其特征在于：包括偏置磁化器、外接收线圈、内接收线圈组件，其中，

偏置磁化器，用于贴附在管道的外壁提供磁场；

外接收线圈，用于套接在管道的外侧接收模拟信号；

内接收线圈组件，用于伸入管道内接收模拟信号，其包括内接收线圈、线圈支撑杆及定位套筒，所述内接收线圈缠绕在线圈支撑杆上，所述定位套筒套接在线圈支撑杆上，所述内接收线圈的轴向长度与外接收线圈的轴向长度相等且绕向相同，所述内接收线圈用于伸入管道内感应空气中磁通量变化以实现导波接收，所述定位套筒用于套装在管道内壁上以与线圈支撑杆配合支撑内接收线圈。

2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩导波接收传感器，其特征在于：所述外接收线圈上连接有第一接线端子。

3.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩导波接收传感器，其特征在于：所述内接收线圈上连接有第二接线端子。

4.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩导波接收传感器，其特征在于：所述线圈支撑杆包括线圈缠绕支架和固定连接在线圈缠绕支架上的导杆，导杆与线圈缠绕支架通过粘胶剂粘接，所述线圈缠绕支架为纵截面呈工字形的回转体，所述内接收线圈缠绕在线圈缠绕支架上，所述定位套筒活动套接在导杆上以与线圈缠绕支架配合支撑内部支撑线圈。

5.根据权利要求4所述的一种磁致伸缩导波接收传感器，其特征在于：所述导杆中空，所述线圈缠绕支架上设置有与导杆内腔相通的出线孔，所述内接收线圈的两端从出线孔和导杆的内部伸出导杆后连接有第二接线端子。

6.根据权利要求4所述的一种磁致伸缩导波接收传感器，其特征在于：所述导杆上设置有刻度。

7.一种管道缺陷检测系统，其特征在于：包括权利要求1～6中任一权利要求所述的磁致伸缩导波接收传感器，所述的磁致伸缩导波接收传感器上连接导波检测仪，所述导波检测仪上连接激励传感器，其中，

激励传感器，用于将导波检测仪发出的电信号实现导波激励；

磁致伸缩导波接收传感器，用于感应磁通量变化实现导波接收，并传入导波检测仪处理；

导波检测仪，用于发出激励信号给激励传感器，处理磁致伸缩导波接收传感器接收的模拟信号，将内接收线圈和外接收线圈接收的模拟信号转化为数字信号，再将两组数字信号进行相减，利用相减的信号实现管道缺陷的检测。

8.根据权利要求7所述的一种管道缺陷检测系统，其特征在于：所述导波检测仪包括计算机、脉冲信号发射器、功率放大器、双通道信号预处理器和双通道A/D转换器，其中，

脉冲信号发射器，用于产生所需的电信号；

功率放大器，用于放大脉冲信号发射器发生的电信号，为激励传感器提供功率信号；

双通道信号预处理器，用于对内接收线圈以及外接收线圈得到的模拟信号进行放大滤波；

双通道A/D转换器，用于将经过预处理的内接收线圈以及外接收线圈的模拟信号转换成数字信号；

计算机，用于控制脉冲信号发射器和双通道A/D转换器、数据存储及结果显示。

9.一种利用权利要求7或8中任一所述的管道缺陷检测系统进行管道检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在管道上安装激励传感器、外接收线圈，然后沿外接收线圈的周向均匀安装多个偏置磁化器；

2)将内接收线圈推送至管道内，调整线圈支撑杆伸入管道的长度，使内接收线圈和外接收线圈的左右两端对齐；

3)将定位套筒放入管道内以支撑线圈支撑杆；

4)将激励传感器与导波检测仪的激励端子连接，外接收线圈、内接收线圈分别与导波检测仪的第一接收端子与第二接收端子连接；

5)导波检测仪接收外接收线圈与内接收线圈信号，进行处理后相减获得检测信号。